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关键词： 电阻熔覆   热力学   COMSOL模拟   应力场   温度场  

摘要： 铁基非晶具有高强、高硬、高耐磨耐蚀、价格低廉等特点,其涂层广泛应用于航空、航天、船舶等领域。电阻熔覆技术能够克服热喷涂、激光熔覆等传统涂层制备工艺中的孔隙、裂纹等缺陷,有效制备高性能铁基非晶及非晶/WC复合涂层。本文主要围绕电阻熔覆技术展开研究,通过微观组织分析及热力学计算探索了制备非晶/WC复合涂层过程中析出相MoC的析出原理;通过有限元软件COMSOL模拟了粉末压制过程中粉末层应力、位移及孔洞体积分数的分布状态;通过有限元法模拟了熔覆过程中电场、温度场的分布情况,模拟结果高温区位置与实际熔覆过程吻合,并对温度分布的动态变化原因进行了分析。首先,在电阻熔覆制备的非晶/WC复合涂层微观分析中,发现涂层中析出物的数量、分布等与WC-12Co的含量及分布位置密切相关。通过热力学计算发现,当温度高于1510 K时,WC有自发分解为WC的趋势,WC、WC、MoC稳定性依次增加。涂层中MoC的析出是由于WC颗粒分解为C和WC,使得游离的C元素含量升高,C与Mo元素结合形成MoC。其次,通过有限元法对粉末压制过程进行研究,发现压片机压制粉末时,粉末层应力与孔洞体积分数整体分布均匀,仅在两端小范围内表现出差异。压制过程中,由于粉末层形变状态的改变,粉末层应力值随指定位移的增大呈现出先增加后减小再增加的变化趋势。电极轮压制粉末,粉末层中心位置应力值随指定位移变化规律与压片机压制相似,两侧区域的应力值变化在指定位移方向上相对中心位置有所滞后,滞后程度随距离的增加而增大。最后,通过有限元法对熔覆过程电场、温度场进行研究,发现电流密度高的区域为:电极轮正下方粉末层底部的某些点位、以电极轮与粉末层接触面左右两端为中心的邻近区域。温度场以电极轮正下方为中心,呈“凹”字形分布(起始阶段),逐渐转变为左边高、右边次之、中间低的分布(过渡阶段),最终趋于稳定(平衡阶段)。采用高速摄像机对熔覆过程进行拍摄,发现高温区确有明显的滞后现象,模拟结果与实际熔覆过程吻合。

关键词： 热采井   蒸汽吞吐   套损   温度场   应力场   神经网络   遗传算法  

摘要： 随着常规易开采油藏资源日益匮乏,稠油将会是未来重要的战略资源。由于稠油的粘度较大不易开采,当前主要采用加热降粘采收工艺,例如:蒸汽吞吐技术、蒸汽辅助重力卸油技术(SAGD)、蒸汽驱和火烧油层等。高温蒸汽从井口注入油藏进行加热的过程中,管柱和井筒被加热,井筒长时间服役高温环境下。在恶劣的工作环境中,套管因热胀冷缩的作用产生形变,由于井壁的束缚,套管在高温的作用下产生较大的热应力,引起套管材料性能的改变。本文应用热传递的基本理论,结合井筒内流体的能量守恒定律、动量守恒定律和质量守恒定律,建立了蒸汽吞吐工艺下的热采井的套管-水泥环-地层的物理模型,探究使用不同导热系数的隔热油管、注汽压力参数和注汽温度参数对套管温度场和应力场的影响。本文以公式迭代方法计算了井筒的总传热系数,计算得到的总传热系数误差为6%,在运用公式迭代法计算传热系数过程中,得到了套管内壁的温度。对比公式迭代计算得到的套管内壁温度和有限元模拟得到的套管内壁温度,两者的误差为10.8%。随着注入蒸汽温度的升高,套管内壁的温度升高,等效应力增大。当注汽温度从150℃升高至350℃后,套管等效应力升高约43%。注汽压力增大,套管的应力值出现了减小的情况,并且注汽压力从4 MPa增大至18 MPa后,引起的套管应力值的下降约3.7%,注汽压力变化对套管等效应力值影响较小。本文以温度场和应力场的仿真数据作为神经网络的训练集,井深、地层温度、注汽温度、注汽压力等参数作为神经网络的输入,套管的温度和等效应力作为神经网络的输出,建立神经网络模型,并结合遗传算法优化方法,对套管的温度场和应力场的二次仿真。神经网络的运行结果表明套管温度的预测值与ANSYS仿真得到的套管温度值误差在1.2%以内,等效应力的预测值与ANSYS仿真的等效应力值误差在0.3%以内。神经网络能够准确地预测热采井的温度场与应力场的情况,计算时间比ANSYS的有限元仿真时间缩短近40%。

关键词： 装配式塔筒   钢-混凝土组合结构   预应力损失   应力分析   损伤机理   塔顶位移   稳定性  

摘要： 风能是一种绿色、环保、可再生的清洁能源，其开发可以有效减少环境污染和能源匮乏等问题。近年来，随着可持续发展理念的提出，我国开始大力发展风力发电，风电在能源市场的占有率也在逐渐提升。钢-混凝土混合式塔筒具有抗振性能好、刚度大、耐久性好以及生产运输方便等优点，因此在大容量风机结构的应用中表现出明显的优越性。预应力的损失可能导致结构裂缝的出现和扩展，从而影响结构的安全性。然而针对预应力装配式混合塔筒的研究相对较少，因此有必要对预应力损失条件下塔筒的受力性能和稳定性进行研究。本文基于实际工程，采用有限元软件ABAQUS建立了预应力装配式混合塔筒的三维有限元模型，研究了预应力损失的影响下塔筒应力、损伤以及塔顶位移的变化规律，并对塔筒进行了稳定性分析，主要研究成果如下:　　（1）根据规范计算了预应力装配式混合塔筒的预应力损失值，并在此基础上进行了结构安全复核。结果表明，预应力损失会导致结构安全裕度降低，但塔筒的承载能力仍然满足规范要求。根据实际塔筒参数建立了三维有限元塔筒模型，在极限荷载工况下，对比分析了有无预应力损失对塔筒应力和损伤的影响。结果表明，预应力损失35.2％后，塔筒迎风侧混凝土塑性受拉损伤区域增加，预应力钢绞线最大应力增加了 7.19％;受压侧塑性损伤因子从0.0847增大到0.3268,预应力损失对结构承载能力有显著影响。此外，通过对正常运行极限荷载工况下塔顶位移值的计算分析，验证了有限元模拟结果的合理性。　　（2）研究了预应力损失幅度增加时预应力混凝土塔筒应力、位移以及塑性损伤的变化规律。结果表明，随着预应力损失幅度的增加，塔筒的最大主应力变化经历了消压段、增长段和塑性扩展段三个阶段。预应力损失幅度增加时，M02节塔筒接缝处首先出现塑性损伤，并且损伤区域逐渐扩展，最终水平接缝和门洞两侧都出现严重的塑性损伤，损伤因子超过0.9。预应力损失对结构的自振频率没有影响，并且一阶频率与现场实测的频率吻合，验证了模型的合理性。此外，还对比分析了局部预应力损失模型和整体损失模型结构应力、位移以及塑性损伤的扩展情况。结果显示，局部损失模型的最大主应力以及塑性扩展情况与整体损失模型的规律基本相同，但在相同的预应力损失幅度下，局部损失模型的最大主应力和损伤因子更大。此外，当预应力损失幅度从0％增加到100％时，局部损失模型的塔顶位移从0.3225m增加到0.5217m,增加了 61.7％。因此，局部预应力损失对结构的影响更大。　　(3)根据屈曲基本理论，本文建立了塔筒屈曲有限元计算模型，并进行了线性屈曲和非线性屈曲分析。研究结果表明，非线性屈曲分析得到的临界荷载小于线性屈曲分析的临界荷载，因此在屈曲分析中考虑材料非线性和几何非线性十分必要，可以更接近实际情况，确保计算的临界荷载更加准确。经过复核，塔筒的临界荷载大于极限荷载工况下的最大压力，因此塔筒不会发生屈曲。预应力的损失和门洞的存在都会降低塔筒的稳定性，导致临界荷载的减小。　　(4)针对预应力混凝土塔筒的薄弱位置，本文建立了分缝拼接模型和整浇模型，对混凝土塔筒水平接缝处不同工况下的应力以及损伤情况进行了分析。结果表明，正常运行极限荷载工况下，两种模型的受力情况相似，受拉侧均未出现拉应力，接缝处主应力大小与高度呈线性关系。极限荷载工况下，分缝模型的最大主应力会大于整浇模型，并且二者的应力集中区域并不相同。分缝塔筒的受拉侧下表面边缘产生竖向裂缝，并且随着弯矩的增加逐渐向上扩展延伸。而整体浇筑塔筒产生横向的水平裂缝，随着弯矩逐渐增大，裂缝先沿着塔筒壁水平扩展长度增加，然后逐渐沿着45°向下延伸出现斜裂缝。

关键词： 地铁   厅台分离   斜通道   接驳口   位移   应力  

摘要： 针对不同施工条件下的地铁车站,一般会采用不同的设计方案。其中,站厅浅埋、站台深埋、站厅与站台由斜通道相连的车站称为厅台分离式车站。这类车站在地铁工程中很少出现。由于这种车站的斜通道的跨度大,且斜通道的施工开挖严重影响着站厅、站台的安全稳定,因此,研究斜通道的施工稳定性和斜通道开挖的动态过程对横通道的影响,并对厅台分离式车站薄弱部位进行力学分析很有必要。本文以西安地铁15号线神舟二路站为工程背景,采用MIDAS GTS NX有限元软件建模,开展长大斜通道衬砌受力分析、斜通道开挖期间支护结构力学响应分析及车站受力薄弱部位分析,主要内容和结论如下:(1)建立了两种斜通道断面形式下的车站模型,通过分析斜通道衬砌受力随埋深的变化,得出了不同断面形式、不同特征部位、不同应力类型的变化规律,即随埋深增大应力逐渐增大或由于接驳口应力集中,随埋深增大应力反而减小;通过对比分析得出了最优衬砌厚度,为0.6m。(2)通过两种斜通道断面形式下的简化车站模型,研究了斜通道开挖期间支护结构力学的响应,分析了斜通道开挖过程中,横通道不同特征断面、不同特征部位的位移变化及开挖前、开挖完成后接驳口不同特征点的应力变化,得出开挖主要影响范围在1.5D～2D(D为斜通道断面横向宽度),开挖完成前后接驳口应力变化很大,出现应力集中;对比分析得出了最优工况,为直墙圆拱型工况。(3)结合实际工程,分析了厅台分离式车站受力薄弱部位的位移、应力特征,如站厅-斜通道接驳口、斜通道-横通道接驳口、横通道-隧道接驳口、斜通道转角处,得出接驳口位移比其他部位更大且应力集中明显;建立了加固措施模型,对比分析了加固前后,斜通道-横通道接驳口的位移、应力变化,得出加固后位移减小、强度极限值增大。

关键词： 弯头   数值模拟   蒸汽参数   腐蚀   应力  

摘要： 弯头是管道系统中流体导向的重要零件,供热管道的弯头在高速蒸汽的冲刷和化学反应的作用下会产生缺陷,缺陷的存在会影响管路运行的安全性和稳定性,降低弯头的使用寿命。因此本文采用有限元分析的方法对不同蒸汽参数下的弯头腐蚀进行研究,并对含缺陷的弯头进行应力分析。主要研究内容包括以下几个方面: 首先对腐蚀机理和腐蚀应力进行了叙述,并根据研究机理选用Fluent软件中VOF和DPM模型进行蒸汽冷凝和冲刷腐蚀模拟,选用Static Structural软件对含缺陷的弯头进行应力研究。 其次根据参考文献和工程实例中案例,确定管道中的相关参数,利用SCDM构建蒸汽管网模型,然后对架空蒸汽管网进行腐蚀模拟。采用VOF的方法模拟不同蒸汽参数下蒸汽冷凝过程,模拟结果表明当蒸汽温度和压强一定时,在蒸汽与管壁的换热时间和压降共同作用下,流速25m/s时凝结水量最大,30m/s时凝结水量最小;随着蒸汽温度的增加,蒸汽分子的热运动和液滴的自由表面积受到影响,温度170℃时冷凝量最大,200℃时冷凝量最小;随着蒸汽压强的增大,蒸汽分子间距和液滴表面积影响了凝结水量的变化,在0.7Mpa时凝结水量最大,0.6Mpa时凝结水量最小。 然后将VOF模型模拟所得的蒸汽凝结水量输入到DPM模型中,模拟不同蒸汽参数下蒸汽夹杂着液滴形成的两相流冲刷腐蚀过程。模拟发现当温度在200℃、压强为0.6Mpa、流速在30m/s时,冷凝水量最小,腐蚀程度最小。 最后通过Static Structural软件对不同参数(流速、压强、温度)下的缺陷弯头进行应力分析,分析表明:流速对应力的影响取决于腐蚀深度的影响,腐蚀深度增加,应力增长;而应力随着温度、压强的增加而增加,温度和压强对应力的影响远大于腐蚀深度的影响,但腐蚀深度的减少,能减缓应力增长的趋势;弯头顶部和底部所受应力远大于腐蚀最严重的弯头内壁外侧部位;弯头内壁外侧所受应力随着腐蚀深度的增加而增加,在许用应力范围内,不会导致管道开裂,但弯头顶部的腐蚀深度接近管壁的六分之一时,弯头所受应力接近许用应力,存在风险。

关键词： 机械设计   制动   热-机械耦合   温度场   应力   应变  

摘要： 对Abaqus软件进行二次开发，采用旋转载荷法设置热流密度、法向载荷、切向载荷以及轮轨间的接触传热作用，在车轮表面设置对流换热和热辐射作用，基于热-机械耦合仿真得到了不同制动规程条件下踏面温度、应力和应变的动态变化及其分布特性，在此基础上回归得到了车轮踏面最高温度及制动结束温度与制动工况参数之间定量关系，并给出了制动过程踏面温度最高点温度变化曲线模型以及热应力预测模型。结果表明：轴重、制动初速度和减速度每增加5 t、20 km/h和0.1 m/s2，踏面的最高温度分别增加约90℃、120℃和26℃；25 t、100 km/h、0.7 m/s2制动工况下，径向应力辐达625 MPa，切向应力最大值为-713 MPa，最大径向、切向塑性应变分别为-5.47‰和-3.37‰，最大热应变为5.178‰，热应力范围为433 MPa。

关键词： 非傅里叶导热   数值法   温度场   应力场  

摘要： 导热是自然界普遍存在的现象,自傅里叶总结了导热的规律后,傅里叶导热定律成了解决一切导热问题的基础。近年来随着短脉冲激光加热、金属快速凝固等一系列高新技术的发展,以及在医学上人体器官的超冷冻和解冻技术的出现,非傅里叶效应所带来的影响日益凸显出来。很多人在考虑非傅里叶效应时只考虑到了控制方程中的松弛时间,并没有考虑到边界条件方程中的松弛时间,在此,本文选取了最简单的一维圆柱坐标系下的导热模型,对边界条件存在非傅里叶效应时的温度的变化做了一个研究,并对圆柱坐标下边界条件与控制方程中存在非傅里叶导热时的应力变化做了简要分析。自从非傅里叶导热微分方程提出以后,人们便发明了很多的数学模型去描述这一过程。很多人对该方程在不同条件下的解进行了大量的计算,发展了很多种数学的方法去预测不同几何形状以及不同边界条件下的非傅里叶温度场。目前来说,大多数人只多非傅里叶导热的温度场做了分析,但是基于非傅里叶导热温度场改变所产生的应力场的研究却很少。为了满足工程应用的需求,涂层结构的应用得到了一个良好的发展,对于双层材料的非傅里叶效应,本文也做了一个研究,对于其温度变化情况以及热应力的变化情况也做了理论分析。本课题主要研究的内容是非傅里叶导热条件下的温度场和应力场,具体有以下三个方面的内容:1.根据傅里叶导热定律推导了非傅里叶导热偏微分方程,建立了圆柱与双层圆柱的非傅里叶导热模型,并用拉普拉斯逆变换的数值解法对所得结果进行了分析,并对比了傅里叶导热的结果,得到了两者的不同。2.根据得到的非傅里叶导热的温度结果,得到了热应力的表达式,研究了圆柱的径向应力以及周向应力的变化,并分别对比了傅里叶导热条件下的热应力。3.相比于仅考虑控制方程中的非傅里叶效应,本文也考虑了边界条件中的非傅里叶效应,当松弛时间改变时,研究了温度的最大值与松弛时间的关系以及热应力与松弛时间的关系。

关键词： 制动盘   温度场   应力场   偏磨机理   寿命预测  

摘要： 制动盘是高速列车重要的基础制动装置之一,其在服役过程中的安全可靠性直接影响到列车的运行安全。列车在制动过程中,制动盘受摩擦力与热应力的反复循环作用,经过长时间的服役,制动盘会产生疲劳导致制动效率下降甚至失效。磨损也是制动盘的失效原因之一,严重的磨损同样会大幅降低制动盘的制动效率,因此研究制动盘在制动过程中温度、热应力的分布规律以及制动盘磨损机理,并对制动盘的使用寿命进行预测,对高速列车行车安全有十分重要的意义。本文以24Cr Ni Mo铸钢材料制动盘为研究对象,针对制动盘在制动过程中的温度场、应力场、磨损行为以及使用寿命进行了以下几个方面的研究:(1)基于Catia三维建模平台建立简化制动盘模型以及全尺寸制动盘模型,结合热-机耦合分析理论,利用ABAQUS有限元分析软件,对两种制动盘模型在多种不同工况下的温度及应力分布规律进行模拟,并将两种模型的模拟结果与相关试验结果对比,对比结果显示全尺寸制动盘模型模拟结果与实际结果偏差较小。为了避免结果偶然性,补充一组全尺寸制动盘模型模拟并与试验结果对比,结果仍然符合实际。在数值模拟过程中,制动盘模型的结构对模拟结果有较大影响,简化模型没有散热结构,出现局部温度过高的现象,全尺寸模型制动盘散热性能较好,盘体的温度及应力处于正常水平。(2)采用全尺寸制动盘模型,模拟24Cr Ni Mo铸钢材料制动盘在380 km/h制动初速度紧急制动工况下,制动盘表面的温度及应力分布规律。制动过程持续94 s,制动盘表面温度呈环状分布,最高温度环靠近制动盘外侧,最高温度为830℃。制动盘应力分布规律与温度分布规律基本一致,盘面最大等效应力为855 MPa。(3)基于制动盘温度场、应力场以及盘面法向热膨胀场,结合制动盘表面实际磨损形状,分析了制动盘的偏磨机理。制动盘在制动过程中会出现不均匀的温度分布,制动盘表面沿径向的温度梯度较大,盘面两侧温度高,中部区域温度低。盘面热膨胀受温度场影响,两侧膨胀较大,中部区域膨胀较小,膨胀大的部分与闸片接触更紧实,磨损严重,经过多次制动循环,制动盘表面呈两侧凹陷,中部略微凸起的“W”状。利用Manson-Coffin公式以及四点相关法总结出的经验公式,结合380 km/h制动初速度紧急制动工况下的模拟结果以及24Cr Ni Mo的材料热力学性能,预测制动盘在380km/h制动初速度紧急制动工况下的使用寿命,结果显示,制动盘的失效循环次数为1527次。

关键词： 偏磨   抽油杆   油管   应力分析  

摘要： 介绍了油井开采过程中，区块综合含水率不断上升，油井偏磨日趋严重的情况。抽油杆断脱是影响油井免修期的主要因素，因此需要深入了解井下抽油杆柱的受力情况，研究出减少杆柱断脱的治理对策，以延长油井免修期。本文主要对抽油机井井下杆管的受力分析进行了研究，并从油井含水率和出沙等方面入手，制定符合实际情况的防偏磨治理措施。

关键词： 应力场   TIM模型   体元栅格模型   地下空间环境模型  

摘要： 近年来,采矿业的不断发展为我国的经济发展做出了突出的贡献,也对自然环境造成了一定程度的破坏。在金属矿山地下采矿时,开采矿体的上覆岩层将产生移动、变形与破坏,当采空区面积达到一定范围后,移动与变形将波及到地表,使地表产生沉陷,进而会发生矿难的情况。同时,地下采空区周围岩体的原始应力平衡状态受到破坏,使得采区应力重新分布,达到新的平衡。因此,对采区范围内的地质体的空间几何形态和应力场的空间分布状态进行研究,进而对应力的空间变化趋势进行分析,描述应力在金属矿山地下开采空间中的变化趋势,对预防地表沉陷和矿难的发生提供科学依据。 传统表达应力场模型的方法有文本、数字和编程的方式对模型进行表达,或采用有限元模拟场模型的变化,然而这些方法不能对金属矿山地下开采空间的应力场分布状态以及应力场与地质体之间的相对空间位置关系进行详细地可视化表达,GIS三维模型中的TIM模型和体元栅格模型能够弥补这种不足。基于地质体对象模型和三维应力场模型表达相对空间位置关系,采用实体模型法来构建矿体、巷道、断层等地质体对象模型,TIM和体元栅格来构建三维应力场模型,应力场模型与地质体对象模型在金属矿山地下开采空间中的空间位置对应关系清晰地在GIS平台中表达出来,分析应力场在金属矿山地下开采空间中的分布状态。 采用GIS三维可视化建模技术,以河北省某金属矿山为研究区,矿山地质勘探资料和矿山生产过程中产生的应力数据为基础,对通过传统方法计算得到的应力特征值进行离散化,将离散点进行克里金插值,采用TIM模型和体元栅格模型构建金属矿山地下开采应力场模型的整体和细部的空间分布变化特征。同时,为了表达应力场模型在金属矿山地下开采环境中的相对空间位置关系,基于GIS平台采用Surpac软件构建矿体、巷道、断层等地质体模型。应力场模型和地质体对象模型同时在三维空间中展示,构成金属矿山地下空间环境模型的主体部分。利用Super Map软件的剖切显示功能,显示出应力场内部分布特征和与地质体之间的相对空间位置关系,同时与某数据处理软件的剖切结果进行对比分析,结果表明构建三维应力场模型方法具有创新性。图60幅;表6个;参66篇。