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关键词： 石墨烯气凝胶   聚二甲基硅氧烷   热管理   应力   微观结构  

摘要： 近年来,随着智能设备的高速发展,可穿戴设备受到广泛关注。由于设备使用环境的复杂性,对可穿戴材料的导电性和可拉伸性提出了严格的要求。同时,由于其使用环境的特殊性——往往贴近皮肤,也对其散热问题提出了更高的要求。高聚物往往具有出色的柔韧性、易加工性、经济成本低等特点。石墨烯具有超高的本征热导率(3000–5000 W m-1 K-1),被认为是一种可塑性极强同时具有一定的机械性能的热管理材料。但其用于高聚物的填料时,往往面临片层聚集、高填料比、分散不均匀、机械性能差所带来的低导热和柔性差等问题。 鉴于此,本文利用预制三维石墨烯结构——石墨烯气凝胶（GA）来构建导热、导电通路,随后复合柔性热固性材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）,制备了石墨烯气凝胶-PDMS（PDMS/GA）柔性薄膜。研究了PDMS/GA薄膜的微观结构、环境温度、应力对其导热和导电性能的影响及其内在机制。论文研究主要包括以下两个方面。 1、石墨烯气凝胶-PDMS柔性薄膜的微观结构调控 本章节中首先是针对石墨烯气凝胶的结构缺陷多,阻碍了声子和电子传输的问题,探究了200℃到800℃的高温热退火处理GA对于PDMS/GA薄膜的导电性能和导热性能的调控作用;其次,考虑到石墨烯气凝胶中的界面连接较弱造成强烈声子散射的问题,通过引入碳纳米管,形成碳纳米管-石墨烯混合网络结构提升其导热性能。随后,通过改变PDMS的前驱体配比,调控了PDMS聚合物的结构,从而研究了PDMS复合结构的变化对PDMS/GA薄膜的导热性能的影响。结果显示,GA微观结构的变化对石墨烯气凝胶-PDMS柔性薄膜的导电和导热性能具有相似的影响。最后,展示了最优化的薄膜的散热性能。 2、温度和应力对薄膜导热导电性能的影响 基于其电阻对温度和应力敏感的特性,石墨烯气凝胶-PDMS柔性薄膜在温度传感和应力传感领域具有广泛的应用前景。当环境温度和应力变化时,其导热性能也会随之发生变化,进而影响柔性器件的散热。因此,本工作进一步研究了环境温度变化时（300 K到10 K）,石墨烯气凝胶-PDMS柔性薄膜的导热和导电性能的演变,讨论了在低温下的声子热输运行为的变化。随后,设计原位实验分别测试了在弯曲应力和拉伸应力的作用下,石墨烯气凝胶-PDMS柔性薄膜的热扩散系数和电导率演变,并进一步讨论了其热扩散系数和电导率演变的相关性。最后,展示了石墨烯气凝胶-PDMS柔性薄膜在多次应力循环的过程中的电阻和热扩散系数的稳定性。本文的实验结果对基于聚合物-三维碳纳米填料的柔性导电材料的热管理性能调控具有参考价值。

关键词： 压力容器   开孔补强   数值模拟   应力分析   最小二乘法非线性回归  

摘要： 具有长圆形视镜孔的圆筒形容器在生物、化工、医药、实验等领域应用十分广泛,由于长圆形开孔造成的应力集中比圆形开孔更为严重,因此长圆形孔的应力分析、补强设计及视镜结构优化等问题对于保障设备的安全尤为重要。本文针对圆筒形容器长圆形开孔,以有关长圆形孔的基本参数,筒体直径D,短轴与筒体直径之比b/D,长圆孔的长短轴之比a/b,凸缘宽度B以及凸缘高度H为主要研究对象,采用三维线弹性有限元数值分析手段,较全面的研究了开孔以及开孔周边的应力分布规律,并且采用电阻应变测量的方法验证了有限元数值模拟的准确性;根据GB150-2011、JB4732-1995的相关要求,分析对比现有圆筒形容器长圆形开孔结构补强方法的差异,并且根据补强富裕量指数确定应力分类法为最合适的补强方法;采用理论分析与数值模拟方法相结合,确定长视镜孔及凸缘补强结构尺寸对开孔造成应力集中情况的影响,并且对影响应力分布的因素进行了显著性分析,结果表明,应力集中系数K随着a/b和b/D的增加而增加,随着B和H的增加而降低,其中a/b对K的影响程度最为显著,b/D和H对K的影响程度相当,但明显低于a/b,B和D对K的影响程度最低;采用数值模拟和理论分析的方法,对凸缘补强结构的有效补强宽度、高度范围进行受力分析,获得有效补强宽度、高度范围计算公式;运用数值模拟与公式拟合相结合的方法采用MATLAB软件,得到长视镜孔最大应力集中计算经验公式,并采用多组数据进行验证。本文以有限元分析为基础,采用理论分析、数值模拟的方法得到圆筒形容器长圆形视镜孔凸缘补强有效补强范围公式以及最大应力集中系数计算经验公式,对于提高圆筒形容器长圆形开孔补强结构的设计效率具有一定的意义。

关键词： 以赛促教模式   工程力学   课程教学   应用  

摘要： 文章基于以赛促教模式在《工程力学》课程教学中的应用优势，着重分析以赛促教模式在《工程力学》课程教学中的具体应用。通过对教学模式的创新增强学生对工程力学的兴趣，更好地培养学生的哲学思维能力和实践动手技能，和课程教学目标完全达成一致，同时也为“以赛促教”教学改革的顺利推进提供参考。

关键词： 铆接工艺   ABAQUS   理论分析   应力   应变   疲劳  

摘要： 本文为了研究铆接工艺过程中铆接件的塑性变形情况,通过研究铆接变形过程找到最佳工艺参数,使铆接件的力学性能更好,增加铆接件的疲劳寿命。通过运用理论分析与有限元仿真相结合的方法,分析铆钉以及连接板在铆接工艺过程中的应力应变的变化情况。对铆接件的疲劳仿真进行分析,可得到该铆接件的寿命曲线图以及寿命公式。 首先通过理论分析,研究在铆接工艺过程中影响铆接件成型的参数,本文通过对铆钉、凹模、铆钉镦头的参数进行分析。通过运用全量以及增量理论分析铆接过程中铆接件的塑性变形情况,通过对铆钉镦头的受力进行分析,推导出压铆力的计算公式,为后续的铆接仿真奠定了理论基础。 通过研究铆接工艺过程中铆接件的塑性变形,建立数学模型,将铆接工艺过程划分为五个阶段,研究每个阶段铆接件的变形情况。基于ABAQUS有限元仿真软件,采用了理论分析和有限元分析相结合的方法。将铆接过程化分为4个阶段,分析铆接工艺过程中铆钉和上下连接板的应力应变的变化情况以及力与时间关系曲线图,通过对铆接参数中孔径大小对铆接件成型的影响进行分析,发现当孔径大小超过4.2mm时,不能将铆接件有效地进行连接。对铆接件进行拉伸有限元仿真时,分析铆接件受到破坏时铆接件的应力应变变化情况以及力与时间关系曲线图。通过推导的压铆力计算公式,对压铆力进行计算,与有限元仿真所得到力与时间关系曲线图地结果进行对比,对比结果误差在3.4%之内,通过理论公式验证仿真结果的正确性。 通过分析铆接工艺过程中铆钉镦头高度对铆接件的影响,从铆钉镦头对干涉量及疲劳寿命的影响进行分析,通过分析选择最佳铆钉镦头的高度为1.8mm-1.9mm,使用最佳参数进行有限元仿真的建模,而后进行疲劳仿真,得到仿真疲劳结果,得到疲劳曲线进行拟合寿命公式,从而可以进行疲劳寿命预测。

关键词： 风机主轴轴承   FMEA   应力分析   疲劳寿命  

摘要： 当今,碳中和目标的提出使得风力发电具有重要的时代意义。不少风电场建设在环境恶劣的偏远地区,风电机组中的承重部件主轴轴承长时间承受复杂的交变载荷后易发生各类故障,降低自身寿命。出于以上考虑,把应用在系统可靠性方面的故障模式与影响分析方法应用到风机主轴轴承的故障分析中,并结合两种不同的危害性分析方法对比得出危害度最高的故障模式;然后以故障模式影响分析(FMEA)确定的主要故障模式为出发点,对主轴轴承进行结构应力和不同结构参数下的疲劳寿命研究,探究主要故障发生的深层次原因,为该故障的预防和改进提供参考。主要研究内容包括:对风机主轴轴承及其所在传动系统进行结构分析和功能分析,明确风机主轴轴承的常见故障模式,对风电机组进行故障模式影响分析(FMEA)。与以往仅仅得到故障模式和确定故障影响不同,本文为了确定主轴轴承的主要故障又利用定性和定量两种不同危害性分析办法对故障模式进行对比分析,最后两种方法得到一致结果:即疲劳损伤是导致风机轴承出现故障的主要原因。针对疲劳损伤这一危害性最高的故障进行结构应力和疲劳寿命的探究。首先对风机主轴轴承进行实体三维建模,在设置好接触和边界条件的基础上,结合企业提供的叶片轮毂中心载荷数据和有限元软件进行极限载荷下的结构静应力分析,确定风机主轴承的受载特征和应力分布情况,明确容易出现危险受载和变形的区域,此过程可对FMEA分析表中轴承出现故障的原因进行进一步说明。考虑到轴承应力分析时并不是所有滚子都受载,因此以该现象为基础在改变轴承工作游隙的基础上探究轴承内部滚道在极限载荷下的应力分布差异,然后根据风电机组实际运行的工况表选出有代表性的运行工况进行载荷谱的生成,结合S-N曲线,借助疲劳分析软件进行游隙改进前后轴承疲劳寿命的评估,验证改进措施的可行性,为FMEA分析表中的故障补偿办法提供新思路。

关键词： 磁–机械耦合   磁致伸缩   各向异性   应力   有限元计算  

摘要： 电工钢片的磁致伸缩效应导致变压器、电机等铁心发生形变，引起振动噪声，而伴随着磁化产生的磁致伸缩现象会受到机械应力的影响，因此在计算铁心形变的磁–机械场计算中需要准确表征电工钢片的复杂磁致伸缩特性。该文在实验测量不同应力下电工钢片磁致伸缩的各向异性特性基础上，详细分析考虑材料各向异性、磁应力敏感性及线磁致伸缩体积不变性质等复杂磁特性的磁–机械耦合方程，建立磁致伸缩预应变的等效节点载荷，并编制相应的有限元计算程序。最后，对一台叠片铁心实验模型进行形变计算与实验测试，实验结果验证了所提出的考虑磁致伸缩复杂特性的磁–机械耦合有限元计算方法的有效性。研究成果有助于推动我国具有自主版权的变压器等电工产品多物理场数值仿真计算程序的开发。

关键词： 叠片联轴器   应力分析   参数化   软件   强度安全预测  

摘要： 叠片联轴器作为旋转机械的主要传动机构,主要由法兰盘、中间轴、叠片组和螺栓组件等零件组成,用于联结两轴传递扭矩和功率,适用于高转速、位移补偿大的传动机械中,如汽车发动机传动,航空螺旋桨传动,舰艇水下传动等,且叠片联轴器具有高强度,传递扭矩大,轴不对中承受能力强,性价比高等特殊优点。叠片联轴器属于弹性联轴器的一种,其叠片组由一定数量的相同形状的金属膜片组成,叠片组作为联轴器的关键性工作部件,其主要作用是传递扭矩,还能够适用于两轴之间存在相对位移的工况,对其进行强度的研究是非常必要的。目前针对于叠片联轴器的研究主要存在两个主要问题:一是在多种复杂工况(例如高温高压、大扭矩、高转速等)下,需要确保叠片联轴器的安全可靠,因此需要大量的分析计算;二是叠片联轴器结构复杂,各部件之间的接触摩擦较多,具有非线性特性,分析计算较为困难,成本较高。在针对于叠片联轴器强度方面的研究中,首先是缺少通用性较高的分析模型来满足多型号膜片的分析需求,其次是单层膜片的强度分析均忽略了多片之间的接触作用,且目前对叠片联轴器的强度研究多采用材料力学法和有限元法,耗时费力,效率较低。因此本文针对于目前存在的主要问题,确定研究目标:第一是提高通用性,寻求多类型膜片的参数化计算方法,建立参数控制与计算结果可视化一体化输出系统;第二是提高准确性,建立综合工况下的非线性有限元模型,分析各个因素对其强度的影响规律;第三是提高效率,引入数字孪生理念,建立叠片联轴器的安全预测模型,替代传统材料力学法与有限元法。本文以叠片联轴器作为研究对象,通过对其进行载荷分析建立材料力学模型,并采用有限元法研究了其应力特性与规律,为叠片联轴器的生产提供理论参考。同时,以膜片为例提出了一种参数化有限元计算软件的设计方法,并基于数字孪生实现了叠片联轴器的强度安全预测。论文的主要研究内容及结论如下:(1)针对叠片联轴器进行受力分析,通过材料力学的方法建立其在扭矩、轴向位移、角向位移和离心力下的力学模型。针对四种类型的膜片:圆环式、多边式、关节式和梅花式,采用APDL命令语言建立其参数化有限元模型。将力学模型的计算结果与参数化有限元仿真结果进行对比,选取的样本点误差范围在10%以内。通过研究膜片的类型、厚度以及不同载荷对最大等效应力的影响,得到结论:在同一载荷下关节式和梅花式膜片最大等效应力较小;膜片的厚度增加能够提高联轴器传扭能力,但对相对位移的补偿能力有所降低;扭矩、轴向位移、角向位移和离心力四种载荷的增加都会使膜片的最大等效应力增大。(2)基于有限元法对叠片联轴器进行了更加深入且全面的研究,给出符合实际工况的非线性有限元模型的建立方法,考虑了螺栓预紧力,膜片之间的摩擦作用以及各个零件之间的接触作用。在综合工况下,研究了扭矩、相对位移、螺栓预紧力和摩擦因数变化对叠片联轴器应力的影响及规律,结果表明:在综合载荷下,叠片组各层膜片的最大应力值存在较大的差异性;控制单一载荷扭矩、相对位移的增大,叠片组的应力也随之增大;在一定范围内,提高螺栓预紧水平能够减小膜片的轴向与径向变形;降低膜片表面粗糙度能够有效减小叠片组的应力水平。(3)使用Python语言与APDL语言开发了一款膜片参数化有限元计算软件,可以实现参数的修改与传递,有限元计算与结果可视化,报告打印等功能,有效地提高了参数化有限元建模与计算的效率,提供了一种参数化有限元计算软件的设计方法。(4)将数字孪生方法引入到叠片联轴器的强度分析中,提出了叠片联轴器数字孪生模型的建立方法,实现膜片应力的实时预测与可视化,为叠片联轴器的安全预测提供了一种新的方法。

关键词： 高温压力管路   球形补偿器   应力试验   应力分析  

摘要： 航空发动机内部高温压力管路空间拓扑结构紧凑且复杂,在循环热边界和热冲击的作用下,其可靠性问题频发,进而直接关系到航空发动机乃至飞机的飞行性能及安全性。 本文针对目前航空发动机管路中亟待解决的热疲劳和热损伤问题,以静力学理论为基础,考虑了管路系统空间分布、结构形式复杂和约束复杂导致的非线性运动以及温度、压力、加速度等产生的耦合多变载荷因素,提出了航空发动机管路应力分析和评估的方法及准则,并搭建了管路应力分析试验台对上述方法进行可靠性验证。此外,基于试验的手段着重探究了球形接头补偿器的补偿特性及适用性。最后,系统地分析了某套航空发动机管路的应力特征,并对其进行了有效的热补偿,最终实现了管路系统位移变形和热应力的综合控制。具体工作内容及研究结果如下: (1)搭建了高温球形补偿器偏转特性测试试验台,系统地研究了不同温度、压力参数下的球形接头的特性参数。此外,基于Workbench仿真研究了试验同工况下的球形接头偏转特性。在此基础上,构建了基于球形接头弯曲摩擦力矩和转动刚度的BP神经网络,提出了球形接头偏转特性曲线的修正方法,实现了内部气体流通工况下的球形接头特性的准确计算。 (2)搭建了高温压力管路应力试验台,着重研究了不同温度、压力、端点位移参数下的管路应力特性。阐述了高温压力管路试验的关键问题,分析了试验数据的误差来源与数据修正方法。研究结果表明管路仿真计算结果与试验结果数据对比的误差较小,92.7%以上的数据点仅存在15%范围内的误差,有效验证了所提管系分析方法的可靠性。 (3)基于CAEPIPE和ANSYS软件构建了某型航空发动机管系梁单元和壳单元模型,计算并分析了管路的热变形和热应力,创造性的改进了原有的拉杆结构。在保证活动裕度的情况下,避免了应力畸变的同时又有限缓解了连接部位的应力集中,使得管系最不利工况下应力从785.25MPa降低至359.57 MPa,低于设计屈服极限,满足了设计要求。

关键词： 三轴加速度传感器   低g值   应力分析   结构与特性仿真   传感器性能  

摘要： 针对低g值加速度传感器在汽车稳定控制系统的应用需求,本文给出了一种压阻式三轴加速度传感器的基本结构,该传感器主要由外部支撑体、双L型梁（4个）、中间双梁及各梁连接的质量块（2个）构成。为实现对低g值加速度的测量,分别构建L型梁、中间双梁的应力计算模型,结合材料力学研究梁根部的应力集中问题。基于压阻效应分析梁根部12个压敏电阻阻值随加速度的变化,理论计算给出该传感器可实现对外加加速度（ax、ay和az）的测量。利用COMSOL Multiphysics仿真软件构建了低g值三轴加速度传感器结构仿真模型,在传感器芯片的质量块上表面补偿对称结构的质量块（竖直放置和水平放置）,在此基础上分析沿3个方向（x、y、z）外加加速度时,梁结构的表面应力情况,并研究弹性单元的尺寸对输出电压的影响。利用MEMS技术开展加速度传感器芯片工艺制作,通过组合封装方法实现补偿质量块与传感器芯片集成化,采用压焊工艺完成测试芯片样品的封装。采用振动台、万用表等仪器构成测试装置,研究分析芯片样品的特征频率、灵敏度和交叉干扰特性。实验结果表明,在室温条件下,当电源电压为5.0 V时,频率范围在0～20000 Hz内,补偿竖直质量块的低g值加速度传感器的x、y、z三轴灵敏度分别为12.81 m V/g、22.36 m V/g和24.73 m V/g,在0～2 g的测量范围内传感器灵敏度特性有效提升,实现了对低g值范围的加速度测量。

关键词： 有机半导体材料   拉曼光谱   应力   外电场  

摘要： 相比于传统的无机半导体材料,有机半导体兼具了有机物的力学特性和半导体的光学、电学特性,并具有易加工、可溶液处理、可弯曲等优点。在相关的柔性有机半导体器件制备和应用过程中,容易从外界引入电荷掺杂以及应力效应,而共振拉曼光谱以其无损、快速、高灵敏度等优势,成为研究有机半导体分子结构和电荷调控的重要实验工具。因此本文结合理论和实验两个方面对典型的有机半导体聚合物（P3HT、PEDOT）在应力和外电场调控下的拉曼光谱进行了系统性研究。 应力调控下有机半导体聚合物的共轭长度及共轭单元单元数量可能会发生改变。我们使用Gaussian 09软件包计算了聚噻吩类拉曼光谱,结果表明与共轭结构相关的=键拉曼峰峰位随共轭单元数量增加而出现红移,并伴随着HOMO-LUMO能隙的减小;随着共轭链相对长度增加（共轭单元数量不变）,相关峰位也出现红移的现象。实验上,通过控制有机半导体薄膜应变,并未观察到拉曼光谱与施加应力之间的依赖性。我们给出结论:单一共轭链模型理论计算不足以描述薄膜复杂的无序形态,实验上无法将应力有效的作用于共轭链,因此未观察到相应的拉曼光谱变化。 相比应力调控,使用外电场调控共轭结构电子密度分布,更有可能观察到分子共轭结构的变化,通过调控外电场的大小与方向,我们给出了拉曼峰频率与外电场之间的依赖关系。实验上,通过面内器件结构的优化,我们观察到接近检测极限的拉曼光谱微弱变化,低于理论预期。预示着在聚噻吩类有机半导体共轭聚合物中,有机半导体薄膜中仅有部分共轭链沿外电场方向排列,外界调控手段无法有效的作用于共轭分子结构。 本文通过第一性原理计算与拉曼光谱实验相结合的研究方法,综合分析了在应力和外电场调控下的有机半导体聚合物拉曼光谱、分子结构、电子态密度等响应。通过理论计算,揭示了有机半导体材料共轭结构在外场调控下的依赖关系。实验结果与理论预期对比,表明了应力与电场效应研究需考虑有机半导体分子排列的无序性。