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关键词： 功能梯度超导材料   应力分析   夹杂   裂纹   应力强度因子  

摘要： 超导材料自从被发现到现在已有一百余年的时间,被誉为“20世纪最伟大的科学发现之一”。超导材料在医疗、科技、军事等领域得到广泛应用,但超导材料在现有的技术条件下制备不可避免地存在裂纹、夹杂等缺陷;而在超导材料的基础上发展而来的功能梯度超导材料,具有较高的机械强度、抗热冲击能力、有效降低残余应力和耐高温等优点。为解决超导材料自身的局限性,将超导材料制备成功能梯度超导材料能够优化材料性能并扩充其应用范围。目前针对功能梯度超导材料力学问题的研究相对较少,特别是夹杂和裂纹问题鲜有关注,本文主要研究了夹杂和裂纹对功能梯度超导体力学性能的影响。首先,建立一个含有裂纹和夹杂物的柱状功能梯度超导模型,置于液氮环境中冷却,其功能梯度性质与超导体的弹性性质有关。在热荷载作用下研究功能梯度超导圆柱体力学性能的同时考虑了裂纹与夹杂的影响,利用解析法求解热传导方程,得到温度场的准确分布,发现温度在极短时间内快速下降。根据热弹性公式得到柱状功能梯度超导体非均匀分布的热应力,该非均匀分布的热应力由ABAQUS子程序UTRACLOAD模块进行定义。结果表明:低温使夹杂对裂纹扩展的抑制作用失效;径向热应力随着半径增加出现先增大后减小的变化趋势,环向热应力在圆柱体内部和边缘处方向相反;功能梯度参数变化不仅对热应力数值产生影响而且还会影响其变化趋势;靠近夹杂一侧应力强度因子明显低于另一侧。其次,基于上述模型,忽略裂纹对功能梯度超导体的影响,将热应力等效为体力,引入体积分数的概念,进一步研究夹杂对功能梯度超导体力学性能的影响。数值结果表明:温度升高会使功能梯度超导体径向位移、径向应变和环向应变增大;弹性夹杂阶段的径向应力的下降速率大于刚性夹杂阶段的下降速率;体积分数增加能促进夹杂径向位移增加但抑制基体径向位移增加;在夹杂与超导基体连接处,径向应变发生突变而环向应变在此处连续变化。最后,建立了一个含有夹杂和共线裂纹的功能梯度超导平板模型,在外加磁场作用下研究功能梯度超导体力学行为的同时考虑了共线裂纹与夹杂的影响。采用Bean模型来描述超导体的电磁行为,得到在磁场下降过程中超导体的磁通密度表达式,进行磁弹性分析,利用ABAQUS软件确定裂纹尖端的应力强度因子(SIF)。结果表明:裂纹尖端应力强度因子随着磁通粘滞流动速率增大而增大;夹杂对近端处裂纹尖端的应力强度因子具有更强的抑制作用;降场过程中应力强度因子呈现先增加后减小的变化趋势;裂纹长度、夹杂物半径、以及夹杂与裂纹之间的距离都对裂纹尖端的应力强度因子有着明显的影响。

关键词： 工程力学   创新能力   培养策略  

摘要： 这些年我国加大了教育改革力度，对工程力学教学质量的要求逐渐提高，要求教师在工程力学教学中，注重培养学生创新能力，改进传统教学模式，根据学生的学习情况制定针对性的教学措施，确保学生在自主学习中，能够有效培养自身的创新能力，提高工程力学教学质量。本文主要对工程力学教学中培养学生创新能力的策略进行探究。

关键词： 升船机   监测系统   平滑   应力分析   预测  

关键词： 高速钢轧辊   热处理工艺   数值模拟   ANSYS   应力  

摘要： 离心复合铸造高速钢轧辊具有良好的耐磨性和抗热裂性,是现代轧辊的重要产品之一。热处理是改善高速钢轧辊性能的重要手段,预热过程,差温加热冷却过程,回火过程等对高速钢轧辊工作层性能和辊芯性能都有显著的影响。因此,对高速钢轧辊的热处理过程进行模拟分析具有非常重要的意义。本文使用ANSYS数值模拟的方法,建立离心复合高速钢轧辊的三维模型,确定轧辊的热处理工艺参数、热物性参数、力学性能参数和换热系数。使用温度场和应力场间接耦合的方法模拟分析高速钢轧辊的预热过程、差温加热冷却过程和三次回火过程。在预热过程中,高速钢轧辊各部分温度变化趋势近似一致,与预热工艺相同,轧辊工作层与辊芯最大温差为56℃。在差温加热过程中,当炉温温度达到1120℃时。高速钢轧辊工作层表面温度已达到1031℃,当差温加热结束后,轧辊工作层温度整体已超过1000℃,达到工作层奥氏体转化温度,此时辊芯温度在960℃以下;在冷却过程中,高速钢轧辊应力峰值发生在吹风冷却结束时,轧辊切向应力为253MPa,轧辊的轴向应力达到379MPa。模拟研究差温加热过程中,保温温度与保温时间对高速钢轧辊工作层与加热深度的影响。通过优化热处理过程,将原工艺3次保温改为2次保温,保温温度分别采用1136℃和1070℃,能减小轧辊工作层的温差,同时能降低冷却过程中的热应力。高速钢轧辊工作层最大温差由原工艺的98℃减小至85℃,加热深度由原工艺的47mm增大至55mm,吹风冷却时,轧辊轴向应力也从379MPa降低至306MPa。

关键词： 正畸   牙槽骨厚度   三维有限元   应力分析  

摘要： 目的:通过建立三种不同牙槽骨厚度的三维有限元模型,模拟研究在一定正畸力作用下,上颌中切牙在唇舌向、远中向、压低、伸长五种临床常见移动方式下,牙齿、牙周膜、牙槽骨的应力分布、位移趋势等规律,对比不同牙槽骨厚度对正畸牙移动的影响,以期为临床实践提供指导。方法:1、利用锥形束CT(CBCT)测量了大量口腔门诊患者上颌中切牙的形态及牙槽骨厚度,选择上颌中切牙牙根长度和形态相似度高,而牙槽骨厚度不同的三名志愿者。2、通过Mimics、Geomagic等软件,建立包括牙齿-牙槽骨的三维模型,将以上数据以IGES格式导入UG NX有限元软件,通过抽壳指令建立牙周膜三维模型并在已建成的三维有限元模型上,模拟正畸临床在牙冠中心点装配托槽,建立3个包含托槽的正畸三维有限元模型,分别命名为模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ。3、模拟正畸临床分别给模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ的上颌中切牙加载100 g水平向远中、唇向、舌向以及50 g垂直向伸长及压低的载荷,对比分析三组模型在五种加力系统下的牙齿、牙周膜及牙槽骨的应力分布、牙齿的初始位移及位移趋势。结果:1、建立了上颌中切牙牙齿形态相似度高,牙槽骨颈部厚度分别为6.00mm、7.50 mm、9.00 mm的三个正畸三维有限元模型。2、在上颌中切牙远中水平向施加100g载荷时,模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ的牙齿、牙周膜、牙槽骨的Von Mises应力分布和最大主应力分布显示最大应力值分布于远中牙槽嵴顶;随着牙槽骨厚度增大,牙齿、牙周膜、牙槽骨的最大应力值逐渐减小,应力集中区逐渐减小;位移趋势显示,正畸牙为远中倾斜移动伴少量舌向及冠向移动趋势;随着牙槽骨厚度增加,观察点的初始位移量逐渐增加。3、在上颌中切牙唇向水平向施加100g载荷时,模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ的牙齿、牙周膜、牙槽骨的Von Mises应力分布和最大主应力分布显示最大应力集中于唇侧牙槽嵴顶和舌侧根尖区。随着牙槽骨厚度增大,牙、牙周膜及牙槽骨的最大应力值呈减小趋势;牙齿观察点的初始位移趋势为牙齿呈现唇向倾斜移动伴少量远中和压低趋势;随着牙槽骨厚度增加,观察点的初始位移量逐渐增加。4、在上颌中切牙舌向水平向施加100g载荷时,模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ的牙齿、牙周膜、牙槽骨的Von Mises应力分布和最大主应力分布显示最大应力集中于舌侧牙槽嵴顶和唇侧根尖区。随着牙槽骨厚度增加,牙齿、牙周膜、牙槽骨的最大应力值呈减小趋势;牙齿观察点的初始位移趋势呈现牙齿舌向倾斜移动伴少量近中移动和伸长趋势;随着牙槽骨厚度增加,牙齿观察点的初始位移量逐渐增加。5、对上颌中切牙垂直向施加50 g伸长载荷时,模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ的牙齿、牙周膜、牙槽骨的Von Mises应力分布显示应力集中于舌侧牙槽嵴顶和根尖区。应力分布趋势为随着牙槽骨厚度增加,牙齿、牙周膜、牙槽骨的最大应力值逐渐减小;牙齿位移趋势为伸长移动伴少量舌向和近中倾斜趋势;随着牙槽骨厚度增加,牙齿观察点的初始位移量逐渐增加。6、对上颌中切牙垂直向施加50 g压低载荷时,模型Ⅰ、模型Ⅱ、模型Ⅲ的牙齿、牙周膜、牙槽骨的Von Mises应力分布显示应力集中于唇侧牙槽嵴顶和根尖区。应力分布趋势为随着牙槽骨厚度增加,牙齿、牙周膜、牙槽骨的最大应力值逐渐减小,应力集中区逐渐减小;牙齿位移趋势呈现压低移动伴少量唇向和远中倾斜趋势;随着牙槽骨厚度增加,牙齿观察点的初始位移量为逐渐增加。结论:1、牙齿在正畸力作用下远中向、唇舌向、伸长及压低移动时,牙齿、牙周膜的最大应力集中在牙颈部和根尖部,牙槽骨最大应力值分布于牙槽嵴顶,这进一步揭示了正畸临床牙根、牙槽骨吸收多集中在这些部位的原因。2、牙槽骨越厚,牙齿、牙周膜、牙槽骨的最大应力值越小;牙槽骨越薄,牙齿、牙周膜、牙槽骨的应力值越大,应力越集中,所以,在正畸临床,骨开窗、骨开裂和牙根吸收等不良反应多发生在牙槽骨厚度较薄的患者。3、从牙齿初始位移量和位移趋势来看,牙槽骨越厚,初始位移量越大,牙齿越容易移动;牙槽骨越薄,初始位移量越小,牙齿移动越困难。4、随着CBCT的普及,在正畸治疗前,对牙槽骨的厚度进行评估,具有重要的临床意义。

关键词： PDMS   汽水换热站   CAESAR   三维设计   应力分析  

摘要： 汽水换热站作为较复杂的供热工程典型站场,在设计过程中需要多专业密切协同和充分沟通,才能实现各系统之间的适配,保证设计质量。而传统的汽水换热站二维设计方法存在管道设备易碰撞冲突、各专业无法实时协同设计、绘图和修改较为繁琐等缺点,亟待改进。基于此,本文结合华中地区某汽水换热站的工程设计经验,介绍了利用PDMS和CAESARⅡ软件对汽水换热站进行三维正向设计的方法。这种设计方法对于供热工程领域较复杂的站场来说,可以提高设计的质量和效率,为项目的建设施工和运行维护带来便利,具有较高的应用价值。

关键词： 颗粒流   截齿   力链   应力   裂纹  

摘要： 截齿破岩过程中截齿与煤岩之间相互作用会产生复杂变化,了解截齿的截割性能和煤岩的破碎过程至关重要。在矿用掘进机械和采煤机械的滚筒上,截齿截割性能的优劣直接影响着企业的生产成本。在截齿的作用下,颗粒间高强度的应力集中一方面可以增加煤岩产率,另一方面也存在安全隐患问题。因此,基于颗粒力学方法进一步分析煤岩颗粒裂纹、力链和应力的变化规律,以细观力链为纽带建立了煤岩在微观-细观-宏观之间的联系,进一步研究煤岩物质的力学性能,对煤岩高效、安全生产有着重要的意义。本文首先分析了颗粒细观参数对岩石物质宏观性能影响的一般规律,运用颗粒流PFC2D软件对岩石物质进行了直接拉伸和单轴压缩试验,获得了能够反映岩石宏观形变的细观参数,基于CAD软件中建立镐形截齿的二维模型,并将其导入PFC2D软件中建立截齿破岩模型,在截割角度为44°、48°、52°和截割深度为2 mm、3 mm、4 mm的条件下进行了动力学仿真;其次,分析了在岩石破碎过程中截割参数对岩石颗粒细观力链的影响,其中包括力链的长度、数目、方向等,运用测量圆的方法分析了岩石内应力的变化;再次,分析了岩石破碎的机理,探索了在不同截割参数下岩石裂纹的变化规律;最后,分析了在不同截割参数下截割载荷的变化以截割性能的变化规律。本文得到的主要研究结论如下:(1)在较小的截割角度和较大的截割深度下力链长度优先达到最大值;随着截割角度的减小,岩石颗粒间会产生较小的接触力,有利于力链的形成;随着截割角度的减小和截割深度的增加,力链数目呈对数形式逐渐增大;在截割过程中,力链平均接触力的方向滞后于截割角度的方向,力链法向平均接触力方向分布为花生状,切向平均接触力方向分布为花瓣状。综合考虑,在截割过程中选取较小的截割角度和较打的截割深度,有利于力链的形成和扩展,可以保证煤岩的安全生产。(2)较大的拉应力和剪应力会破坏颗粒间的接触状态,进而形成裂纹,拉应力和剪应力越大,产生的裂纹数量越多,通过记录裂纹的数量,发现拉裂纹的数目是剪裂纹数目的7倍左右。随着截割角度和截割深度的增加,裂纹的数目也会逐渐增加,截齿对岩石的破坏作用越强,其中剪破坏的占比会逐渐增大。因此,增大截割角度和截割深度有利于裂纹的产生。(3)通过分析在不同截割参数下截割载荷的变化,研究发现,截割切向力和截割法向力呈跃进式变化;随着截割角度的减小和截割深度的增大,平均切向力和法向力非线性增大;通过分析在不同截割参数下产率(PR)、脉冲数(PN)、比能耗(SE)、波动指数(FI)的变化规律,并对其进行归一化处理,研究发现,在截割角度为52°、截割深度为3 mm时,截齿的综合截割性能最佳。

关键词： 核聚变   分子动力学   钨   氦泡   融合   生长机理   应力场  

摘要： 在托卡马克聚变装置中,钨会受到低能高束流的氦等离子体冲刷,导致钨材料表面形成绒毛状纳米结构或针孔状表面损伤。目前普遍认为,氦致表面损伤的形成与钨表面下氦泡的演化行为密切相关。氦泡的生长与融合是钨中氦泡演化行为的重要环节。因此,研究钨中氦泡的生长和融合机理对于钨在聚变服役条件下的长时间性能预测具有重要意义。 本文采用分子动力学(MD)模拟方法,研究了高压氦泡在钨中生长的动力学机理以及氦泡在钨中的融合条件,主要工作如下: (1)研究了游离氦原子在应力场中的扩散规律,具体包括氦在单轴应变中的扩散以及氦在应变梯度中的扩散。研究发现,单轴应变导致氦原子的扩散表现出明显的方向依赖性,其中应变的性质(压缩或拉伸)、应变的大小以及温度是主要影响因素。应变梯度会导致氦原子在扩散时沿着应变梯度的方向发生定向漂移,氦原子定向漂移的强度可以用爱因斯坦关系来定量描述。据此,本文提出了高压氦泡在钨中生长的动力学机理:高压氦泡附近的应力场中存在明显的单轴应变和应变梯度,这会显著影响附近游离氦原子的扩散行为。本文研究结果也验证了高压氦泡附近的应力场能够显著增强游离氦原子向氦泡扩散的概率。 (2)系统研究了氦泡在钨中的排列方向、温度、氦泡的氦空位比(He/V)值、氦泡的初始间距这四个因素对氦泡融合的影响。总的来说,氦泡沿钨的<100>方向排列比沿<111>方向排列更易发生融合;高温、高氦空位比以及较小的初始间距均可促进氦泡融合。

关键词： 等离子-MIG复合焊   相位控制   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 旁轴式等离子-MIG复合焊是将等离子弧与MIG电弧两种不同形式的热源结合在一起的一种新型高效的复合焊接工艺,该工艺结合了等离子弧焊能量密度高、熔深大和MIG焊熔覆效率高的优点,同时弥补了等离子弧焊焊缝成型不好、熔覆效率低和MIG焊熔深较浅的不足,在工业制造中具有良好的应用前景。本文搭建了等离子-MIG复合焊试验平台,包括以一体式复合焊枪、焊接电源、水冷系统以及工件行走机构为主的焊接系统;构建了负责采集焊接过程电流、电压和测量焊件热循环曲线的数据采集系统;建立了PLC过程控制系统。为降低直流等离子-MIG复合焊两电弧之间的电磁干扰,基于Lab VIEW软件及NI数据采集卡AO输出功能搭建了等离子-MIG复合焊脉冲相位控制系统,将此控制系统接入两台恒流焊机模拟接口,通过调整控制系统两路脉冲相位波形输出,即可实现两台焊机电流相位由0-180°范围内可调,最后经工艺试验并采集实际焊接过程电流输出波形验证了脉冲相位控制系统的可靠性。为研究等离子电流大小对复合焊熔池形貌及残余应力的影响,利用ABAQU S有限元分析软件建立等离子-MIG复合焊实体模型,导入Q235低碳钢热物理性能及力学性能参数,结合Fortran语言对热源模型二次开发设计出适用于复合焊的两种组合式体积热源模型,对比相同工艺参数的试验条件下的熔池形状进行热源校核,得到最可靠的数值模拟热源参数。设计四种不同等离子电流的工艺参数进行等离子-MIG复合焊温度场、应力场数值模拟,分别对比四组模拟结果所得热循环曲线、熔池形貌、温度梯度以及焊后残余应力,由对比结果发现,随等离子电流增加热循环曲线两热源之间峰值温差增大;焊缝熔深增加较为明显;沿焊接方向纵向残余应力单MIG焊高应力区间明显多于复合焊,且随等离子电流增加高应力区间减小。

关键词： 飞轮储能   飞轮转子   应力分析   模态分析   功率平滑  

摘要： 近年来,节能减排成为了越来越多国家与地区的共识,“碳达峰”与“碳中和”已经成为全球各国努力实现的目标。为了实现我国的“双碳战略”,必须更有效地利用可再生能源,因此储能系统至关重要。飞轮储能由于其响应快、寿命长、无污染、功率密度大等特点,特别适合于用于平滑风力发电的输出功率。飞轮转子作为飞轮储能系统中最核心的部分,决定了飞轮储能系统的储能量与储能密度,飞轮储能系统运行安全稳定与否,也与飞轮转子有着不可分割的联系。本文基于飞轮应力的理论计算原理和有限元计算的原理,利用Solidworks软件建立两种不同结构的飞轮转子模型,并将飞轮转子模型导入到Ansys软件中,计算其应力与变形状态。通过改变飞轮转子轮缘部分的高度,分析轮缘高度对飞轮转子的应力与变形的影响。研究表明,增大轮缘高度会使两种飞轮转子的应力与变形量都增大,但轮缘高度增大到一定大小后飞轮应力值将不再增大,在变形允许的范围内,可通过增大轮缘高度来提高飞轮的转动惯量。通过抬高飞轮转子轴孔边缘的高度和增加支撑轮缘的斜角角度,研究两种飞轮改良方式对飞轮应力、变形和临界转速的影响。研究表明,抬高飞轮转子轴孔边缘的高度能有效地降低飞轮应力值,同时提高飞轮的临界转速;增加支撑轮缘的斜角角度能小幅增大飞轮转动惯量,但飞轮应力值会小幅上升,且飞轮的临界转速没有得到很好的改良。因此,相较而言通过抬高飞轮转子轴孔边缘的高度对于飞轮结构的优化更为有效。基于自然风的变化情况和风机发电原理,在simulink软件中搭建风力发电模型。通过研究飞轮储能系统输出平滑风电功率的控制方法,搭建了飞轮储能系统模型并仿真。结果表明,飞轮储能能够有效地平滑风机的输出功率,更有利于新能源的利用。