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关键词： 台阶爆破   孔间延期   应力场   岩石破碎   有效应力  

摘要： 露天煤矿开采中利用炸药的爆炸能量对煤、岩施加荷载使其破碎。数码电子雷管在矿山上的应用是露天矿山爆破开采的重大技术。目前,电子雷管未能形成整套、成熟理论,国内露天矿山开采中数码电子雷管技术并不能得到充分发挥。元宝山露天矿台阶爆破开采的核心参数是炮孔装药量和孔间延时,未结合实际煤岩可爆性和赋存条件确定符合实际的钻孔爆破参数,针对参数的设计仅凭理论、现场经验并不能适应矿山开采对爆破效果的要求,爆破效果一般。探究受岩体爆破作用下破岩应力与孔间参数以及爆破效果预测,对露天矿台阶爆破技术提升具有理论和实际工程意义。 弄清孔间爆破岩石破裂规律是揭示群孔爆破岩石破碎机理的基础。以元露天矿爆破为研究对象,以空气间隔理论和损伤力学理论为基础,修正哈努卡耶夫提出的延时控制半经验公式,并以此进行计算延期时间。接着借助非线性有限元数值模拟软件构建现场模型,其台阶空气间隔位置位于5m条件下,模拟孔间延期时间以3ms作为间隔单位,分别设置为12ms、15ms、18ms起爆不同种方案模型,采用流固耦合算法模拟单排孔间延时爆破的压力等瞬时变化过程。结合张拉-压剪损伤理论,通过后处理Ls-Prepost计算不同延时起爆方式下,爆源近区、中近区以及中远区岩体中关键节点的失效,详细描述爆轰波传播以及岩体破裂过程。探讨了同排孔间,孔内同时起爆,孔间延期起爆后,在岩体中的应力场分布规律;同时对比分析孔内同时起爆,孔间同时起爆后的应力场分布对比。最后,结合现场进行不同段别数码电子雷管组合的延时爆破试验,将地质条件的物理力学参数代入修正后的延时计算公式,验证延时时间的合理性。 结果表明,孔间微差爆破的应力波在底部、空气间隔和顶部的衰减速度相比,在空气间隔部位的应力波峰值衰减在1～3m区间比3m～8m的区间快。模型一延期12ms条件下,所有考察单元的平均有效应力达到岩石屈服强度的时间为18.16 ms,模型二的考察单元有效应力平均持续时间为17.68 ms,模型三起爆后下的考察单元有效应力平均持续时间为18.54 ms。模型二起爆方式,各个考察点统计得到的有效应力,其持续时间的平均值在三种模型条件下最短。而在模型一和三两种起爆方式下,各考察点出现有效应力持续达到破岩条件下的时间久,选定最佳孔间微差延期为12 ms。最后,以元宝山露天矿368～392平盘东帮爆区进行现场试验,达到计算机与理论相结合,证实现场试验的目的。

关键词： 隔膜压缩机   膜片组   应力   有限元分析   结构优化  

摘要： 氢能源燃料电池汽车的迅速发展扩大了对加氢站的需求,对加氢站的重要设备--隔膜压缩机的性能也提出了更高的要求。隔膜压缩机通过机械或液压方式驱动膜片,使其产生弹性变形来实现对气体的压缩和传输。因此膜片的寿命与可靠性对隔膜压缩机的影响起着至关重要的作用,膜片在工作中承受每分钟数百万次的应力,据统计隔膜压缩机膜片的故障类型大多数是由于工作过程中膜片产生疲劳破坏而造成的,主要表现为严重的翘曲变形、穿孔和裂纹。因此探究单层膜片以及膜片组的结构并对膜片进行优化等问题具有重要的研究意义。本文主要研究内容为:(1)首先根据膜腔在一个吸排气周期内,膜片与液压缸的受力情况,对膜片所受的应力进行分析,在此基础上,根据一个压缩工艺过程中单层膜片不同位置的应力-应变情况,得出膜片在发生变形过程时受到的应力-应变规律;再对三层膜片组在不同挠度下的应力-应变情况进行分析,对膜片的易损区进行定位。(2)应用有限元方法对隔膜压缩机的膜片组进行力学分析,根据MD2.5压缩机膜片主参数和工作条件以及受力,分别对三层膜片的等效应力应变情况进行了模拟分析,分析结果与理论计算进行了对比。(3)对膜片组厚度,材料和油腔与膜片贴合表面的过渡圆角进行了优化,延长膜片组的工作寿命,缓解膜片受到来自膜腔贴合角的应力集中,优化了膜片组的结构。分析与优化结果表明,本文对膜片进行了力学和有限元分析,得到了膜片在受力时的变形曲线,对滑动区和粘附区进行了分析。通过优化膜片组,可以提高膜片组的使用寿命,可有效地改善隔膜压缩机的工作效率。

关键词： 热障涂层涡轮叶片   温度场   应力场   残余应力   隔热温度  

摘要： 涡轮叶片作为航空发动机的核心部件,在服役期间不仅面临着高温燃气的作用,还需要承受离心力、气动力等多种形式的载荷,这对航空发动机的安全性及可靠性提出了严峻的考验。由于进一步增加航空发动机的推力将提高涡轮前温度,为防止相关部件性能恶化、延长使用寿命,将热障涂层系统应用于先进燃气轮机、航空发动机等热端部件表面能够有效保护基底免受高温瞬态和环境的影响,这对航空发动机的安全稳定运行具有重要的意义。本文首先在力热耦合条件下对高温合金叶片进行了弹塑性有限元分析,探究了高温合金叶片的力热响应机制;之后为高温叶片引入热障涂层,模拟了热障涂层叶片制备后的冷却过程;并进一步对高温热冲击下和高转速下的热障涂层涡轮叶片的温度场及应力状态进行了模拟分析,揭示了带涂层的叶片基底和不带涂层的叶片在高温高转速环境下力学行为差异的应力机制,取得了如下成果:(1)建立了高温合金叶片和热障涂层涡轮叶片的三维有限元模型。首先建立简化的实心涡轮叶片几何模型,并逐级为其增加冷却通道结构、热障涂层结构,从而建立起从简化的实心叶片、含冷却通道叶片、到更接近实际的同时含热障涂层及冷却通道叶片三种类型的系列涡轮叶片有限元模型,以便定量分析叶片几何结构及热障涂层对其力热行为的影响。(2)基于有限元方法对涡轮叶片热障涂层制备后的冷却过程进行了仿真分析。通过采用热对流换热方式实现热障涂层叶片的冷却阶段模拟,获得了热障涂层和叶片基底的残余变形情况及残余应力状态。研究结果表明热障涂层在制备后产生的残余应力及残余变形分布均由叶片的冷却收缩和曲率变化主导,其受到的残余压应力值在0～200 MPa之内。(3)基于有限元方法对高温合金叶片和热障涂层叶片的实际服役过程进行了仿真模拟。根据航空发动机的不同工况依次对涡轮叶片开展离心载荷、高温载荷及两种载荷耦合作用时的叶片失效分析研究,得到了涡轮叶片系统的应力分布及演化规律,发现服役过程中热障涂层在叶片叶背区域阻热效果最好,最大可降低叶片温度290℃。并进一步为热障涂层涡轮叶片引入了热生长氧化层,讨论了其对热障涂层涡轮叶片失效形式的影响。

关键词： 工程力学   工程施工   课程融合   融合模式  

摘要： 目前，高等职业教育土木类专业大多以单一课程的教学模式进行教学，忽略了课程知识间的联系。这种教学模式难以使学生形成完整的辩证相关的知识体系，学生往往缺乏理论联系实践能力。基于课程背景，提出将土木类专业中的工程力学与工程施工进行课程融合教学，探寻课程间的交叉知识点，整合教学案例，并应用于教学实践。

关键词： 牙隐裂   全瓷单冠   全瓷高嵌体   三维有限元   应力  

摘要： 目的:全瓷单冠与全瓷高嵌体两种修复方式下的下颌第一磨牙隐裂牙的三维有限元模型对其裂纹扩展情况进行分析。方法:建立下颌第一磨牙裂纹深度Ⅰ至牙冠中1/3处未修复的有限元模型为A0对照组;裂纹深度Ⅱ至釉牙骨质界处为B0对照组。由于其裂纹深度已达髓腔,所以在对照组基础模型上进行根管治疗后使用全瓷单冠和全瓷高嵌体两种不同修复方式进行修复作为实验组。A1组:裂纹深度Ⅰ高嵌体修复;A2组:裂纹深度Ⅰ单冠修复。B1组:裂纹深度Ⅱ高嵌体修复;B2组:裂纹深度Ⅱ单冠修复。根据牙体在咀嚼过程中的受力点位对所有模型进行垂直向载荷(0°)和侧向载荷(45°),模拟最大咬合力600N。用ANSYS Workbench对裂纹应力强度因子,J积分值以及最大主应力进行分析。结果:1)在垂直载荷和斜向载荷下,相较于对照组,实验组裂纹的应力强度因子最大绝对值、J积分最大值以及最大主应力均下降且差异分布减小,其中高嵌体各组裂纹最大主应力均小于全冠组;2)相同条件下,裂纹深度Ⅱ下的各指标均大于裂纹深度Ⅰ;斜向载荷下的各指标均大于垂直载荷。结论:1)高嵌体和全冠对隐裂牙裂纹扩展均具有抑制作用,且在降低裂纹最大主应力方面高嵌体稍优于全冠;2)斜向载荷和深裂纹对裂纹扩展的影响更大。

关键词： 连续梁   施工工艺   悬臂灌筑施工   竖向位移   应力  

摘要： 当连续梁边墩墩高较高,边跨现浇段较长时,无法采用现浇支架施工边跨现浇段,采用托架施工边跨现浇段会使边墩承受很大不平衡弯矩。针对这种特殊施工条件,可以采用非对称悬臂灌筑施工,即缩短边跨现浇段,先合龙中跨,再悬臂浇筑一个不平衡节段,最后采用托架施工边跨现浇段的施工工艺。但这种施工工艺和传统对称悬臂灌筑施工的对称悬臂灌筑施工相比应用较少,因此,对连续梁采用非对称悬臂灌筑施工时结构的力学行为分析势在必行。本文以某高速铁路(48+80+48)m双线预应力混凝土连续梁为工程背景,建立了非对称悬臂灌筑施工和对称悬臂灌筑施工两种施工工艺的有限元模型,分析不同施工工艺下结构的力学行为,主要工作内容如下:(1)以本文提出的预应力混凝土连续梁为例,采用BSAS有限元分析软件,对非对称悬臂灌筑施工和对称悬臂灌筑施工两种施工工艺的有限元模型进行分析和比较,分析结构在施工和运营过程中的力学行为。(2)通过分析两种施工工艺在不同施工阶段结构的力学行为,发现了采用非对称悬臂灌筑施工时,中跨合龙后施工非对称梁段时跨中上缘会出现超出规范限值的拉应力,且施工过程中结构竖向位移变化幅度较大。(3)针对非对称悬臂灌筑施工时结构出现的拉应力超限和竖向位移变化幅度较大问题,从设计角度提出了解决措施,在施工不平衡段时采取压重措施能够有效解决拉应力超限的问题,改变中跨合龙索的张拉时机、改变中墩临时固结的拆除时机、改变压重的大小能够有效解决施工过程中结构竖向位移变化幅度过大的问题,为今后类似工程提供借鉴。

关键词： 接触密封   应力分析   尺寸优化   泄漏   双端面化工泵  

摘要： 化工泵广泛应用于石油、化工、医药、食品等有特殊要求的行业,长期工作在高温、高压、高腐蚀强度的环境,运行过程中易出现跑冒滴漏现象,严重影响产品的质量和机器的使用寿命。机械密封凭借密封性能好、结构简单、制造成本低廉的优点,常用于化工泵的密封,以减少污染,提高产品质量。双端面密封作为机械密封的一种,由于其隔离腔中注有隔离液,密封性能更佳,是承载有毒、易挥发介质化工泵密封的首选。双端面化工泵密封系统包括动、静环组成的两套密封副,两套密封副之间的隔离腔,密封副与端盖之间的密封圈等部分构成。由于工况恶劣、结构相对复杂,双端面化工泵密封易发生失效,导致安全事故。由于化工泵承载介质的差异,对双端面密封的性能指标要求有所不同,结构设计与优化是实现双端面密封性能指标的关键。承载介质为石灰浆的ZTJGB-100S型双端面化工泵,因结构设计不合理,运转时常发生动环破损、密封圈变形损伤等现象导致密封失效。本文针对该型号密封系统的结构进行优化设计以及性能分析。主要开展的工作如下:（1）针对ZTJGB-100S型双端面化工泵密封系统常见失效形式,分析密封系统中导致失效的原因。在双端面机械密封系统中,由于密封介质内外压力差较大,导致系统中靠近端盖侧的密封副动环和密封圈易发生损坏而产生失效。针对双端面密封系统中易失效部件进行结构优化,提高系统的密封性能。（2）采用有限元法对双端面密封系统中靠近端盖侧的密封副动环结构进行优化设计。分析密封副动环的坡度角对应力、形变以及使用寿命的影响规律。结果显示:密封动环的坡度角为7°时,动环最大应力与形变分别从4.79MPa和0.46179μm减小到了4.68MPa和0.45204μm,使用寿命从1.302x1012增加到2.118x1012次。坡度角的优化有利于密封动环降低内部应力,减小整体形变,并延长其使用寿命。（3）建立端盖侧密封副有限元结构模型,研究密封副接触面中动环内外径尺寸变化对接触面应力的大小和分布规律。结果表明,保持动环原有外径69mm不变,内径减少0.1mm时,可使密封副接触面增加8.5mm,外径附近应力提高,内径附近应力相对较低,应力整体数值较大。故适当减小动环接触面内径,增大接触面积,可有效提升密封效果。（4）在分析原有靠近端盖侧O型密封圈失效原因的基础上,建立O型密封圈有限元模型,对比分析不同截面直径O型密封圈对变形量、压缩量、压缩率和剪切应力等关键技术指标的影响规律。结果表明,截面直径为4.6mm的O型密封圈由于其相对于密封间隙尺寸过大,所承受挤压应力过大而出现严重变形;截面直径为3.5mm的O型密封圈因尺寸相对较小,受挤压后易形成缝隙;截面直径为3.7mm的O型密封圈具有较小的变形量、压缩率和剪切应力。故在实际的使用中应优先选用截面直径为3.7mm的O型密封圈,以提高密封效果和降低生产成本。（5）为了进一步验证双端面化工泵密封系统结构优化效果,分别利用动、静态测试台,采用单因素法对比分析优化前后系统的泄漏量。结果表明:在8kg载荷作用下,线速度25m/s,测试时间为4h,其动态泄漏量可从5m L/h减小至4m L/h。双端面化工泵密封结构优化设计能有效提升其密封效果。

关键词： 裂纹邻域   裂纹张开位移   碳纤维增强复合材料   应力分析   有效影响范围   多裂纹   分布式光纤传感技术  

摘要： 粘贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固损伤钢结构的机理有两方面,一是降低结构整体应力水平,二是CFRP对裂纹邻域的桥接效应可阻滞裂纹开裂,其中后者与裂纹张开位移(Crack opening displacement,COD)有关,荷载传递机制较为复杂,相关研究工作较少。本文首先构建裂纹邻域CFRP板应力理论分析模型,提出裂纹对CFRP板应力场的有效影响范围概念及其计算公式,随后设计CFRP板加固含裂纹钢构件试验对理论模型进行验证,确定有效影响范围参数的取值,最后基于有效影响范围设计CFRP板加固含多裂纹钢构件试验,研究有效影响范围与相邻裂纹深度、间距的关系对CFRP板应力分布的影响,主要研究内容和成果如下: (1)通过对CFRP板-胶层-钢基体界面力学行为分析,构建了裂纹邻域CFRP板应力理论分析模型,提出裂纹对CFRP板应力场分布的有效影响范围概念,结合界面剪应力公式确定有效影响范围的理论计算公式。 (2)设计CFRP板加固含单裂纹钢构件试验,结合三维有限元分析模型验证CFRP板应力理论分析模型,同时引入分布式光纤传感技术采集CFRP应力场,结果表明:光纤传感技术在宏观层面上准确反映了CFRP板应力场的连续分布,CFRP板正应力的应变片实测数据与理论、有限元值吻合良好,验证了CFRP板应力理论分析模型的正确性。 (3)通过对裂纹邻域CFRP板的正应力与界面剪应力分析,确定有效影响系数取值,并基于CFRP板加固含单裂纹钢构件的有限元模型,针对有效影响范围在不同的材料参数、裂纹深度条件下分别进行参数化研究,结果表明:裂纹深度和CFRP板的弹性模量、厚度改变对有效影响范围的作用规律相同,当这些参数变大,有效影响范围随之增加;胶层的剪切屈服强度、剪切模量提高后,有效影响范围降低,胶层厚度增加后,有效影响范围反而增大。 (4)基于有效影响范围设计了CFRP板加固含多裂纹钢构件试验,探究裂纹间距与有效影响范围之间的关系和CFRP应力场演化的联系,试验结果表明:当相邻裂纹间距大于各自有效影响范围之和时,相邻裂纹邻域的CFRP板应力场不会相互影响,反之,相邻裂纹邻域的CFRP板应力场会互相影响,此时裂纹邻域CFRP板应力分析理论模型存在一定的局限性,而有限元分析模型可以较为真实模拟这一情况。 本文研究了裂纹邻域CFRP板的应力分布、演化规律及其影响因素,研究成果可为选择合适的CFRP板加固含单(多)裂纹钢构件方案提供参考。

关键词： 表面织构   飞秒激光   高熵合金   摩擦磨损   应力  

摘要： 随着钛合金等各种难加工材料的广泛应用,对切削刀具的要求也越来越高。为了提高刀具材料的性能,涂层刀具技术是一种很有发展前景的刀具技术。同时随着仿生摩擦学的发展,研究人员发现在材料表面加工一些特定形状可以显著提高材料的耐磨性,从而发展起来了表面织构技术。而刀具研究人员,看到了这种技术的前景将涂层刀具和表面织构技术结合,设计出了表面织构涂层刀具,从而显著提升刀具的使用寿命。本文利用飞秒激光技术在课题组设计的刀具用Al Cr Mo Fe Ni1.8Nb1.5高熵合金涂层表面加工了不同形状的表面织构,进一步改善高熵合金涂层的耐磨性能,指导无润滑加工条件下,性能优异的表面织构化高熵合金涂层设计。得到以下结论:（1）采用正交试验和单因素试验,研究了激光频率、扫描速度和加工次数对凹槽织构成形性及深度的影响,确定了能够在高熵合金涂层表面加工出成形性好且具有显著深度特征凹槽织构的飞秒激光工艺参数范围:激光频率为300-800 k Hz,扫描速度≤250 mm/s,加工次数≥5。（2）直线槽表面织构化高熵合金在磨球为Si3N4时的磨损形式主要为磨粒磨损和疲劳磨损。在磨球为TC4钛合金时,磨损形式主要为黏着磨损和疲劳磨损。加工参数为:激光频率≥800 k Hz、扫描速度100 mm/s、加工次数5-9、织构间距为1 mm时,可以得到不同磨球下均有优异耐磨性的直线槽表面织构化高熵合金。（3）交叉槽表面织构化高熵合金在磨球为Si3N4和TC4钛合金时,具有与直线槽织构样品相同的磨损形式。且交叉槽相比直线槽提升了对磨屑的储存,从而使交叉槽表面织构化高熵合金在不同磨球条件下具有更优的耐磨性。加工参数为:激光频率300 k Hz、扫描速度≥200 mm/s、加工次数7、织构间距1 mm时,可以得到不同磨球下均有优异耐磨性的交叉槽表面织构化高熵合金。仿真结果表明,直线槽和交叉槽表面织构的存在能够改善摩擦过程中高熵合金表面的应力集中。性能优异的直线槽表面织构需要更深的织构深度,而性能优异的交叉槽表面织构需要更浅的织构深度,仿真结果与摩擦磨损试验结果一致。（4）凹坑形（圆形、方形、三角形）表面织构化高熵合金在磨球为Si3N4时的磨损形式主要为磨粒磨损和疲劳磨损。在高载荷摩擦条件下,圆形和三角形凹坑织构与槽类织构相比,更能有效地储存磨屑,提高高熵合金的耐磨性。凹坑形表面织构化高熵合金在磨球为TC4钛合金时的磨损形式主要为黏着磨损。所有凹坑形织构与槽类织构相比,能够显著储存TC4磨屑,从而显著降低了TC4对织构化高熵合金表面的黏着磨损程度。仿真结果表明,凹坑形表面织构改善了摩擦过程中高熵合金表面的应力集中。

关键词： 超导磁体   环氧树脂   浸渍工艺   应力分析   机械性能  

摘要： 高磁场在科学技术的进步中扮演着至关重要的角色,它不仅推动了诸多重大的科学发现,同时也催生了众多新技术的出现。超高磁场的产生和应用研究不仅为高端装备制造、需要极端条件的科学设施、生物医疗的发展、国防军事装备的制造、高精度的科学仪器等提供强大的技术支撑,同时还对农业应用的发展拥有深远的影响。但是长久以来,我国的高场超导磁体技术由于种种原因,在其中的关键技术和工艺上与国外还是有些差距,大部分高端仪器设备还依赖从国外进口,这大大限制了我国科研事业的发展。本课题研究旨在探索科研背场用无骨架超导磁体的设计与制造,并通过改进工艺、绝缘支撑结构等降低环氧树脂浸渍的超导磁体的失超风险。研究将超导磁体与机械学科相结合,研究结果可以为超导磁体机械性能分析奠定数据基础,为超导磁体在高端装备中的设计建造与应用提供实际的工程经验,为实现高场超导磁体的全面国产化,追赶甚至超越国外的研究进展,使我国在高场超导磁体领域的发展不再受制于人。主要研究内容和结果如下:(1)本论文根据目标需求,基于超导磁体的主要技术需求、机械加工性能和经济效益等的考虑,创新性得采用无骨架结构设计,并决定采用低温超导Nb Ti圆线绕制超导磁体线圈。结合超导磁体额定工作电流和均匀度等的要求,对磁体进行电磁分析设计,确定了采用3+2的螺旋管线圈构型,并用ANSYS有限元分析软件对螺线管线圈结构在额定工作电流下,电磁场的特性进行仿真分析,获得了准确的磁场分布情况,结果显示无骨架线圈的各项参数达到了设计要求。并对超导磁体线圈运行过程中所受到的电磁应力进行了数值分析和三维仿真研究,得出磁体所受电磁应力最大值为86.92MPa,远小于其允许的极值,磁体不会遭到破坏。(2)采用GM制冷机用传导冷却方式冷却超导线圈,使磁体达到正常工作温度,创新性地提出无骨架超导线圈的结构设计方案,并成功完成全流程加工制造,验证了方案的可行性。(3)搭建了基于超导磁体线圈无骨架设计的绕制和真空压力浸渍平台,优化并制定了Nb Ti超导无骨架线圈的VPI工艺流程与工艺参数,使其满足高场超导磁体线圈的制作。研究了改性后的环氧树脂绝缘体系的机械性能,并用11.2%wt Al N-IR3环氧树脂体系对无骨架超导线圈进行浸渍固化处理,得到高质量无骨架超导磁体线圈。(4)最后,通过实验研究分析了线圈浸渍后在低温和室温下的机械性能,结果表明真空压力浸渍后得到的线圈样品在77K下的剪切强度为108.09MPa,远优于超导线圈在低温下正常工作时所承受的极限应力值。经过上述研究工作,证明了所设计的无骨架超导磁体线圈结构方案可以满足实际工程的需求,并且也证明了优化后的真空压力浸渍固化工艺能够应用于实际工程中超导磁体线圈的加工制造。