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关键词： 低温环境   架空输电导线   微风振动   温度场   应力场   振动特性  

摘要： 我国的北部地区,气候复杂多变,时常伴随有大风,环境条件恶劣,冬季最低温度最低可达-58℃。在低温和风的影响下,架空输电导线会长时间处于振动状态。目前,导线微风振动强度的研究大多数集中在常温环境下,但对于低温环境下导线微风振动特性的研究并不充分,在低温环境中能否安全运行难以保证。在低温环境中,导线所处的环境温度较低,且常常处于有风的状态下。金属物体具有热胀冷缩的特性,使导线承受的张力和导线内部应力与常温环境下有所不同。受到低温环境的影响,在载流量一定的前提下,导线的温度与常温环境中具有很大差别。温度会对导线内部各层的应力产生影响,导线应力的变化会影响到导线的自阻尼,进而对导线的微风振动强度产生影响。同时,对于导线温度场、应力以及微风振动的研究,大多数采用简化的模型对导线整体进行分析,对于具体的细节分析并不充分。针对上述问题,本文的研究内容如下:(1)基于热平衡基本原理,根据导线横截面结构,通过数值仿真方法,建立导线温度场分析模型,对不同的低温环境(-50℃～-30℃)、风速以及载流量下的导线进行温度场计算,进而分析导线径向温度分布。对不同低温环境下导线温度场进行分析。并分析低温环境、风速以及载流量对导线温度场的影响。(2)以导线轴向张力方程为基础,对导线在不同载荷以及温度作用下的应力进行计算。由导线的三维实体结构建立导线应力场模型,采用数值仿真方法计算低温环境下(-50℃～-30℃)不同载荷以及环境温度对导线应力及应变的影响。(3)基于能量平衡法,建立架空输电线的能量平衡方程,并考虑低温环境下导线的温度与应力特性,分析导线在不同载荷、低温环境以及和地形等因素下振动幅值与频率关系。分析不同条件对导线微风振动特性的影响。

关键词： 温度   应力   孔隙压   蠕变   渗流   本构模型  

摘要： 煤层气作为一种清洁、高效和储量巨大的非常规天然气对于解决我国能源短缺和防治矿井瓦斯灾害具有重要意义。深部煤层气长期赋存在高温、高地应力和高孔隙压的煤层环境中,特殊的“三高”环境造成煤体非线性变形行为频繁且变形程度更剧烈,深部煤体显著的蠕变特性则会对煤层的透气性产生较大影响。为研究不同温度、应力和气体压力下煤体的蠕变变形和渗透率演化规律,分析多因素影响下煤体蠕变-渗流耦合作用机制,采用高温高压岩石三轴固流热耦合实验装置对烟煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验和构建煤体的蠕变变形与渗透率本构模型。本文的主要研究如下:(1)通过三轴压缩蠕变-渗流实验,研究了烟煤的蠕变变形特性及气体渗透率演化规律。发现:1)各烟煤试样的蠕变特性差异主要体现在蠕变起始阈值强度和蠕变变形程度两方面,试验煤样的蠕变起始阈值强度从8MPa到11MPa不等,蠕变程度最大煤样的轴向应变量是蠕变程度最小煤样的2.39倍。2)煤样的裂隙发展在蠕变失稳破坏下表现为径向局部突出破坏,在压裂破坏下则呈现出斜向的侧壁贯穿大裂隙破坏。3)试验煤样渗透率的演化存在三阶段:加压前期快速大幅下降阶段、恒压期间缓慢下降或平稳过渡阶段和试验后期出现拐点由下降转为上升趋势阶段,只有部分试样经历了第三阶段。(2)基于煤样的蠕变变形及其气体渗透率演化规律,探究温度和围压强度对煤体的蠕变-渗流特性影响机理。结果表明:1)温度与煤样的径向和轴向蠕变变形呈正相关性:随温度的升高煤样径向和轴向应变的变化速率发生改变且高温(110℃)环境中应变速率的变化会一直持续直至煤样发生破裂。2)煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,110℃、70℃和30℃下煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%和77.93%。3)围压对煤样的径向和轴向蠕变起抑制作用且同温度下渗透率降低率随围压强度增大而减小,围压4MPa和3MPa的煤样在30℃、70℃和110℃下其气体渗透率最大和最小差值分别为:7.8%、5.2%和6.5%,4.2%、2.1%和1.9%。(3)通过将一个黏-弹-塑性体与伯格斯体串联得到非线性伯格斯蠕变模型,并根据Kozeny-Carman方程建立煤体的渗透率模型。发现:1)伯格斯模型能够较好描述煤体仅发生衰减蠕变和稳态蠕变的蠕变行为,拟合曲线相关系数的最大平方值为0.9930,最小平方值为0.9668。2)改进后的非线性伯格斯模型能完整描述包含加速蠕变阶段的蠕变全过程,拟合曲线相关系数的平方值为0.9822和0.9662。3)通过对30℃、70℃和110℃烟煤试样的体积应变与其气体渗透率的试验数据建立相应煤体渗透率模型进行验证,所得的渗透率模型能较好描述煤样蠕变过程中的渗透率演化规律。

关键词： InSe   机械剥离法   高压   应力   光电器件  

摘要： 近年来,以石墨烯和过渡金属硫族化合物(TMDs)为代表的二维半导体材料因具有原子级厚度、高迁移率和带隙可调等优异的性能,备受研究者关注。然而,石墨烯的零带隙限制了其在光电探测领域应用。而InSe拥有可调的带隙、极高的载流子迁移率和优异的光学偏振性能,受到了广大研究者的青睐。然而,InSe也存在功函数较高、载流子浓度较低、空穴迁移率低以及少层InSe的荧光较弱等不足,从而限制了其在光电器件中的广泛应用。为了进一步改善InSe的性能,人们采用应力、掺杂、温度、外部电磁场以及异质结等方法对其性能进一步调控和优化。InSe的杨氏模量较小,仅为23.5 GPa左右,可承受的拉力高达27%。因此,应力在调控InSe结构和性能方面具有独特的优势。在本论文中,我们通过机械剥离法成功地制备了不同层数的InSe,并通过拉曼以及荧光光谱对样品的厚度进行了表征。在此基础上,采用面内单轴拉伸应力、面内双轴拉伸应力、各向同性的静水压应力以及面外单轴压缩应力这四种不同的应力对其结构和性能进行调控。尤其是高压不仅提供了一种各向同性的静水压应力,而且作为一种极端条件,能够获得常压条件下难以获得的新结构和新特性。基于此,我们系统地研究了高压条件下InSe的结构稳定性、电子结构和偏振性能变化。在此基础上,构筑InSe光电探测元件,并对其光电性能进行详细研究。具体的研究工作如下:(1)通过机械剥离法制备不同层数的InSe样品,并利用光学显微镜、拉曼光谱以及荧光光谱等技术对其厚度进行表征。InSe的荧光峰随厚度的减小逐渐蓝移,带隙也由体材料的1.25 e V增加为五层时的1.46 e V;厚度小于五层时由直接带变为间接带,荧光减弱并逐渐消失。结果表明,荧光光谱和拉曼光谱可有效地表征InSe的厚度。(2)InSe的高压研究。通过拉曼、PL、FT-IR和第一原理计算,系统地研究压力作用下InSe的结构演化和相变过程。在11 GPa以上,样品颜色完全变为黑色,拉曼和红外光谱确认其发生不可逆的金属化相变。在低于11 GPa,经过反复加压-卸压循环,InSe能够完全转变为高温高压相InSe-II。此外,随着压力的增加,InSe的荧光峰持续蓝移,在4 GPa附近出现直接带-间接带转变,因此其荧光强度先增强再减弱,并在3.8GPa处达到最大值。压力还可以导致其偏振性能改变,在3.3 GPa时其极化角度偏移15°,当达到6.5 GPa时其极化角度再次偏移30°。结果表明,高压作为一种各向同性的静水压应力,能够有效调控InSe的晶体结构、荧光性能及偏振性能。(3)InSe的应力调控研究。设计多种装置产生四种不同类型的应力,包括面内单轴拉伸应力、面内双向拉伸应力、各向同性的静水压应力和面外轴向压缩应力,研究了不同类型应力对其声子模式和荧光性能的影响。结果表明,四种应力均会导致其荧光红移,带隙减小。对于同一种声子模式,面内双轴拉伸应力和静水压应力的调控作用要优于单轴拉伸应力和面外轴向压缩应力。综合拉曼和荧光结果,双轴拉伸应力的调控效果最为显著。(4)InSe光电器件的构筑及性能研究。构筑光电导型InSe光电探测元件,研究了退火、温度及功率对其光电性能的影响。结果表明,退火能够显著改善器件的电极接触,从而提高其光电性能;在532 nm激光的光照下,样品的光电压和光电流都会随着激光功率的增强而增加;温度的升高,其接触电势明显改善,光电流显著增强。此外,InSe光电响应也十分稳定,在经过多次的循环测试,其光电流和响应时间并无明显减弱。

关键词： 耐压蛋壳   应力分析   等效试样   裂纹扩展速率   腐蚀疲劳寿命  

摘要： 本文以水下4000米级蛋形耐压壳腐蚀疲劳裂纹扩展为研究对象,采用试验研究、理论分析、数值计算相结合的方法开展相关研究。研究马氏体镍钢在海水中的腐蚀规律,建立含焊接残余应力的蛋形耐压壳腐蚀疲劳裂纹扩展速率模型,并对其结构腐蚀疲劳寿命进行预测,将为蛋形耐压壳损伤容限设计奠定理论基础,对建立异形耐压壳疲劳损伤预报和安全作业评估体系、提高深海潜水器使用可靠性具有重要意义。本文的主要研究内容与结论如下:(1)对马氏体镍钢18Ni(250)材料的标准C(T)试样开展预腐蚀疲劳试验。把马氏体镍钢材料的C(T)试样放置在人造海水环境中浸泡18个月,得到18Ni(250)材料在海水中的腐蚀速率和表面腐蚀形貌变化过程。通过疲劳裂纹扩展试验,研究18Ni(250)材料腐蚀疲劳裂纹扩展速率,得到18Ni(250)材料的腐蚀疲劳裂纹扩展与疲劳裂纹扩展差值Δa-N曲线,并把Δa-N关系拟合成一个多项式函数,为基于疲劳裂纹扩展特性的基础上,研究腐蚀疲劳裂纹扩展特性提供了依据。(2)根据蛋形轮廓曲线函数和强度理论,设计出满足4km水下工作要求的蛋形耐压壳,建立焊接毛坯数值模型,并用有限元方法分析了无模胀形过程。基于数值模型,研究内胀变形对分段式蛋壳趋向蛋形的改善情况和蛋壳焊接部位的应力分布情况,分析无模胀形对蛋壳焊接部位弯曲应力的影响。通过有限元模拟和残余应力测试试验,对焊接处焊接残余应力沿厚度方向的分布规律进行研究。(3)通过理论计算和有限元仿真验证,设计出能等效蛋壳焊接处在水压载荷下产生压弯应力和焊接残余应力的试件,并设计出疲劳试验使用的配套夹具。对Newman-Raju公式进行合理修正,添加了焊接残余应力引起的应力强度因子,得到含焊接残余应力的压弯应力表面裂纹强度因子的统一形式。通过对等效试样开展疲劳裂纹扩展试验,研究等效试样疲劳裂纹扩展速率,并拟合不同裂纹形状比下的裂纹扩展速率曲线,得到等效试样统一疲劳裂纹扩展速率基准模型。(4)使用FRANC3D软件,对等效试样疲劳裂纹扩展进行分析,验证了等效试样18Ni(250)焊接残余应力下统一的疲劳裂纹扩展速率模型的可靠性,并对等效试样裂纹扩展行为进行分析,得到裂纹在试样表面和深度方向的扩展路径。在等效试样统一疲劳裂纹扩展速率模型的基础上,添加腐蚀疲劳裂纹扩展和疲劳裂纹扩展裂纹长度差值?a和循环载荷N的关系式,得到腐蚀疲劳裂纹扩展速率统一模型。使用腐蚀疲劳裂纹扩展速率统一模型对耐压蛋壳进行腐蚀疲劳寿命预测,得到其腐蚀疲劳寿命。

关键词： 既有隧道与基坑   建筑物荷载   应力   土体表面竖向位移   土压力  

摘要： 目前地铁建设规模不断增大,地铁车站普遍建设在人流量较大的地区,周边建筑物较为密集。随着我国经济发展城市化进程不断加快,建筑物的数量愈来愈多,这势必会导致建筑物对临近既有地铁车站的隧道及基坑产生不良的影响,为得到地铁车站既有隧道、基坑受到上方建筑物荷载时的受力情况、变形规律、土体的竖向位移以及隧道上方土层中土压力的变化规律。本文以沈阳地铁九号线某车站为原型,在进行模型试验的基础上,通过数值模拟的方法对隧道直径、隧道埋深、隧道与基坑相对水平距离、土体类型四种影响因素展开深入的研究,为未来类似的实际工况提供有力的参考,本文主要的研究工作及结论如下: 本文共设立4种室内缩尺试验,对既有隧道的应变、基坑的应变、土体表面竖向位移、隧道上方土层的土压力进行监测,探究在不同荷载的作用下四种监测数据的变化规律,试验通过控制变量对比法分析隧道埋深、隧道与基坑的相对水平距离及基坑尺寸这三种参数对试验结果造成的影响,并根据试验采集到的数据得出荷载与隧道各测点应变的关系、荷载与基坑各测点应变的关系、荷载与土体表面竖向位移的关系及荷载与隧道上层土体土压力的关系。通过试验结果可知,三种参数对既有隧道及基坑模型的应变影响较大,而对土体表面竖向位移及土压力的影响相对较小。 本文利用有限元软件ABAQUS在模型试验的基础上建立数值模型,对隧道及基坑的应变、土体表面的竖向位移、隧道上方土体的土压力进行分析,模拟计算结果与试验结果基本相符,验证了有限元分析的可行性,为利用数值模拟拓展不同参数奠定了基础。 本文利用有限元模型针对隧道直径、隧道埋深、隧道与基坑的相对水平距离、土体类型四个影响因素展开分析,探究四种参数对地铁车站隧道、基坑的受力情况、土体表面竖向位移及隧道上方土体的土压力的影响,并通过改变参数得出在不同工况下建筑物的荷载对既有隧道及基坑的联合作用的影响。通过数值模拟的结果可知,隧道与基坑的相对水平距离对基坑应力的影响较大,土质对既有隧道、基坑以及周边土体的影响较大。

关键词： 太阳能光热发电   填充床储热器   熔盐   蠕变   应力  

摘要： 高温熔盐填充床相变储热器是聚光型太阳能热发电系统实现高效低廉储热的最佳方式之一,也是目前太阳能热发电储热技术的主要发展方向。特别地,在高温度、多循环、长周期的运行过程中,填充床熔盐相变储热器存在高温蠕变与应力疲劳导致的失效泄露现象,给整个系统的安全运行带来极大挑战。然而,目前针对其失效特性的研究仍存在许多不足:已有针对显热储热器构建的热-力耦合数值方法已不再适用于存在固-液相变换热的储热结构,且已有模拟方法也未考虑真实的罐体结构与应力荷载,同时,涉及其动态蠕变特性的研究也鲜有报道。因此,为提高填充床熔盐相变储热器的安全性能,有必要开展高温蠕变与应力特性的研究。基于此,本文以极具应用前景的高温熔盐填充床相变储热器为研究对象,开发并完善了多因素协同作用的热-力耦合数值方法,揭示了设计寿命期内储热器蠕变与应力损伤的动态失效机理,探讨了关键参数(相变颗粒球径、熔点与孔隙率)对其蠕变与应力性能的影响规律,并提出了具有低蠕变损伤时间与低应力水平的双层变球径-变熔点储热结构。具体的研究工作如下:1)理论设计了700MWht相变球填充床储热结构,在综合考虑相变颗粒内固-液相变换热、罐体应力荷载、罐底板、边缘板与大角焊缝结构等多因素的基础上,基于有限容积法与有限元法,建立了储-放热条件下储热器热-力耦合特性的数值预测模型,并实验验证了所发展的热-力耦合分析方法的正确性,为接下来开展动态蠕变与应力特性研究提供方法支撑。2)数值分析了储-放热循环下填充床相变储热器的动态蠕变与应力损伤特性,获得了设计寿命期内各壁板的蠕变损伤时间分布规律。结果表明:(1)储-放热循环中,大部分壁板均会产生高温导致的蠕变现象,设计寿命期内,顶端壁板(11m≤H≤13m)的蠕变时间是底端壁板(0≤H≤2.2m)的4.7倍,易发生蠕变断裂;(2)壁面应力沿高度方向变化显著,大部分壁板(2m≤H≤13m)均处于低应力水平的弹性状态(30-80MPa),但壁板与底板连接的大角焊缝位置极易产生应力集中导致的塑性失效现象;(3)罐体应力受壁面温差影响显著,储热时,峰值应力与温差逐渐增大,经历4.0h后峰值应力为477.8MPa,远高于材料屈服强度;放热时,整个罐体的应力水平均较低,峰值应力仅为28.8MPa;(4)多次储-放热循环中,壁面温度呈周期性变化(563-836K),峰值应力也呈周期性变化趋势(28.6-477.8MPa)。3)探讨了关键参数(相变储热球直径、熔点及孔隙率)对填充床相变储热器动态蠕变和应力特性的影响规律。结果表明:(1)增大相变储热球球径有助于降低罐体应力水平,但壁板蠕变时间会增加。当球径从20mm增加到42mm时,设计寿命内顶端和底端壁板的蠕变时间分别增加2.7%和46%,罐壁峰值应力降低21%;(2)采用较低熔点的相变材料有助于缩短壁板蠕变损伤时间,但罐壁应力水平会增大;当熔点温度从395℃降低至365℃,顶端与底端壁面的蠕变时间分别降低2%与15%,峰值应力增加7.1%;(3)增大填充床孔隙率可降低应力水平,但壁板蠕变时间会增加;当孔隙率从0.22增加到0.5,底端壁板的蠕变时间增加19.7%,峰值应力降低9%。4)进一步发展了填充颗粒小球径-低熔点(结构I)与大球径-高熔点(结构II)的单层填充床储热结构,并提出了一种具有低蠕变损伤时间与应力水平的沿流动方向变球径-变熔点的双层填充床储热结构(结构III),对比分析了3种填充结构对储热器动态蠕变损伤与机械应力性能的影响情况。结果表明:(1)采用小球径、低熔点的相变颗粒(结构I),罐体蠕变损伤时间的降幅最显著,其次是双层填充结构III;与结构II相比,设计寿命期内储热结构I的顶端与底端壁板的蠕变时间可分别降低4.1%与71.4%。(2)具有最低蠕变时间的储热结构I的壁面应力最高(614.39MPa);采用双层变球径-变熔点的储热结构III时,储热器的应力水平最低,与结构I相比,峰值应力值可降低26%;(3)综上,采用沿流动方向增大球径与熔点的双层填充床储热结构,不仅能缩短罐体蠕变损伤时间,还可同时降低应力水平,有效避免储热器产生蠕变断裂与塑性失效,进而提升整个系统的安全性能。

关键词： 盾构隧道   模型试验   渗漏位置   压力水头   应力   土拱   沉降分区  

摘要： 针对富水地层浅埋盾构隧道接缝渗漏问题,结合海南的地质条件,采用一套可控制渗漏位置和压力水头的试验装置,在砂土及黏土地层中开展多组模型试验。通过分析渗漏量、漏土级配、地层沉降、地层应力等,探究渗漏对围岩位移场和应力场的影响规律。对砂土地层不同接缝位置渗漏时的围岩沉降分区进行研究。采用扫描电子显微镜从微观的角度分析渗漏对围岩的影响。主要结论如下:试验过程可划分为初始阶段、漏土漏水阶段、收敛阶段。收敛阶段隧道内不再漏土只漏水,砂土地层的沉降槽呈“V”状,黏土地层无明显沉降槽。饱和砂土试验的渗漏量、地表沉降量远大于饱和黏土试验,当渗漏位置为拱脚,压力水头为3.1倍隧道直径时,砂土地层的地表沉降量为黏土地层地表沉降量的57倍。地表最大沉降与漏缝处埋深、压力水头正相关。黏土地层中,当压力水头增量相同时,漏缝处埋深越浅,发生渗漏时地表沉降增量越大。初始阶段漏缝旁土样的孔隙数量少、孔隙平均直径大。漏土漏水阶段漏缝旁土颗粒最先流失,粗颗粒开始在漏缝处聚集并逐渐形成土骨架,对细颗粒迁移产生阻力。收敛阶段,稳定土拱已经形成,漏缝旁土样的孔隙数量多、孔隙平均直径小,细颗粒附着在粗颗粒表面,颗粒间相互接触、挤压,土骨架更加密致。漏土漏水阶段的孔隙水压力和土压力最小,收敛阶段的孔隙水压力和土压力大于漏土漏水阶段而小于初始阶段。漏缝处围岩的应力损失率最大,离漏缝处越远,应力损失率越小。孔隙水压力损失率与漏缝处埋深正相关,土压力损失率与漏缝处埋深、压力水头正相关。砂土地层中,土压力对压力水头的增加不敏感,压力水头增加1倍隧道直径,土压力损失率的增量不超过1.90%。试验过程中有效应力与漏缝处埋深正相关,收敛阶段的水力坡降与压力水头正相关。收敛阶段时饱和砂土试验仅拱脚缝的平均有效主应力超过初始阶段水平,饱和黏土试验中拱顶缝、拱肩缝、拱脚缝的平均有效主应力均超过初始阶段水平。砂土地层中,依据土颗粒运动特征将隧道围岩沉降分为侵蚀区、位移区和稳定区,经偏移修正和曲线修正后侵蚀区和位移区的水平向长度与压力水头、漏缝处埋深正相关。压力水头增加1倍隧道直径,拱脚缝侵蚀区水平向长度增长率为44.64%,而拱顶缝仅为18.27%。随着漏缝处埋深增加,侵蚀区和位移区形态逐渐由“横鸭蛋”向“竖鸭蛋”转变。

关键词： 窄种植体   钛基氧化锆基台   动态载荷   三维有限元   应力  

摘要： 目的: 建立上颌中切牙钛基氧化锆基台、一体式氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型,施加斜向30°动态载荷,观察比较钛基氧化锆基台、氧化锆基台、钛基台、种植体内部及骨支持组织的应力大小和应力分布规律,为临床钛基氧化锆基台在窄种植体中的应用提供生物力学参考依据。 方法: 采用CBCT与Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Ansysworkbench等仿真建模软件相结合,建立右侧上颌中切牙钛基氧化锆基台、氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型共3组,对模型施加1个咀嚼周期150N的斜向30°载荷,观察比较钛基氧化锆基台、氧化锆基台、钛基台、种植体内部及骨支持组织的应力大小和应力分布规律。 结果: 1.建立了右侧上颌中切牙钛基氧化锆基台、一体式氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型共三组(TZ组、Z组和T组)。模型网格划分精细,几何相似性良好,调整性和可重复性强,能满足动态加载的需要。 2.冲击载荷末,TZ组、Z组和T组基台、种植体、中央螺丝、皮质骨和松质骨的最大等效应力值分别为809.160MPa、460.700MPa、238.820MPa、119.280MPa、8.711MPa,678.030MPa、306.090MPa、155.550MPa、97.198MPa、7.260MPa和744.030MPa、392.660MPa、202.570MPa、102.390MPa、7.555MPa,其中TZ组Ti-base和氧化锆层的最大等效应力值分别为809.160MPa和131.850MPa,应力主要集中在基台种植体连接处、种植体上部1/2、中央螺丝顶部与体部连接处和种植体周皮质骨内。 3.卸载阶段末,TZ组、Z组和T组基台、种植体、中央螺丝、皮质骨和松质骨的最大等效应力值分别为13.548MPa、9.856MPa、0.717MPa、4.372MPa、0.288MPa,8.703MPa、6.447MPa、0.379MPa、3.066MPa、0.185MPa和11.127MPa、8.093MPa、0.485MPa、3.396MPa、0.207MPa,其中TZ组Ti-base和氧化锆层的最大等效应力值分别为13.548MPa和0.038MPa,应力主要残留在基台种植体连接处、种植体上部1/2、中央螺丝顶部与体部连接处和种植体周围皮质骨内。 结论: 1.应用CBCT技术与Mimics、Geomagic Studio、Solidworks、Ansysworkbench等软件建立右侧上颌中切牙钛基氧化锆基台、氧化锆基台和钛基台窄种植体冠修复及骨支持组织的三维有限元模型并进行动态力学分析的方法切实可行。 2.基台种植体连接处、种植体颈部、中央螺丝顶部与体部连接处和种植体颈部皮质骨是应力集中区。 3.基台材料影响应力值的大小,但不改变应力分布规律。 4.本实验条件下钛基氧化锆基台组的应力较大,但可用于窄种植体。

关键词： TA10钛合金   数值模拟   熔池演变   扫描电子束   温度场   应力场  

摘要： TA10钛合金(Ti-0.3Mo-0.8Ni)是一种具有优异抗缝隙腐蚀性能的近α合金,除了优秀的耐腐蚀性能外,还表现出优异的工艺成形性和焊接性能,因此该TA10钛合金被广泛应用于石油、天然气输运、化工耐蚀防腐、海洋开发、航空航天飞行器制造等领域。近年来,随着科技的进步,对钛及钛合金的生产提出了更高的技术要求。因为电子束冷床炉熔炼技术(EBCHM)可以有效去除钛及钛合金中的高低密度夹杂,所以是现阶段熔炼钛及钛合金铸锭的主流先进技术。但是,电子束冷床炉熔炼是在高温、高真空的环境下进行的,熔炼过程中的熔炼工艺设定会对铸锭生产质量产生很大影响,此外,钛及钛合金中一些饱和蒸汽压高的合金元素容易挥发造成铸锭的成分不均匀。对此,本文通过运用数值仿真模拟软件ANSYS和Pro CAST,对电子束冷床炉熔炼TA10钛合金圆锭的凝固过程进行研究,探究了凝固过程中的流场、熔池演变、温度场以及应力分布。本文首先对TA10凝固过程中的流场和熔池演变进行了模拟研究,通过研究不同工艺参数(浇注温度和浇注速度)发现,浇注温度和速度的提升都能提高熔体在熔池内部的流动性且都能使熔池深度得到加深,其中浇注速度对熔体的搅拌作用和熔池深度的影响最为明显,但是过大的浇注速度会使糊状区宽度加宽,这会使所得铸锭内部更容易产生缺陷。紧接着通过在熔池表面加载高斯热源近似模拟电子束的扫描,探究了在额定的电子束工艺条件下,不同工艺参数(浇注温度和浇注速度)与熔池表面温度的变化关系,通过研究发现适当的提升浇注温度和速度,可以降低电子束的能量损耗,可以通过提升浇注温度和浇注速度的方法减少因电子束扫描引起的元素挥发。通过以上的研究,确定了对于本文研究的TA10熔炼最佳工艺参数:浇注温度为2273 K,浇注速度为0.0295 m/s。本文还探究了不同工艺条件(电子枪功率、电子束直径、电子束频率)下的电子束扫描对熔池表面温度的影响规律。这方面的研究旨在通过对温度的控制去抑制元素挥发,保证铸锭化学成分的稳定,为实际生产中的工艺参数设置提供科学的理论依据。研究发现,随着电子枪功率的提高,中心区域的局部过热现象变得尤为明显,且熔池表面的温度波动也愈发剧烈;但是这种现象会随着扫描电子束直径的增大逐渐消失,因此在实际生产中当选用大的功率时,可以通过增大电子束直径的方法,使熔池表面温度场保持均匀;此外,当电子束频率达到10Hz以上后,熔池表面温度变化将趋于稳定,温度波动将大大减小,最终达到稳定。此外,本文还探究了扫描电子束对熔池演变的影响规律。为了提高铸锭的质量,本文还研究了不同工艺参数(浇注温度和浇注速度)下TA10圆锭应力的分布规律,模拟结果表明,等效应力最大的区域基本集中在结晶器内部和铸锭底部。浇注温度与浇注速度相比,浇注温度对应力场的影响较小,随着浇注速度的增大,铸锭表面的等效应力在逐渐降低。

关键词： 细带磁芯   制备工艺   应力   涡流   软磁性能  

摘要： 为满足电力电子产业和新能源汽车发展的需要,实现“双碳”目标,磁性器件向小型化、高功率密度、高频化方向发展。非晶软磁合金具有高磁导率、高电阻率和低损耗等优异的软磁性能,是优选的“双绿色”节能材料。然而,自由退火工艺制备的非晶纳米晶磁芯也存在饱和磁感应强度不够高、耐大电流能力不强的缺点。本文采用自主研发的应力退火装置,对Fe非晶合金进行应力退火,可以提升饱和磁化场,显著提升磁芯的耐大电流能力;还探究磁芯制备工艺和热处理工艺对磁芯软磁性能的影响。采用直流和交流测试系统对磁芯样品进行软磁性能测试,并且采用上海同步辐射光源,辅以本研究团队开发的非晶软磁合金应力退火过程同步辐射原位测试装置,分别检测Fe基非晶软磁合金自由退火过程和应力退火过程的同步辐射XRD谱。讨论张应力对纳米晶结构及其磁性能的影响,进而探讨张应力退火对Fe基非晶纳米晶磁芯磁性能的影响作用机制。具体研究结果如下: 一、制备工艺对磁芯软磁性能的影响 （1）磁芯样品固化后的单位电感量比固化前的高,有机硅胶固化比环氧树脂固化的单位电感量高5%,550℃自由退火后用有机硅胶固化的磁芯样品单位电感量最高,L为1.2mH。 （2）致密度在80.0%-86.0%范围内的磁芯,磁芯软磁性能较好,饱和磁感应强度大于1.2T,饱和磁感应强度和剩磁的峰值分别为1.26 T、0.64 T,Hc最小值为3.21A/m,单位体积损耗Pcv和单位质量损耗Pcm值较低。 二、热处理工艺对磁芯软磁性能的影响 （1）温度退火磁芯样品退火后的Pcm、Pcv值,随着频率的增加而增大,随着温度的升高而减小;温度退火在540℃-570℃范围内,损耗值变化不大;540℃退火磁芯的Pcm和Pcv值都比510℃的低87.8%。 （2）张应力磁芯的损耗随退火张应力的增大显著降低,特别在高频激励下损耗降低相当明显,展现出良好的高频损耗优势。 （3）氮气保护的磁芯与无氮气保护的相比较,Bs平均值高2.1%,μmax平均值高8.7%;80.16MPa磁芯的Hs比12.33MPa的高160%。磁芯样品的Hs随σ的增加呈线性上升的趋势,氮气保护的斜率b值是无氮气保护的1.38倍,其抗电流能力更强。在氮气环境下,Hs与σ的关系为:Hs=a+bσ。 三、应力退火提高磁芯的高频软磁性能,其微观机理是晶格各向异性,纳米晶的微观应变在平行于应力方向是线性增大的,而在垂直于应力方向上是线性收缩的,说明应力退火引起晶面间距的差异,即存在晶格各向异性。