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关键词： 5MW风机   复合材料   叶片   应力   疲劳寿命  

摘要： 近年来,伴随着我国风电产业的成长,风力发电装机容量也呈现出大幅增长的势头。叶片是风力发电机的重要零部件之一,其性能的优劣,不仅关系着风机的整体性能,也间接影响风电的产出与成本。在叶片的诸多性能中,基于其作业环境之恶劣,最易受疲劳损伤所影响,原因在于叶片本身承载着较大的循环载荷。因此,研究风机叶片的应力疲劳寿命对于理论和实际之价值颇大。 在此背景下,本文对风力发电机组的叶片进行了研究,对风机叶片结构设计、材料强度特性、叶片在额定转速下受力疲劳性能情况进行了研究和实验验证,为叶片结构设计、复合材料的铺层的设计与分析提供理论依据,通过对风机疲劳寿命的分析、计算、仿真和实验,提出一种新的研究方法:通过研究损伤概率估计叶片疲劳寿命,该法对预测风力叶片疲劳寿命具有重要指导意义。主要研究内容及结果如下: (1)根据叶素理论对叶片进的特性进行分析。首先对玻璃纤维复合材料叶片之翼型进行了设计,经过采用Matlab实施迭代计算和模拟,得出关于叶片的几个关键工艺参数:弦长、扭角、周向诱导因子与轴向诱导因子等。并利用三维建模软件UG完成了风机叶片模型的创建。 (2)在叶片的建模中结合叶片实际,加入了内部结构项进行了综合分析,结果表明:叶片的应力最高处为根部,而叶片末端是最大变形的地方。此外,对叶片根部的复合材料层间力进行分析计算,得出应力最高的地方为-45°铺层,还发现了应力伴随着铺层角度的不同而展示出带有某种周期性的特征。 (3)采用ABAQUS有限元软件进行了复合材料风机叶片模型的分析,结果表明:采用ABAQUS有限元软件对叶片模型进行分析后满足实际生产及应用需求。 (4)利用matlab生成了随机载荷,并利用n Code生成载荷谱;运用n Code得出玻璃纤维材料的S—N曲线;运用n Code软件对在额定转速下的风机叶片载荷进行疲劳寿命研究,分析表明:设计叶片在正常转速下,叶片的疲劳寿命为22年3个月,远超过了20年的设计寿命要求。 上述研究结果为进一步优化风机叶片的设计和性能提升提供了有力的依据,此项研究成果已实际应用于叶片实际生产过程中,大大缩短了叶片研发工期,目前已经批量生产200套左右且已挂机运行发电,实际挂机后叶片的疲劳寿命有待验证。

关键词： 整体壁板   电子束选区熔化   温度场   应力场   工艺参数  

摘要： 整体壁板相对于传统壁板具有优越的气动和结构性能,在航空航天领域应用越来越广泛。整体壁板的成形已发展出多种工艺方法,传统的加工方式是通过化学铣切复合弯曲成形工艺。化学铣切具有自身的局限性,各种弯曲成形工艺也有其不足之处。增材制造相比减材制造,在成形异形结构方面具有优势。整体壁板作为薄壁结构,具有复杂的变曲率曲面,应用增材制造技术成形整体壁板优势明显。电子束选区熔化增材制造技术(Selective Electron Beam Melting,SEBM)在加工铝合金成形件时具有反射率低,加工效率高,材料不发生氧化等优点。但是电子束选区熔化制造技术成形整体壁板,容易造成整体壁板翘曲,裂纹等缺陷。本文通过ANSYS有限元软件,以6061铝合金为研究对象,建立单层单道、单层多道、单道多层和整体壁板的有限元模型,研究温度场、应力场分布和预测变形。通过分析单道单层时工艺参数对熔池尺寸和热历史的影响,得到以下结论:电子束功率,电子束扫描速度,预热温度这些工艺参数均对熔池形貌有影响。当输入线能量小于0.19J/mm,6061铝合金的熔池深度、宽度均随着电子束扫描速度增大而减小,熔池长度随电子束扫描速度的增大而增大;当输入线能量大于0.19J/mm,熔池深度、宽度均随着电子束扫描速度增大而增大,但增大速率减小,熔池长度随电子束扫描速度增大而减小。熔池的寿命随着电子束功率,电子束扫描速度,预热温度增大而增大。熔池冷却速率,受电子束功率,电子束扫描速度,预热温度这些工艺参数影响,其中电子束功率是主要影响因素。通过分析工艺参数对单层多道和单道多层的温度场和应力场的影响,得到以下结论:电子束增材制造加工单层多道时,电子束扫描对相邻扫描道有影响,其影响会随扫描道数的增加而减少,最终趋于稳定。电子束增材制造加工单道多层时,后一层对前一层的热影响比较大,能使前一扫描层发生重熔。且最高温度随着扫描层数的增加而升高。电子束选区熔化增材制造的变形主要发生在垂直于扫描方向的Z轴。整体壁板的成形过程中,摆放方式、支撑、基板材料对整体壁板的变形有影响。蒙皮朝下时,整体壁板的变形大于筋条朝下的摆放方式。支撑对电子束增材制造成形的整体壁板变形影响较大。基板材料的热传导系数越大,整体壁板的最大变形越大。基板材料不同时,整体壁板的最大变形有也明显变化。

关键词： 趴卧型枕垫   中国青年女性   乳胶   记忆海绵   应力   数值模拟  

摘要： 随着时代的发展,人们的工作和休闲的环境不断变化,各种多功能的辅助产品层出不穷。枕垫产品是生活中十分重要的辅助类产品,不同材料、功能和外形的产品在市场中种类很多。其中趴卧型枕垫作为常见的枕垫产品可以满足各种生活和工作场景需求。本课题选择趴卧型枕垫创新设计作为研究目标,枕垫垫芯材料选择乳胶和记忆海绵这两款性能较为优秀的材料。本文从枕垫材料、枕型、枕垫功能设计方面入手,采用3种设计方式研究设计多款缓压舒适的趴卧型枕垫产品。研究主要分为以下四个部分。第一部分对市场上的趴卧型枕垫产品进行调研,对消费者进行问卷调查。枕垫主观评价实验和人体数据采集实验对象是根据调研结果选择的中国18-25岁且BMI指数在18.5～23.9之间的61名女性。本文对主观评价实验结果进行数值分析得出:在使用电脑和手机环境下,人体身高和臂长与枕垫选择角度的相关性最强。实验者使用趴垫时不适感主要集中在胸腹部等位置。枕垫体压实验选择61名实验者中身高和臂长处于50分位的实验者进行,体压数据和该实验者的身材数据作为后续数值模拟的拟合数据和基础。第二部分对5款垫芯材料进行物理性能探究和压缩性能仿真。垫芯材料选择密度和性能不同的Ⅰ号海绵、Ⅱ号海绵、Ⅲ号海绵、记忆海绵和乳胶海绵。该部分在有限元软件中选择多款本构模型进行材料压缩仿真实验。仿真实验与物理实验的对比结果证明最适本构模型为低密度泡沫本构模型(Low density foam)。同时课题还研究了乳胶和记忆海绵材料的应力、厚度和形变量之间的数学模型为后续产品优化设计提供支持。第三部分建立三维人体模型并进行枕垫使用仿真分析。该部分同时探究了合适的人体组织和微元感应片的本构模型。枕垫使用仿真实验与体压实验的拟合结果证明了仿真的可行性。课题建立了手机与电脑环境下人体使用平板枕垫的仿真模型,并对仿真实验中人体表面应力、枕垫平面应力、最大应力、平均应力以及纵向分布曲线进行分析,结果显示最适枕垫材料为乳胶和记忆海绵。第四部分运用了3种设计方法设计了多款不同类型的乳胶和记忆海绵枕垫。第一种设计方法是根据平面枕垫的应力数据进行反向推导出枕垫表面形状。第二种设计方法是采用数字图像处理设计堆叠型枕垫。第三种设计方法是基于前两种方法进行表面简化设计。最后具有颈部支撑的优化枕垫产品是通过材料性能的数学模型求出颈部支撑尺寸而设计的。

关键词： 模压   衍射结构   有限元仿真   应力   填充  

摘要： 精密玻璃模压(Precision glass molding,PGM)是如今进行批量化加工高表面质量光学元件的一种重要技术。硫系玻璃衍射光学元件由于其体积小、重量低在军事、医疗、检测等领域被广泛应用。因此,使用玻璃模压技术生产硫系玻璃衍射光学元件是值得研究的。对于衍射光学元件的模压成型,衍射结构的填充和成型透镜的最大应力会影响衍射光学元件的面形精度。本文为了提高衍射光学元件的衍射效率,减小玻璃模压工艺中硫系玻璃衍射光学元件的面形偏差,研究了衍射结构填充和成型透镜最大应力对面形的影响。具体研究内容如下:本文首先对可作为模具和模芯的材料、可模压玻璃的种类进行详细分析,并对光学玻璃的材料性能及这些性能对模压工艺的影响进行介绍。重点分析了玻璃模压的基本理论,并对粘弹性理论展开讨论,分析各个模型的优缺点,以此为依据建立5对广义Maxwell模型作为仿真阶段的理论指导。其次对硫系玻璃衍射光学元件模压过程进行仿真分析。为了确定衍射结构的填充效果和最大应力的变化情况,确立以微晶铝RSA905为模芯、以硫系玻璃IG6为预制体建立局部衍射结构仿真模型进行分析,讨论了模压温度、模压速度、摩擦系数等工艺参数对成型透镜衍射结构填充和最大应力的影响。研究表明随着模压温度的增大,衍射结构填充没有明显变化,成型透镜最大应力先减小后增大;模压速度越小,衍射结构填充越完整,成型透镜最大应力越小;摩擦系数越大,衍射结构填充越完整,成型透镜最大应力越大。并以此仿真结果作为实验阶段的工艺参数指导。最后进行硫系玻璃衍射光学元件模压成型实验,得到满足成型透镜面形偏差小于0.5μm的最佳工艺参数。以红外硫系玻璃IG6为预制体、微晶铝RSA905为模芯的模压工艺实验结果表明当模压温度不变时,模压速度越小衍射面面形偏差越小;当模压速度恒定不变时,模压温度为230℃时成型透镜面形偏差最小。最佳工艺参数为模压温度230℃、模压速度0.01mm/s,在此工艺参数下面形偏差为0.3053μm,表面粗糙度Ra为2.92nm。并在此工艺参数下连续进行7组模压成型实验,随机抽检成型透镜,面形精度均符合要求,验证工艺参数的稳定性。

关键词： 高速连铸   冷却水缝   变速冷却结晶器   应力场   摩擦力  

摘要： 方坯无头轧制需要实现方坯连铸的超高速化,而超高拉速带来坯壳过薄和铜管易损现象。研究超高速方坯连铸结晶器内凝固传热、冷却结构以及结晶器内腔形状等,奠定方坯连铸的超高速化的理论和技术基础。 基于流固耦合、节点温度传递与接触算法,分别建立二维纵向铸坯-铜壁-冷却水流固耦合模型和三维铸坯传热-应力耦合模型,分析高拉速下结晶器水缝与铜壁之间传热及铸坯温度与应力状态。设计了多宽度水缝的冷却结构,提出了铜管圆角设计思路。研究结果如下: 在弯月面下40 mm处铜壁和冷却水温度达到最高值,随着拉速提高,铜壁与冷却水的温度不断上升。在拉速5.0 m/min时,铜壁和冷却水最高温度达到221.7℃和100.8℃,需要采用高压操作抑制水沸腾。冷却水速度对铜壁与冷却水温度场具有显著影响。在相同供水量下,水缝宽度由5 mm减小至3 mm,铜壁温度降低21.7℃。保持水缝不变,水速由10.3 m/s增大至13.0 m/s,铜壁温度下降10.4℃。 采用多宽度水缝,实现冷却水流速合理分布,设计了变速冷却结晶器。与均匀水缝时平均流速13.0 m/s相比,水缝出口流速上升到23.6 m/s。在拉速4.0 m/min时,铜壁热面最高温度下降18.6℃,冷却水最高温度下降18.8℃。铜壁温度均匀,减少铜壁的熔损与热变形。 提高拉速导致常规结晶器角部摩擦上升,铜壁磨损加剧。采用多圆角半径,优化结晶器铜管内腔角部形状。弯月面下400 mm处铜管圆角半径减小、角部气隙增大,降低了铸坯角部传热和摩擦。与常规结晶器相比,结晶器下部区域角部坯壳最大等效应力减小2.4 MPa,圆角区域铜壁与铸坯摩擦由989 k N降为0。 图46幅;表8个;参66篇。

关键词： 立式分子筛吸附器   应力分析   优化设计   寿命预估  

摘要： 立式分子筛吸附器作为吸附气体杂质的典型压力容器,在空气分离纯化系统中扮演重要角色。常见立式分子筛吸附器运行时承受高应力循环和热循环载荷,对结构强度提出了苛刻要求,所以对立式分子筛吸附器结构进行应力分析与优化设计尤为重要。本文利用ABAQUS和ANSYS Workbench有限元软件,对分子筛吸附器建立二维和三维模型,分析吸附器主要结构在吸附工况和再生工况下应力和热应力分布,同时对下封头接管和人孔兼卸料口接管两种典型开孔结构进行优化设计,最后对吸附器整体结构进行了寿命预估。 本文的主要研究内容包括: (1)利用有限元软件构建立式分子筛吸附器主要结构的力学模型,分析得到吸附器在吸附和再生工况下各主要结构的应力和热应力分布规律。结果发现,在吸附条件下应力集中主要发生在各结构的连接过渡区域,其中人孔兼卸料口接管应力集中最为显著;再生工况条件下热应力集中主要发生于结构内壁区域,其中筒体接管热应力集中最大。 (2)针对立式分子筛吸附器下封头开孔接管结构,选取封头壁厚、接管壁厚和封头曲面深度作为优化参数,利用ANSYS Workbench响应曲面多目标优化,结合遗传算法进行优化设计,优化后使得封头在满足强度条件下整体质量减轻近20%;针对吸附器人孔兼卸料口接管结构,以筒体壁厚、接管壁厚、筒体直径为优化设计变量进行优化设计,结果发现优化后接管整体质量明显减轻且最大应力减少10.8%;针对下封头裙座,通过修改裙座和封头的连接方式进行结构优化,结果发现修改后的裙座结构应力降低了10.5%。 (3)基于断裂力学理论,利用有限元模拟方法,分析了下封头接管、人孔兼卸料口接管、封头装料口接管在不含裂纹情况下疲劳寿命问题,结果发现立式分子筛吸附器在无裂纹情况下承受载荷循环次数为37003次,可安全使用16年;针对含裂纹情况的疲劳寿命问题,利用ABAQUS扩展有限元和Paris公式相结合,分析发现立式分子筛吸附器允许载荷循环次数为11978次,可使用年限为5.1年。

关键词： 热压缩   超音速冲击   应力分析   失效分析   有限元  

摘要： 金属粉末的热压缩成形和超音速冲击成形是制备合金的重要手段。经过对金属粉末热压缩（热等静压）制备的粉末高温合金具有更高的承温能力和力学性能。利用高速气体喷射将金属粉末以超音速撞击基材成形的制备方式能够有效减少氧化、不良相变等缺陷。然而,由粉末冶金工艺过程中的缺陷（碳化物、孔隙等）所引起的开裂缩窄了粉末镍基高温合金的加工窗口。同时,金属粉末超音速冲击过程中累积的残余应力容易引发涂层剥落、开裂等现象。因此,扩大粉末高温合金的热加工窗口以及减少超音速冲击成形过程中残余应力的产生显得尤为重要。本文利用有限元对金属粉末高温合金的热压缩变形和金属粉末颗粒的超音速冲击成形分别进行了数值模拟分析。对这两种工艺过程进行了应力分布、失效行为和残余应力演化分析,并与实验结果进行了可靠性比对。所得研究结果如下:（1）采用微力学Gurson-Tvergaard-Needleman（GTN）损伤模型对高温合金由孔洞引起的沿晶断裂进行了有限元分析。变形温度为1050-1150℃,应变速率为0.001-1 s-1。有限元结果与实验结果一致,裂纹在试件的外表面处开始萌生并扩展为纵向裂纹。失效是由应变控制的,临界失效应变对本实验应变速率几乎不敏感,但随温度的升高呈三阶多项式增长。结合等温热压缩实验,研究了粉末冶金（P/M）镍基高温合金的失效行为,并基于预测失效阈值构建了具有失效域的加工图。提出了高温合金热变形的优化加工窗口,以保证良好的热加工性能,同时避免流动失稳和失效。（2）以铜为材料体系,基于欧拉法进行了二维单粒子、三维单粒子和三维多粒子有限元模拟,并进行了钻孔测量,研究了残余应力的演化和分布规律。基于二维系统,严格考察了基本建模参数对残余应力的影响。结果表明,网格尺寸、基体尺寸和模拟时间对残余应力有影响,局部失效、材料损伤的影响可以忽略不计。此外,初始温度升高和塑性变形引起的热软化对有效降低残余应力起着至关重要的作用。（3）在三维单粒子模拟中,区域平均残余应力对贯穿深度厚度的分布表现为拉压过渡,与二维情况大体相似。另一方面,三维多颗粒模拟的涂层/基体残余应力均为压缩应力,这是由于颗粒广泛而连续的动力学冲击,与实验测量值接近。模拟压应力随涂层厚度的增加而降低,这是由于强烈的塑性变形引起的热软化增加。（4）在本研究中,以两种球形（P1:硬,P3:软）和一种角状（P2）钽粉为原料。制备了两种混合粉末（20 wt.%P2+P1,20 wt.%P3+P1）,结果表明:与其他两种球形粉末（P1、P3）相比,角型粉末P2具有较高的沉积效率,成本较低,是工业生产的首选。

关键词： 氮化铝陶瓷   工艺参数   温度场   应力场   激光热应力切割  

摘要： 氮化铝陶瓷因其热导率高、力学性能好、电化学性能优良等性能被认为是大功率器件最为理想的基板和封装材料。目前对氮化铝陶瓷的研究主要在它的流延成型技术以及烧结技术,对它的加工研究偏少,并且由于它本身的高脆性使得一般的加工方法无法满足高效率低成本的要求。基于以上背景,本文针对氮化铝陶瓷高脆性的特点利用激光热应力切割技术进行加工实验,这种加工技术以激光代替刀具,属于非接触加工,切割断面平整光滑,材料无污染无缺陷,并且在加工过程中只存在材料的分离,不存在材料的消融,提高了材料的利用率,满足实际生产中低成本高效率的要求。首先,利用有限元软件对氮化铝陶瓷进行建模,采用顺序热耦合的方法,将温度场作为载荷加载到应力场。通过仿真分析温度场以及所对应的应力场,得到温度场的温度分布以及对应的应力场应力分布都关于切割路径对称,验证了对氮化铝陶瓷进行直线对称切割的可行性;还得到各个节点的最高温度以及切割路径的最高温度都大体一致,验证了切割过程中各节点的最高温度不会因为热积累造成最高温度不同,为单因素的仿真分析打下了基础。其次,对激光功率、激光扫描速度和工件厚度这些参数进行单因素仿真,得到它们对温度场和应力场的影响规律:温度最大值与功率成正比例关系,功率越大温度梯度越大,造成较大的应力;激光速度与温度最大值大致成反比,速度越低温度梯度越大,造成较大的应力值;厚度越薄温度越高应力就越大;而断裂应力越大造成应力集中现象越明显,最后的切割质量也越差。然后,根据仿真得到的影响规律,搭建实验平台,通过对功率36W、42W、48W;速度4mm/s、5mm/s、6mm/s;试件厚度0.5mm、0.6mm、1mm设计一系列的单因素实验。通过对比金刚石刀具切割、激光熔化切割与热应力切割,并用光学显微镜和扫描电镜观察,可知热应力切割的切割断面更加平整光滑。最后,根据实验方案进行大量的单因素实验,通过扫描电镜对实验结果进行检测,并对断口成分进行分析,通过观察断面的形貌以及切缝的形貌,总结了激光功率、扫描速度、工件厚度对加工质量的影响:当激光输出功率增大,材料断面的粗糙度增大,断面的切割质量变差;而材料厚度和激光加工的速度增加,断面的波纹变小,材料断面的粗糙度变小,切割质量高,且切割过程中氮化铝陶瓷与氧气的反应对断面质量影响很小,将仿真的结论和实验的结论相对比,发现结论符合。综合仿真与实验的分析结果,为实际生产中切割参数的优化提供了生产指导。

关键词： 板带   卷取   有限元分析   应力分析   摩擦   附加接触变形  

摘要： 板带的卷取过程是一个非线性变形过程,其影响因素非常复杂。对于某一规格的带卷,存在一个使其稳定的内部应力范围,而带卷的内部应力一旦超出这个范围,宏观上就会表现出松卷、塔形、内凹等缺陷。因此,科学合理地研究在张力卷取过程中带卷内部应力的变化规律对提高板带质量和稳定生产具有重要意义。为了准确反映板带卷取过程中带卷的逐层应力变化和卷筒的受力情况,分析带卷缺陷产生的原因,有限元法无疑是目前最为理想的一种方法。然而,目前对于板带卷取的有限元研究大部分只是在卷取很少层数的条件下进行分析,而且这些研究通常都忽略了板带层间接触摩擦和附加接触变形对卷取过程的影响。为此,本文利用***软件对板带的卷取过程进行有限元建模并提出一种能够缩短计算时间的模型改进方法,同时研究板带层间接触摩擦和附加接触变形这两种重要层间接触特性对卷取过程的影响,为板带卷取提供了一套合理的有限元求解方案,为改进卷取工艺和提高产品质量提供新的研究方法。主要研究内容包括:首先,根据卷取设备及其工作原理对卷取工艺模型进行适当简化,结合二十辊轧机卷取机实际参数,合理建立板带卷取过程的有限元模型并对模型进行改进;然后,通过选择合适的摩擦模型和设定不同摩擦系数来建立考虑层间接触摩擦的卷取模型,分析在卷取过程中层间接触摩擦对带卷内部应力和卷筒受力的影响;最后,考虑在卷取过程中由于板带具有表面粗糙轮廓而引起的附加接触变形,通过叠片压缩实验确定附加接触变形的压力与压缩量关系,在此基础上建立考虑附加接触变形的卷取模型并分析其在卷取过程中对带卷内部应力和卷筒受力的影响。

关键词： 超高速方坯连铸   结晶器   坯壳   传热   摩擦   应力  

摘要： 超高速方坯连铸是钢铁冶金领域的前沿技术,其对提高经济效益、实现节能环保和匹配无头轧制工序具有重要意义。方坯连铸要实现超高速化,必须保证铸坯的质量及工艺顺行,这要求结晶器区的坯壳不存在漏钢和质量问题。相较于常规拉速连铸,超高速连铸下结晶器内钢液的冷却时间缩短,坯壳变薄,温度升高,由拉速引起的铸坯与结晶器内壁间的摩擦发生改变,产生裂纹和漏钢的风险增加。摩擦力是结晶器内坯壳受到的力学作用之一,其对铸坯的表面质量有重要影响,而以往的摩擦力研究基本没有涉及超高速方坯连铸,这阻碍了对坯壳应力进行准确的定量分析,从而难以评判铸坯可能出现的质量问题。摩擦力的计算依赖于传热模型,但目前有关超高速方坯连铸结晶器区传热的研究极少;同时,现有的坯壳应力应变模型多为二维,其无法考虑摩擦力对坯壳应力的影响。鉴于此,本论文首先建立了精确的结晶器区传热模型,计算获得了超高速(6.4m/min)方坯连铸结晶器内坯壳的温度分布;然后以此为基础,准确计算出坯壳表面的摩擦力;最终基于摩擦力,建立了三维的坯壳有限元应力应变模型,分析了坯壳的应力分布以及裂纹倾向。具体的研究结果如下:(1)建立了钢液、保护渣膜、结晶器铜管和冷却水为一体的方坯连铸结晶器传热数值模型,准确地计算出了超高速连铸下结晶器内坯壳的温度分布,从而为摩擦力研究提供关键数据。此外,也明确了拉速、结晶器有效长度和圆角半径对坯壳温度分布的影响。研究表明,超高速连铸下结晶器内坯壳表面非角部区域和角部区域的平均温度分别为1627 K和1547 K;结晶器出口处坯壳表面中心以及角部的温度分别为1608 K和1423 K;提高拉速将增加坯壳的表面温度,以及减薄厚度;增大结晶器圆角半径可以使坯壳角部的温度分布更均匀;增加结晶器有效长度将加强传热,使坯壳增厚。(2)结合温度结果,采用摩擦力计算模型确定了坯壳表面的液态和固态摩擦应力。研究表明,相较于常规拉速连铸,超高速连铸下坯壳表面将存在更多的液渣润滑区,这降低了总摩擦力。超高速连铸下,因结晶器振动速度的周期性变化,坯壳表面的总摩擦力在-363 N与1434 N之间波动;增大结晶器圆角半径可以显著减小坯壳角部的平均摩擦应力,当圆角半径由6 mm增至25 mm,坯壳角部的平均摩擦应力将由7720 Pa降至2728 Pa;增加结晶器有效长度会提高坯壳表面的摩擦应力,当结晶器有效长度从900 mm增加至1400 mm,坯壳表面的平均摩擦应力将由2558 Pa提升至4992 Pa,增长了约95%;提高结晶器的振幅或振频、保护渣的粘度或熔化温度均会不同程度上增大坯壳表面的摩擦力;相较于正弦振动,采用合适的非正弦振动能使坯壳表面的最大摩擦拉应力降低,摩擦压应力升高,效果更佳。(3)以坯壳的温度场和表面摩擦力为基本条件,建立了结晶器内坯壳的三维有限元应力应变模型,计算获得了超高速连铸下结晶器内坯壳的表面应力分布。此外,也研究了拉速、结晶器圆角半径和有效长度对坯壳表面应力的影响规律。结果表明,因摩擦力的周期性变化,超高速连铸过程中坯壳表面的最大应力在9.63～10.75 MPa的范围内波动,且坯壳上部最容易产生初始裂纹;增大拉速或结晶器角部半径均会降低坯壳的应力;增加结晶器有效长度则会提高坯壳的应力。本论文通过建立精确的结晶器区传热数值模型,准确地获得了超高速方坯连铸下结晶器内坯壳的温度和表面摩擦力;然后,建立考虑了摩擦力的三维坯壳有限元应力应变模型,定量获得了坯壳的应力分布,并进行裂纹分析。以上研究能为实现超高速方坯连铸提供重要参考。