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关键词： 膝关节半月板   有限元分析   应力场   运动模式   护膝  

摘要： 半月板是膝关节中重要的承载组织,具有维持膝关节稳定和缓冲震荡等作用,但因其组织和形态特点,损伤后不能自行修复再生,进而引起膝骨关节产生病变。研究半月板的力学特征,为预防和治疗膝关节疾病、膝关节假体优化设计等提供理论支撑。本文围绕健康人体膝关节半月板在行走和跳跃两种运动模式中的应力场展开数值研究,分析半月板的应力场分布特征、峰值应力及其分布规律等,讨论半月板损伤及其护膝防护的功效和力学依据。 首先,文中构建了较真实详细的膝关节组织几何模型和计算数值模型。结合CT与MRI断层扫描图像数据,构建出包括骨、关节软骨、韧带、半月板和膝关节外围软组织的较详细人体膝关节几何模型,更加真实地模拟膝关节的组织结构;基于Life MOD模拟行走和跳跃两种运动的全周期步态载荷数据,包括垂直压载、内外旋矩和屈膝角度,并利用ABAQUS建立膝关节半月板在行走和跳跃典型步态中的数值模型。 其次,围绕行走和跳跃两种运动模式中全周期的膝关节半月板应力场展开研究,分析内、外侧半月板的应力场分布规律,峰值应力及其分布位置等。同时,通过增加膝关节外围软组织结构来建立更加真实详细的膝关节组织几何模型,并进行行走和跳跃运动中典型步态的模拟,获得更加真实的半月板应力场。在行走运动完整周期中,内侧半月板上出现最大应力;在步态2中出现峰值应力,位于内侧半月板前角;且随着屈膝角度的增加,峰值应力位置由半月板前角向中部转移。在跳跃运动周期中,内侧半月板上出现最大应力;在蓄力起跳和落地瞬时两个步态中产生峰值应力,均位于内侧半月板前角。 最后,文中建立普通、运动、热力普通和热力运动四种不同功能护膝,分析不同护膝条件下膝关节半月板的应力场,对比跳跃运动中蓄力起跳和落地瞬时两个典型步态下内侧半月板的峰值应力和分布区域,探究半月板的损伤及其护膝防护的功效和力学依据。在护膝条件下半月板应力分布均有所改善,峰值应力减小,且其分布由前角转向中部;且热力运动护膝对于膝关节半月板的损伤防护作用显著。

关键词： 钙钛矿量子点   核壳结构   杂化配体聚合   应力   载流子迁移率   电致发光器件  

摘要： 近年来,全无机钙钛矿CsPbX3（X=Cl,Br,I）量子点具有优异的光电性能,但是现有的配体钝化、氧化硅包裹等量子点改性方法无法有效解决电致发光器件（QLED）的载流子注入瓶颈。以及氧化锌（ZnO）纳米材料作为电致发光器件中的高性能电子传输材料,氧化锌具有较高的电子亲和能和表面极性,氧化锌与钙钛矿量子点直接接触一般会形成II型异质结,导致发光层荧光猝灭,目前基于ZnO作为电子传输层的绿光和蓝光电致发光器件性能比较低。 本文主要研究了杂化配体聚合应力驱动合成核壳结构钙钛矿量子点,以氨基硅氧烷功能化氧化锌纳米晶为中间体,利用氨基在钙钛矿表面较强的吸附作用,通过低温水解法制备核壳结构CsPbX3@ZnO量子点。重点研究了核壳结构CsPbBr3@ZnO量子点的制备与表征,量子点的载流子迁移率提高到10-3 cm-1 V-1s-1,并将这种高迁移率的CsPbBr3@ZnO量子点应用于电致发器件的发光层中,器件性能提升。论文的主要内容如下: （1）基于硅氧烷网络在应力驱动作用下发生表面烯基化反应,产生杂化配体聚合,通过低温水解法制备了核壳结构CsPbX3@ZnO量子点。利用APTMS表面改性氧化锌,制备了氨基功能化的氧化锌,并通过X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）对ZnO纳米晶进行晶体结构和表面化学分析,表明ZnO表面被氨基功能化。进一步利用氨基在钙钛矿表面较强的吸附作用,通过氨基硅氧烷功能化ZnO纳米晶水溶液水解Cs4Pb Br6量子点,制备核壳结构的CsPbBr3@ZnO量子点。通过场发射透射电子显微镜（HRTEM）与X射线光电子能谱仪（XPS）对量子点进行表征,证明了ZnO壳层的存在。1641cm-1和908cm-1的FTIR振动,表明量子点表面产生杂化配体聚合,应力驱动ZnO包裹在量子点表面。并通过这种方法制备了CsPbX3@ZnO量子点。 （2）基于单电子器件和单空穴器件结构,通过空间电荷限制电流（SCLC）方法评估量子点薄膜的载流子迁移率和缺陷态密度。实验结果表明,电流密度提高了2～3个数量级,并且缺陷态密度显著降低,验证了CsPbBr3@ZnO量子点薄膜具有良好的载流子迁移率。采用溶液法制备电致发光器件,以核壳结构CsPbBr3@ZnO量子点作为QLED的发光层,基于ITO/PEDOT:PSS/PTAA/CsPbBr3@ZnO/ZnO/Ag的器件结构,研究发光层对电致发光器件的的影响。实验结果表明,采用核壳结构的量子点制备的电致发光器件的外部量子效率（EQE）相对于CsPbBr3由0.12%提高到1.4%。

关键词： NiCoCrAlY/AlSiY涂层   高温循环氧化   裂纹   应力   寿命预测  

摘要： 针对航空发动机涡轮叶片高温氧化损伤问题,本课题以电弧离子镀技术在TC4钛合金基体上制备的Ni Co Cr Al Y/Al Si Y涂层为研究对象,对比研究在不同高温热循环次数下涂层的热残余应力、热残余变形和裂纹损伤机理,并进行寿命预测,以综合评价电弧离子镀制备的Ni Co Cr Al Y/Al Si Y涂层高温热疲劳损伤机理和对TC4钛合金叶片使用寿命的影响。课题采用试验和有限元仿真相结合的方式开展研究。本文根据功能梯度抗腐蚀防护涂层设计理念,使用电弧离子镀技术在TC4钛合金基体上制备了Ni Co Cr Al Y/Al Si Y高温防护涂层。通过扫描电镜发现,Ni Co Cr Al Y/Al Si Y涂层在高温循环热载荷作用下会产生轴向微裂纹,且随着热循环次数的增加,裂纹会持续沿轴向扩展;有限元模拟结果发现,在循环热载荷作用下,随着循环次数增加,Al Si Y涂层表面径向残余热应力由1.29MPa增加到5.18MPa,应力梯度增加到5.29MPa,轴向残余热应力与剪切残余热应力几乎为0;Ni Co Cr Al Y/Al Si Y界面径向残余热应力的值由3.35MPa增加到13.43MPa,应力梯度增加到16.15MPa;剪切残余热应力由8.64MPa增加到34.64MPa,应力梯度增加到45.43MPa;表面裂纹沿轴向扩展主要发生在升温阶段,当裂纹在Al Si Y层扩展时,由径向热应力S11主导,裂纹在Ni Co Cr Al Y层扩展时,由各向共同主导;Ni Co Cr Al Y/Al Si Y界面裂纹的萌生与扩展主要发生在降温时刻,且主要由径向热应力S11主导;热疲劳寿命预测结果表明,未喷涂涂层时试件的最小寿命为118次,喷涂了涂层之后的最小寿命为260次。课题研究获得以下结论:Ni Co Cr Al Y/Al Si Y涂层在高温热循环载荷作用下,表面存在的较大的径向残余热应力会导致表面裂纹的萌生,并在涂层内部径向热应力的作用下沿轴向扩展,应力方向与裂纹扩展方向垂直,判断为I型裂纹,当裂纹在Ni Co Cr Al Y层扩展时,其类型为复合型裂纹;界面较大的径向残余热应力与剪切残余热应力会促使界面径向裂纹的萌生,且在涂层内部径向热应力的作用下沿径向扩展,裂纹扩展方向与应力方向平行,判断为II型裂纹;对比有涂层及无涂层时试件的寿命可知,有涂层时试件其试件寿命提高了1.2倍,表明这种涂层可以有效延长TC4钛合金的使用寿命。本文的研究为涂层设计、制备和应用,延长热端部件使用寿命、提高发动机功率和减少燃油消耗提供较全面的理论支撑。

关键词： 开卷机   卷筒   棱锥套   扇形板   强度   应力  

摘要： 本文主要讲述棱锥套式开卷机卷筒的设计过程，根据钢厂卷取钢种及钢卷大小，确定卷筒结构，通过计算卷取最大张力、选取斜面角度、计算卷筒径向压力、计算扇形板等效压力、计算油缸压力等过程，确定卷筒各参数及各部受力情况。还涉及基于CREO三维建模，基于ANSYS Workbench的有限元分析及重要零件强度校核。

关键词： 工程力学   螺纹结构   有限元建模   扭转载荷   IWAN模型  

摘要： 建立了螺旋形螺纹三维有限元模型，通过螺纹表面应力分布等数值计算验证模型方案的有效性，并对扭转载荷下螺纹结构的力学特性开展数值研究。结果表明：螺纹结构在加、卸载阶段均经历了黏着、部分滑移和宏观滑移3种状态；在拧紧过程的宏观滑移阶段由于轴向力增大，扭矩呈上升趋势，在拧松过程中由于轴向力减小，扭矩呈下降趋势。在螺纹结构有限元计算结果的基础上，针对扭转载荷作用下带升角的三维螺纹结构，通过增添宏观滑移时的残余刚度和扭矩整体修正量，建立了修正的IWAN模型。计算结果表明：修正的IWAN模型能较准确地重现有限元模拟结果中扭矩与转角的关系，且3个Jenkins单元模型组成的修正IWAN模型即可足够精确地还原有限元模拟得到的耗散能。

关键词： 刮板输送机   应力分析   屈曲   优化设计  

摘要： 本文以井下刮板输送机结构为研究对象并对结构及局部关键部位进行应力分析，通过上述分析制定出结构尺寸方案与各处载荷均布性优化方案，实现了刮板输送机结构的轻量化。利用对局部子结构建立的有限元模型进行结构设计，确定不同的优化变量并设计优化方案。此外，以非线性屈曲分析为研究方法分析刮板输送机结构的稳定性，通过有限元分析得出整体结构的临界屈曲载荷，为实际工程提供参考依据。

关键词： 连续刚构桥   配束设计   合理成桥状态   挠度控制   应力分析  

摘要： 大跨度连续刚构桥数量越来越多,但是随着时间推移,大跨度连续刚构桥所面临的问题也逐渐浮出水面。大多数国内外的大跨度连续刚构桥在使用过程中都存在主梁梁身有裂缝,以及结构刚度发生下滑的问题,从而出现结构跨中挠度随时间增加而增加的趋势。为达到控制连续刚构桥跨中长期挠度下的合理成桥状态,本文依托某高速某座连续刚构桥,以该桥的预应力配束设计为研究对象,做出研究如下:(1)通过查阅已有的文献和资料,系统总结和分析了预应力混凝土连续刚构桥的发展历程和未来趋势,并叙述了当前连续刚构桥的典型病害,以及阐述了国内外在预应力配筋设计方面针对这些病害的研究现状。(2)采用Midas/Civil对一座不等跨连续刚构桥建立计算模型,分别对施工阶段下刚构桥合龙前的最大悬臂状态和成桥状态下的受力和变形进行了分析,得出了一种方法来降低预应力混凝土连续刚构桥的长期挠度,即提高弯矩比。此外,经研究发现,在平衡弯矩贡献中,腹板束的作用不如顶板束重要,对主梁的抗弯性能影响较小。(3)阐述“恒载零弯矩”在顶板束配置过程中的运用,通过简单案例分析基于“恒载零弯矩”的配束方法在内力及挠度方面的影响。为了保证跨中位置处有良好的位移状态,需要通过底板束来平衡更多的外界荷载。同时基于荷载平衡理论,确定了底板初配束的设计原则和计算公式。依据预应力混凝土规范对于应力限值的要求,确定预应力可行域。(4)采用本文提出的配束设计方法对预应力混凝土连续刚构桥进行纵向预应力配束设计,运用该配束方法并基于Python进行配束程序设计,最终校核初步配束结果。利用Midas/Civil从内力、挠度及应力方面与原设计进行对比分析,验证了配束结果基本符合合理状态的特征。(5)通过Midas/FEA对零号块建立实体模型,得到了施工阶段最大悬臂、成桥状态和运营阶段最大负弯矩以及最大剪力四种工况下零号块的应力分布情况,结果表明在四种工况下零号块整体处于受压状态,应力状态合理。进一步验证了配束结果的合理性。

关键词： 氧化石墨烯   导热系数   孔隙结构   水化产物微观形貌   温度场   应力场  

摘要： 水利工程中最常涉及大体积混凝土,其水化热常造成内外温差大,引起热应力。高温应力是混凝土建筑开裂的主要原因之一。氧化石墨烯(GO)是一种性能优异的二维纳米材料。具有亲水性高、比表面积大、机械性能优良、导热性高等优良性能,近年来在改性水泥中得到应用,基于GO改性的水泥复合材料的研究受到广泛关注。目前的研究主要集中在力学性能、水化性能和微观结构方面,GO/水泥基复合材料表现出优异的力学性能,显示出巨大的应用前景。随着研究的深入,发现GO提升了水泥水化热和力学参数,为了更好地发挥GO对水泥材料的改良效果,避免其因温度应力带来的危害,有必要研究GO/水泥的复合材料的热性能。本文探究了 GO/水泥材料导热系数和微观性能,并用试验测量参数对某重力坝的温度场应力场进行仿真计算,为GO在工程中的应用提供一定的参考。研究的主要内容如下:(1)通过核磁试验、扫描电镜和热重仪观测水泥砂浆孔隙率和微观形貌。试验结果表明,GO促进了水化晶体的产生,提高水泥砂浆致密度,降低了水泥砂浆孔隙率和大孔隙占孔隙总数的比例。此外,水泥砂浆致密度提升和大孔隙含量减小增强了水泥砂浆的导热系数。(2)通过对导热试验结果分析发现,氧化石墨烯的掺入可以增强水泥材料的导热性能。随着GO掺量的增加,水泥浆的导热系数先升高后降低,0.02%的GO掺量对水泥材料导热系数提升最佳,低龄期时提升效果优于高龄期。因此GO可以用于优化水泥材料的导热性能。(3)对某混凝土重力坝的温度场和应力场进行了模拟,根据其温度场和应力场分布规律,得到不同GO掺量下的坝体各分区最高温度和最大应力。模拟结果分析表明,0.02%GO掺量时坝体最高温度有所降低,0.02%和0.05%掺量下最大应力均有所提高,GO掺量为0.02%时,混凝土内外温差减小,其导热系数提升可以使得水化热产生温度可以更快地释放。经过比较分析,当掺量达到0.02%,其温度场应力场可以满足温度和应力控制标准,且应力富余较大,所以认为该重力坝选用0.02%掺量较为合适。

关键词： 激光选区熔化   TC21   温度场   应力场   熔池流动  

摘要： TC21合金作为一种高强度、高模量和高损伤容限的新型钛合金,被广泛应用于航空航天、船舶、汽车、兵器以及日常生活等领域。激光选区熔化技术(Selective Laser Meltin g,SLM)作为金属增材制造领域的重要组成部分,在生产TC21合金方面具有广阔的应用前景。因此探究TC21合金在成形过程中的工艺参数尤为重要。本论文通过ANSYS软件,采用数值模拟的方法研究了不同工艺参数对TC21合金成形过程中温度场、应力场、流场、熔池的形貌和缺陷形成的影响规律,进而获得高性能TC21合金的成形技术。具体研究内容如下:基于有限元分析方法对SLM生产TC21合金过程中的温度场进行了模拟计算,分别研究了激光功率和扫描速度对TC21合金成形过程中温度场的影响规律;激光功率增加时,熔池的温度、尺寸以及最大冷却速率和最大升温速率均增大;扫描速度增加时,熔池的温度、尺寸均减小,但最大冷却速率和最大升温速率仍增大;在得到TC21合金成形过程中温度场变化规律的基础上,利用间接热-力耦合方法对SLM生产TC21合金过程中的应力场进行了模拟计算,分别研究了激光功率和扫描速度对应力场的影响规律;激光功率增加时,Von Mises等效应力以及冷却后扫描道上的残余应力最大值都逐渐增大;当扫描速度增加时,Von Mises等效应力以及冷却后扫描道上的残余应力都逐渐减小;基于离散元法与有限体积法,模拟了TC21合金激光选区熔化过程中熔池的演变规律;研究了激光功率和扫描速度对熔池流场的影响规律以及工艺参数对熔池缺陷的影响规律;激光功率增加时熔池内最大流速也随之增大;扫描速度较小时,随着扫描速度的增加时,熔池内最大流速也随之减少;但当扫描速度增大到一定程度后,反冲压力会使熔池产生凹陷从而产生一个强大的反向表面流,熔池内的流速反而增加。当激光功率为170W、扫描速度为400mm/s,熔池的上表面粗糙度与侧表面粗糙度最小,且模拟结果无明显的熔池缺陷现象。论文有图57幅,表11个,参考文献102篇。

关键词： 选区激光熔融   多尺度模拟   熔池   温度场   应力场  

摘要： 在选区激光熔融(SLM)中,金属粉末从微米级的尺寸快速熔化凝固为厘米级的成形件的过程是多尺度的。目前,从实验的角度不能全面地反应SLM复杂的成形过程,并且实验伴随着成本高、效率低的问题。因此,本文针对SLM成形过程建立了多尺度数值模拟模型,分别从介观和宏观两个尺度分析了SLM的成形过程,并且设计实验对熔道形貌以及成形件质量进行了分析。本文的主要研究内容概括如下: (1)在介观模拟中,考虑了粉末的大小和粉末间的相互接触,建立了离散的粉床模型。基于质量守恒、动量守恒、能量守恒建立了SLM流固耦合模型,分析了扫描过程中的温度场、熔池演化和熔道形貌。计算模型中的材料采用316L不锈钢并且考虑了材料随温度的非线性变化。结果显示熔池经历了复杂的演化过程,并且揭示了不同工艺参数下熔池的冷却速率和温度梯度的变化趋势以及熔道形貌和熔池尺寸随工艺参数的变化趋势。 (2)在宏观模拟中,通过有限元的方法建立了SLM成形过程热-结构耦合模型,在模型中考虑了材料的非线性变化以及热对流、热辐射。基于316L不锈钢材料将离散的粉床等效成了连续的粉床,并且通过生死单元的方法实现了SLM层层叠加的效果。结果揭示了SLM成形过程中单层多道、多层多道以及多热源扫描的温度历史、应力演化以及应力分布规律,为进一步降低SLM成形件残余应力和提高扫描效率提供参考。 (3)通过实验与模拟结果结合分析了不同工艺参数对熔道形貌、成形件表面形貌以及成形件致密度的影响,结果表明过大或过小的能量密度都会导致成形件的质量变差。因此,需要设计合适的能量密度以获得质量较高的成形件。