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关键词： 吊车梁   裂纹   三维模型   有限元分析   应力   等截面梁  

摘要： 针对某炼钢厂厂房大梁支座插板端部出现裂纹问题，建立三维空间梁模型，采用三维非线性有限元进行分析，考虑实际变形与加载工况，分析开裂原因，并对大梁结构改进方案进行变形与应力分析。

关键词： 35CrMo钢   电子束表面淬火   温度场   应力场   硬化层   耐磨性  

摘要： 35CrMo钢强度高,淬透性及韧性较好,常用于制造各种大型机械设备的零部件,在制造业中应用广泛。然而,35CrMo钢的硬度和耐磨性还相对较低,不能完全满足特殊工况条件以及使用寿命的要求。对比常规热处理,近年来迅速发展的电子束表面淬火技术具有能量利用率高及加工精度高等优点,能够显著改善材料表面的各项性能。本文以35CrMo钢为研究对象,基于传热学及有限元方法等理论,通过ANSYS有限元分析软件建立了35CrMo钢电子束表面淬火的数学物理模型,研究了温度场的分布规律及其在不同参数下的变化情况。结合温度场求解结果,采用耦合的方法进行了应力场的模拟,探究了残余应力的分布规律及影响残余应力大小的主要因素。根据仿真的结果进行了电子束表面淬火实验,对实验后试块的表面形貌、显微组织及表面性能进行观测,并与仿真模拟的结果进行了对比分析。模拟及实验结果表明:电子束表面淬火是一个快冷快热的过程,扫描区域各点的温度变化趋势基本一致。当电子束束流、扫描速度和束斑直径大小分别为23m A、1000mm/min和6mm时,模拟结果较为理想。以该组实验参数进行模拟时,加热阶段温度稳定于1305℃左右,表面最高冷却速度可达0.9×10～4℃/s。表面峰值温度及温度梯度与电子束束流成正相关关系,而与扫描速度和束斑直径成负相关关系。冷却后的残余拉应力和残余压应力均满足σSX>σSZ>σSY,距电子束束斑中心越近的位置Von Mises等效残余应力越大,最大值为572Mpa,符合第四强度理论,冷却速率是影响残余应力分布及其数值大小的重要因素。经电子束表面淬火后,35CrMo钢试样截面可分为硬化层、过渡层和基体三个区域,硬化层和过渡层的晶粒均得到了不同程度的细化,其平均显微硬度也分别达到了730.5HV和522.9HV,明显高于基体硬度。试块在电子束表面淬火前后的摩擦磨损失重分别为1.1mg和0.3mg,表明电子束表面淬火处理后试块的耐磨性也得到了较大提升。电子束工艺参数对硬化层的影响规律与对温度场的影响规律一致,二者相互验证,证明了数值模拟的正确性和合理性。

关键词： 氢燃料电池   工艺流程   结构设计   数值模拟   应力分析  

摘要： 随着我国“碳达峰、碳中和”目标的提出,脱碳加氢和清洁高效成为未来能源发展的趋势。氢能作为重要的工业原料和能源载体,满足未来能源发展的要求,是当前最理想的清洁能源。随着氢能下游产业的迅速发展,高纯氢的用量也越来越大。焦炉煤气副产氢规模大、成本低、杂质种类多。如果可以提纯至燃料电池用氢的标准,将大大降低氢气的成本,对我国交通行业的脱碳减排有重要的意义。本文结合焦炉煤气变压吸附制氢工艺,在氢燃料电池用氢标准的背景下,探究了煤化工副产氢精制燃料电池用氢在工业上的可行性。针对煤化工副产氢规模大、有机物含量多的特点,制定了变压吸附加终端定向脱除的总体方案。设计了6-1-2变压吸附工艺流程及时序,对定向脱除进行工艺计算及工艺流程设计。针对硫化物的脱除,用Aspen adsorption软件在传质系数分别为:100s-1、1s-1、0.01s-1下和操作压力分别为:10bar、20bar、30bar条件对吸附过程进行模拟。结果显示,在传质系数为1s-1和压力为30bar条件下吸附效果最佳,为吸附剂的选型提供了理论依据。在最佳条件下,对吸附过程进行模拟,结果显示,500天内出口气一直达标,验证了工艺的可行性。对需要耐高温、高压的塔设备进行传统的理论计算,确定了基本尺寸和结构。对内置加热器进行理论计算和选型。用Ansys软件对设计的塔设备进行应力校核,验证了塔设备结构的合理性。借助Fluent软件对脱硫塔内部流程进行模拟,着重分析了填料层的速度、压力以及温度分布,验证了工艺条件以及加热器选型的合理性。本文设计了PSA加终端纯化的流程,用数值模拟软件对吸附过程和塔设备进行模拟分析,为煤化工副产氢提纯燃料电池用氢成套技术研究提供了理论依据。

关键词： 管道   冻胀   应力   地热系统   换热   土壤温度  

摘要： 近年来我国的输气管网发展十分迅速,管道输送是我国能源输送最普遍有效的方式。在长期的运输过程中,难免会出现各种各样的问题和风险,导致管道破损泄露,危害运行安全。管道冻胀就是其中一个原因。输气管道输送至用户端时,需要经过输气站进行调压节流,节流后管道内气体的温度降低,从而导致埋地段管道周围土壤温度降低,当土壤温度降低至0℃以下时,土壤发生冻胀,体积膨胀,埋地管道便会产生位移,从而导致埋地管道应力增大,当应力增大到一定限度时,便会出现管道变形的现象,危害管道运行安全。本文分析了不同节流压降下的管道冻胀量以及由于冻胀位移引起的管道应力。以往的工程中,常使用加热法、保温法、土壤置换法解决管道冻胀问题,这些方法存在一定的弊端,如浪费大量电能或不能一次性解决问题,从而增加运营的成本。本论文创新性地提出了利用地热能解决管道冻胀问题的方案,基于此方案进行模拟分析,确定设计的地热系统的工作情况,并分析影响换热效率的因素,对地热方案作出优化。具体的研究内容和成果如下:（1）计算1MPa到6MPa节流压降后的管道气体温度,模拟土壤的温度场,计算土壤的温度梯度,再计算管道冻胀量,分析得出节流压降与管道冻胀量之间存在正比关系,节流量越大,管道冻胀量越大。（2）建立管道模型,通过ANASYS软件的APDL语言将冻胀位移载荷加于埋地段管道,模拟得出不同冻胀量下的管道应力,分析得出在超过管道屈服应力之前节流压降越大,管道最大应力越大。（3）设计地热系统方案,可实现循环利用。并估算地热系统可提供的热量以及解决管道冻胀问题所需的热量,保证设计的地热系统方案的可行性。（4）根据设计的地热系统方案,使用ANASYS Fluent进行模拟,根据模拟得出的温度云图以及计算得出的土壤中最低温度可发现,设计的地热系统方案可保证运行过程中土壤温度大于0℃,即避免了由于管道节流后温度降低发生土壤冻胀的情况。（5）应用ANASYS Fluent模拟分析不同设计参数下,螺旋管换热器的换热效率。分析发现影响埋地螺旋管换热器的因素有螺旋换热器圈数、入口温度以及入口速度,根据此分析对地热系统做出优化,提高换热效率以适应更为严苛的设计工况。

关键词： 超导薄板   临界态模型   非均匀临界电流密度   磁通钉扎力   应力  

摘要： 高温超导材料因具有较高的载流能力、较高的临界转变温度、较低的交流损耗、较大的临界电流密度等特点而广泛应用于超导电机、超导磁轴承、超导变压器、超导量子干涉仪、超导限流器、超导储能系统、超导电缆及超导磁分离系统等领域。因其俘获磁通线的特性产生的磁通钉扎力是高温超导体在实际应用中不可小觑的影响因素。因此,对电磁场作用下高温超导体的物理与力学特性研究已成为超导科学技术应用中的一个热点问题。然而,越来越多的研究发现,高温超导材料内部的临界电流密度是非均匀分布的,且临界电流密度的非均匀分布效应能够降低磁通跳跃场,加剧高温超导体中的磁通跳跃不稳定性,并且对传输交流损耗也有显著的影响。因此,本文开展了临界电流密度非均匀分布的超导薄板的电磁特性和力学特性分析。首先,结合已有的研究确定了高温超导薄板内的临界电流密度的分布方式。分析了承载电流作用下超导薄板内部的电磁力学特性。考虑临界电流密度在薄板的宽度方向上的分布不均匀,基于超导临界态Bean模型,得出了超导薄板的感应磁场、电流和磁通钉扎力分布,结合平面应力法,推导得出了超导薄板内应力及磁致伸缩解析表达式。并与临界电流密度均匀分布的结果相比较发现,临界电流密度非均匀分布时,非均匀参数对超导薄板内的应力变化趋势没有明显影响,但对应力及磁致伸缩两者的大小和极值出现位置影响显著。随着非均匀参数的增大,磁通穿透深度逐渐移向薄板中心位置处,最大压应力增大并向超导薄板中心移动,磁致伸缩极值明显增大且逐渐向薄板中心位置处移动。这些因素均会对超导结构内的电学及力学性能造成影响,使其在实际应用中的安全可靠性不能得到保障。其次,分析了临界电流密度非均匀分布的超导薄板在外加磁场刺激下,超导薄板的电磁力学特性。基于临界态Bean模型,通过理论计算,得出矩形薄板在外加磁场情形下,其内部电流、磁场以及磁通钉扎力分布的解析表达式,同时借助弹性力学平面应力方法,计算了超导薄板内的应力。在此基础上研究了临界电流密度对其电磁力学特性的影响,数值模拟结果显示,受外加垂直磁场的超导薄板中,临界电流密度非均匀分布导致磁通穿透深度逐渐向薄板中心移动,板边缘的拉力、拉应力随非均匀参数k值的增大逐渐减小,并向板中心移动,同时,板内部靠近板中心处的压力、压应力增大,且随非均匀参数k值的增大向板中心移动。

关键词： 激光选区熔化   数值模拟   温度场   应力场   翘曲形变  

摘要： 激光增材制造是一项先进制造技术,相较于传统增材制造手段,能够实现对多孔、曲面腔等复杂结构零件的快速、致密成形。激光增材制造过程中多道多层的循环加热会导致成形件温度分布不均匀,从而导致成形件内形成较大热应力。常规测量手段难以准确测得成形过程中成形件的温度场及热应力场的变化数据,因此本文以激光选区熔化增材技术为研究对象,基于有限元软件ANSYS Workbench建立了激光选区熔化成形过程的数值模型,并结合APDL(ANSYS Parametric Design Language)编程语言和“生死单元”技术实现了成形过程移动热源和粉末模型的添加,同时考虑了不同温度下材料物性参数的变化和相变潜热的影响,实现了激光选区熔化成形过程热力场的分析。本文采用实验与数值模拟相结合的方式,建立了激光选区熔化热力场的数值模型,并对数值模拟结果进行了验证,主要研究内容及结论如下: (1)开展了316L不锈钢的激光选区熔化单道单层熔覆实验,通过温度在线监测和金相观察设备,获得了不同扫描速度熔覆过程熔池的最高温度及宽度;基于数值模型实现了单道单层熔覆过程的温度场模拟,将数值模拟结果与实验结果对比,证明了数值模型的准确性。 (2)基于数值模型分析了不同工艺参数激光选区熔化多道多层成形过程的热力场变化。随着成形层数的增加,不同层中心点的熔池最高温度逐渐升高,但温升速率、冷却速率、最大热应力逐渐降低;当激光参数相同,成形结束时单向扫描方式的平均温度略低于双向扫描方式,但单向扫描方式的残余应力更大;当扫描方式和激光功率相同,激光扫描速度越高,成形结束时成形件平均温度越低,熔池最高温度越低,最大热应力越低以及成形结束后最大等效残余应力和变形越小,但是相同关键点的升温速率和冷却速率越高。 (3)按照数值模拟中设置的扫描路径及工艺参数制备了316L不锈钢成形件;测量了翘曲形变,并与数值模拟结果相比较,验证了模型的准确性;测量了不同扫描速度成形件的硬度、屈服强度及抗拉强度,根据热-力场数值模拟结果可知:成形过程的热应力和残余应力均小于成形件的屈服强度,激光扫描速度越快,熔池的冷却速率越高,使得激光选区熔化成形过程中由于匙孔塌陷产生的气泡更容易残留在成形件内部,成形件孔隙率升高,进而导致成形件屈服强度及抗拉强度降低。

关键词： 透明聚酰亚胺   电子辐照   应力   耦合作用   光学性能  

摘要： 聚酰亚胺材料（Polyimide,PI）凭借优异的性能,在航空航天领域的应用范围不断拓展,其中无色透明聚酰亚胺已成为太空光学成像系统、太阳帆、柔性太阳能电池等部件的重要候选材料。航天器在太空服役过程中,不仅会面临电子、质子、离子等高能粒子的轰击和侵蚀,还会受到冷热循环、结构支撑及太空碎片冲击等产生的应力作用,在这些因素的复合作用下,材料的结构会发生降解损伤,导致器件性能的下降和寿命的缩短,带来潜在的风险隐患。因此,制备性能优良的透明抗辐射聚酰亚胺,并研究其在太空粒子辐照和应力耦合下的损伤行为,具有十分重要的研究价值,也为透明聚酰亚胺在太空复杂环境中的辐射损伤预测提供了理论和数据支持。本文将离子液体以物理掺杂的方式引入体系,制备了三种综合性能优异的柔性透明聚酰亚胺薄膜,并研究了这三种PI在不同应力与电子辐照耦合状态下的结构与性能变化规律,具体的研究内容如下:首先,本文通过均聚和共聚的方式,分别将三氟甲基、醚键、脂环等结构引入分子链,并探索制备了一系列不同离子液体掺杂体系的PI薄膜,通过对其光学和机械性能的测试,筛选出三种综合性能优异的PI薄膜(PI6FDA-TFMB、PI6FDA-FAPB和PICBDA,6FDA-6FODA)。这三种PI薄膜在600 nm处的透射率均高于90.8%,抗拉强度均高于60 MPa。其次,本文应用紫外可见光谱仪、电子万能试验机、热重分析仪、扫描式电子显微镜测试了不同应力与电子辐照耦合状态下三种PI的性能变化,研究结果表明:在单一电子辐照作用以及应力与电子辐照耦合作用下三种PI的光学、机械、热学性能都会出现不同程度的下降。其中PICBDA,6FDA-6FODA在耦合作用下的综合性能表现较优:在5×1015cm-2注量的单一电子辐照下,其600 nm处的透射率下降率仅为2.2%,在15%初始应变与5×1015 cm-2注量电子辐照的耦合下,其600 nm处的透射率下降率仅为2.3%;在5×1015cm-2注量的电子辐照下拉伸强度仅下降了10.3%,5%热失重温度仅下降了9.41%,且应力的耦合作用也没有使其热稳定性的损伤进一步加剧。最后,本文应用傅里叶红外光谱仪、X射线元素分析仪、X射线衍射仪对不同应力与电子辐照耦合状态下三种PI的结构进行了表征,研究结果表明:电子辐照作用会造成PI酰亚胺环的开环和断键,其中C-N键的断裂更容易发生,且拉应力的耦合作用一般会加剧酰亚胺环的断裂。在电子辐照的作用下,C自由基的交联会使PI内部C-C键的含量增加;当辐照注量较低时,拉应力的耦合作用会在一定程度上促进C-C键的交联,而当辐照注量较高时,C-C键的断裂效应则会占据主导,造成C-C键含量的降低。其中PI6FDA-TFMB在5×1015 cm-2注量的电子辐照下C-C键断裂程度较大,相对来说,PICBDA,6FDA-6FODA和PI6FDA-FAPB的C-C键含量变化幅度较小。

关键词： GaN   应力场   应变率效应   损伤机制  

摘要： 氮化镓(GaN)晶体是第三代新型半导体材料,与第一代、第二代半导体材料相比,具有禁带宽度大、导热率高、耐辐射、击穿电压高以及化学性质稳定等优点,但由于自身高硬度、高脆性和低断裂韧性成为典型的难加工材料。目前常用的加工方式主要是研磨和抛光,去除效率很低。因此研究高效、高表面质量的GaN超精密去除机理具有重要意义。本文基于冲击刻划GaN晶体仿真与实验,研究了高应变率条件下GaN晶体表面/亚表面损伤机制。首先,进行了GaN晶体冲击刻划分子动力学仿真。分析了不同刻划深度工件表面和亚表面损伤机制,明确了GaN晶体亚表面塑性变形主要是由亚稳态立方闪锌矿结构纳米晶和位错组成。进行了不同应变率GaN晶体冲击刻划分子动力学仿真,发现随着应变率的增大,材料切向力、法向力以及应力均增大,进而导致GaN晶体表面原子位移量增大,亚表面位错密度增大。其次,建立了GaN晶体刻划诱导的应力场理论模型。考虑各向异性对材料力学性能参数的影响,结合齐次Christoffel方程和胡克定律得到了弹性应力场理论模型,利用Blister膨胀腔模型建立了残余应力场模型,二者叠加为总应力场。根据位错滑移模型和能量守恒定律,得到了应力与激发进一步产生位错所需能量的关系,并由此求解了GaN晶体刻划诱导的塑性变形区边界范围。为定量描述塑性变形区提供建模思路,有助于精确探讨亚表面裂纹系统初始扩展位置。最后,开展了GaN晶体冲击刻划实验,发现工件表面依次经历塑性去除、有裂纹的脆性去除和有块状崩除的脆性去除。亚表面塑性变形区近似呈半圆分布,在塑性变形区边缘分布着大量位错,验证了塑性变形区模型。进行了不同应变率冲击刻划实验。随着应变率的增加,GaN晶体表面脆塑转变临界深度减小,脆塑转变临界载荷增大。降低应变率,可以有效提高塑性去除比例。从微观尺度分析材料表面/亚表面损伤机制,明确了应变率效应对GaN晶体表面/亚表面损伤机制的影响。

关键词： 复合材料海洋立管   涡激振动   减振装置   应力分析  

摘要： 近年来随着海洋产业逐渐走向深海,油气开发的海洋深度也变得越来越大。海洋立管是海洋石油开发平台的重要组成部分,也是平台结构的薄弱环节。复合材料立管由于承载力高,寿命长,可设计性强而得到广泛应用。然而立管在海洋流场下由涡激振动导致的立管和平台结构的疲劳及破坏问题也更加严峻,涡激振动的抑制问题也更为重要。因此探究复合材料立管在不同流场下的涡激振动响应问题、涡激振动抑制问题以及复合材料立管承载能力的影响因素问题具有重要的工程意义和理论价值。本文基于ANSYS Workbench平台建立了双向流固耦合模型进行立管的涡激振动模拟,并进一步利用FLUENT、结构动力学和嵌套网格方法分析了传统抑振截面和新型齿轮截面在两自由度弹性支撑条件下的涡激振动响应,最后建立了立管有限元模型,分析了影响立管承载能力的因素。主要的研究工作和成果归纳如下:(1)通过ANSYS Workbench平台建立金属立管和复合材料立管在不同流场下的涡激振动双向流固耦合计算模型。计算结果表明相同流场下复合材料立管振动模态阶数高于金属立管,两种立管的顺流向振动模态阶数高于横流向。立管振动轨迹以“8”和“C”等形状为主,变斜率的倾斜流下存在“一”形轨迹。立管振动模态存在单主频、双主频等现象,随着均匀流流速增大和倾斜流斜率增大,立管振动模态阶数也随之升高。立管的两向振幅主要受到立管中段流速的影响。(2)基于FLUENT、结构动力学和嵌套网格建立二维两自由度弹性支撑柱体涡激振动模型,研究了导流板、整流罩和螺旋侧板截面对涡激振动的抑制效果,并基于齿轮造型设计了新型截面。结果表明导流板和固定整流罩在来流角度较大时会加剧振动响应。螺旋侧板对于来流角度适应性较好,曲线侧板抑振效率高于垂直侧板,侧板数量对于涡激振动的抑制并非线性相关。新设计的齿轮截面可以有效抑制两个方向的涡激振动,横流向振动抑制效率达到40%以上。(3)通过建立短立管实体单元模型,探究了铺层设计对立管刚度和承载力的影响。发现铺层角度对于拉力和内部压力的承载能力影响相反,角度越大,抗拉能力越强,承受内压能力越弱。增强层中间布置为斜向铺层时承载能力最大,拉力较大时应将环向层布置在增强层内侧,内压较大时应将轴向层布置在增强层内侧。

关键词： 高温热解   孔隙演化   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 能源短缺是人类社会发展面临的长期问题,煤炭资源是保障我国能源安全的重要一环,深部低热值煤炭因开采成本高、地质条件复杂,传统开采方式很难保证经济效益,益采用煤炭地下气化和液化、煤层气注入开采等新的开采工艺。采用这种开采方法时,煤均处于受热流固化耦合中,高温作用下孔隙发育,其渗流、力学特性发生较大变化。围绕这一课题,本文开展了一些初步研究,得到如下结论:(1)利用马弗炉加热煤样,并结合压汞实验、渗透率测量实验将煤样的孔隙结构划分,得到了煤的质量损失、孔隙率变化、各孔型的孔隙结构等数据,从细观角度研究了煤高温下热解孔隙演化特征,发现300℃为阈值,300℃前煤体物理力学性质变化平缓,300℃后变化明显。(2)利用单轴试验研究了小尺寸((?)50×100mm)煤体的单轴压缩情况并获得了应力—应变曲线,结合孔隙结构分析了在不同温度下热解后煤样孔隙发育对煤样压缩变形特性的影响,煤体变形主要受轴向应力和煤体的原生孔隙裂影响,而随着温度的改变、煤体热解,孔隙的高度发育加速了这个过程。(3)通过实验研究了煤体在高温后压缩作用下的变形特征、弹性模量、抗压强度等的演化规律,考虑了骨架有效面积下的弹性模量,定义了真弹性模量并给出了计算方法,分离出完全弹性变形与多孔塑性压缩变形,建立了多孔塑性变形的硬化模型,并通过COMSOL Multiphysics数值计算与实验结果对比,验证了模型的合理性。(4)依据霍林河矿区煤层进行了开采模拟,利用热流固耦合控制方程,通过COMSOL Multiphysics软件中渗流方程、多孔介质传热方程、固体力学方程结合煤体弹塑性模型进行计算获得了煤层温度场、渗流场以及应力场的变化规律,分析了煤岩上覆岩层运移沉降的规律,沉降量随开采时间向开采方向推进并增加,且距煤层竖直距离越小,岩层沉降受到影响越大。