课程文献中心 更多>>

关键词： 三维有限元   根尖手术   倒预备窝洞   应力分析  

摘要： 研究目的探究根尖手术倒预备窝洞深度及剩余牙本质厚度对根尖部牙体组织应力分布的影响,以期为根尖手术合理设计倒预备窝洞、降低术后牙根纵裂发生率提供理论依据。实验方法1.建立上颌第二前磨牙及牙周组织的三维有限元模型,将其作为本研究基础模型。应用显微计算机断层摄影(micro-computed tomography,Micro-CT)扫描成人右侧上颌第二前磨牙并结合Mimics 20.0软件形成结构模型,经Geomagic Studio 12软件实现模型精修,利用SolidWorks2020软件组装结构模型并构建牙周组织实体模型。通过ANSYS Workbench 18.1软件网格划分、赋值,建立三维有限元模型,模拟垂直及斜向加载,以von Mises应力作为分析指标,输出结果并验证模型的力学有效性。2.构建上颌第二前磨牙倒预备窝洞的三维有限元模型,探讨窝洞深度及剩余牙本质厚度对根尖部牙体组织应力的影响。根据临床根尖手术标准流程,在上颌第二前磨牙基础模型上,模拟根管预备、充填、根尖切除,设计深度分别为4.0、3.5、3.0、2.5、2.0 mm和剩余牙本质最薄处厚度分别为0.4、0.3、0.2、0.1 mm的九种倒预备窝洞,倒充填并形成牙周组织模型。通过网格划分、赋值,建立三维有限元模型,加载后输出不同载荷下根尖部牙体组织的von Mises应力分布云图及应力峰值,分析根尖部牙体组织应力分布情况及变化趋势。研究结果1.成功建立了上颌第二前磨牙及牙周组织的三维有限元模型,模型具有良好的几何相似性及力学有效性。2.随着倒预备窝洞深度的增加,两种载荷下根尖部牙体组织的von Mises应力集中程度及其峰值增加,峰值位置均无明显变化;斜向载荷下颊侧牙本质壁内表面的不规则应力集中区面积无明显增加。3.随着倒预备窝洞剩余牙本质厚度的降低,垂直载荷下根尖部牙体组织的von Mises应力增加,当厚度≤0.3 mm时,剩余牙本质最薄处成为von Mises应力峰值所在位置;斜向载荷下根尖部牙体组织的von Mises应力的集中程度及其峰值显著增加,颊侧牙本质壁内表面的不规则应力集中区面积显著增加。结论1.利用Micro-CT扫描与有限元软件结合建立的三维有限元模型具有良好仿真效果,为今后利用三维有限元法对上颌前磨牙进行生物力学研究提供真实可靠的建模思路。2.倒预备窝洞深度的增加对根尖部牙体组织应力分布具有一定影响,但不会显著降低牙根的抗折能力。3.倒预备窝洞剩余牙本质厚度的降低会显著影响根尖部牙体组织应力分布,将增加患牙发生牙根纵裂风险。4.综合考虑根尖封闭性及应力分布的影响,建议临床在进行常规根尖手术时应严格按照3 mm的深度进行根尖倒预备,尽量保留根尖部的牙本质,且至少保留0.3 mm厚度的牙本质以降低术后患牙发生牙根纵裂的风险。

关键词： 单晶氮化镓   金刚石加工   刻划   应力场   裂纹扩展  

摘要： 第三代半导体材料氮化镓具有优异的物理化学性质,受到研究人员的广泛关注。但因其硬度高和化学惰性,精密加工时间长,加工效率低。氮化镓在金刚石精密加工时易产生微裂纹萌生、扩展,引起晶体表面和亚表面损伤,增加后面精加工工序的材料去除量,并最终影响氮化镓半导体器件的性能和寿命。因此对氮化镓金刚石精密加工时的微裂纹萌生扩展进行研究是十分重要的。微裂纹的成核和扩展取决于精密加工总应力场的分布。本文建立了金刚石颗粒单次刻划单晶氮化镓时的亚表面总应力场数学模型,对中位裂纹的起始载荷进行了分析研究。建立了刻划氮化镓的表面径向裂纹数学模型,并采用纳米力学测试系统(Bruker Hysitron TI980)进行了氮化镓晶片的金刚石渐加载单刻划试验。建立了亚表面侧向裂纹数学模型,分别研究了单晶氮化镓在同时双刻划和连续双刻划时,划痕间隔距离对中位裂纹和亚表面侧向裂纹起始载荷的影响。主要内容为:(1)通过叠加弹性应力场和残余应力场,建立了金刚石刻划单晶氮化镓的各向异性亚表面总应力场数学模型。通过在相应载荷下,当拉应力σ22在x2=0平面内的塑性域边缘处取得的应力最大值大于氮化镓的许用断裂强度值时,提出了氮化镓晶片中位裂纹萌生的起始载荷判断依据,并通过试验结果进行了验证。同时研究了不同金刚石尖顶半锥角条件下应力场的变化规律。(2)引入各向异性参数的Boussinesq场、Cerruti场和Sliding blister场计算分析了刻划单晶氮化镓的表面总应力场,根据刻划表面的最大拉应力分布预测了表面径向裂纹的成核和初始传播方向,并进行了试验验证。使用圆锥角为60°、尖端圆弧半径为5μm的金刚石圆锥压头对单晶氮化镓(0001)晶面沿[11-20]晶向进行了渐加载单刻划试验,对氮化镓刻划时材料去除微观机理进行了研究。将表面径向裂纹模型对其它六方晶体结构材料进行了分析,计算结果与文献中的试验值相一致。(3)基于残余应力场建立了金刚石刻划单晶氮化镓的亚表面侧向裂纹数学模型。根据建立的亚表面侧向裂纹和中位裂纹数学模型,研究了同时双刻划时两划痕间隔距离对相互之间的亚表面侧向裂纹和中位裂纹的起始载荷的影响规律,也研究了连续双刻划时在不同间隔距离下,第一条划痕的残余应力场对第二条划痕的亚表面侧向裂纹和中位裂纹的起始载荷的影响规律。

关键词： 轴承绝缘涂层   有限元分析   应力场   涂层失效  

摘要： 随着轨道交通行业的兴起,应用在动车组牵引电机的轴承所出现的电蚀失效现象逐渐引起人们的重视。目前应用最广泛的防护方法是在轴承的外圈上喷涂陶瓷涂层,提升轴承的绝缘性能,但因轴承长期处于高温重载的服役环境,外圈的绝缘涂层很容易产生裂纹甚至脱落失效,应力作为造成涂层内裂纹萌生和扩展的最主要因素,成为分析绝缘涂层退化失效的基础。本文采用有限元仿真的分析方法,通过有限元仿真的方法,分析不同因素影响下绝缘涂层应力的分布规律,研究涂层的退化失效。本文的具体工作如下:(1)分析了影响绝缘涂层应力分布的主要因素;为研究温度和载荷对绝缘涂层应力场的影响,建立相应的理论模型,得到温升变化下,涂层中残余应力的变化规律,以及不同弹性模量的绝缘涂层在外载荷的作用下应力的变化情况。(2)在ANSYS Workbench中进行绝缘涂层的热力耦合仿真分析,研究绝缘涂层的材料结构和环境因素对涂层中应力分布的影响,建立不同结构、厚度和材料的涂层模型,得到绝缘涂层在不同径向加载下的应力场的变化情况。(3)为研究冲击载荷对绝缘涂层的影响,在ANSYS Workbench的动力学模块中进行瞬态动力学分析,运用ADAMS确定轴承循环运转过程中短暂的不稳定阶段,并重点研究了这一特殊时间段内,冲击载荷对外圈上绝缘涂层的应力场的影响,通过改变载荷的幅值和频率,获得冲击载荷影响下涂层的应力分布情况。(4)通过扫描电镜观察绝缘涂层的结构和氧化程度,得到氧化层厚度和涂层界面裂纹扩展状态间的联系。为研究涂层厚度对膜基结合强度和涂层绝缘性能的影响:设计划痕实验,通过划痕仪测量不同厚度的绝缘涂层对基体的附着力;设计温度实验,研究温度改变下,不同厚度的绝缘涂层绝缘性能的变化情况。

关键词： AlN   溅射   高温退火   界面   应力   紫外透过率  

摘要： Al N作为第三代半导体的典型代表,其宽达6.2 e V的直接带隙可以实现波长低至200 nm的紫外透射。其次,Al N能与Ga N形成带隙宽度在3.4 e V到6.2 e V之间任意调变的Al Ga N三元合金材料,被广泛应用于高频大功率电子器件和深紫外LED等领域。另一方面,当利用传统蓝宝石作为衬底直接外延生长Al Ga N基器件时,两者之间因晶格失配和热失配会导致Al Ga N中产生较多的位错缺陷,给器件性能带来致命的影响。此问题可以通过在Al Ga N与蓝宝石之间插入Al N缓冲层来解决。可见,蓝宝石衬底上生长的高质量单晶Al N在深紫外光电子器件领域已成为关键性材料。本论文围绕高温退火有效提升c面和m面蓝宝石上Al N材料的结晶质量以及高温退火对Al N晶体结构的影响展开系统性研究。首先,研究了高温退火c面蓝宝石上Al N材料。(1)随着退火温度从1400℃升高至1700℃,Al N的(0002)面和(10(?)2)面XRD半峰全宽(FWHM)均逐渐减小。因退火后晶体质量提升紫外透过率明显增大。此外,Al N晶格受压应力随退火温度的升高而增大,而压应力会使晶格发生畸变,Al-N键长缩短,改变了晶体中周期场的分布,进而影响能带结构,因此压应力的增大使其禁带宽度变大。由于退火温度升高晶粒重结晶更明显,样品表面均方根(RMS)粗糙度变大。(2)1700℃、5h退火后,c面蓝宝石上Al N随着薄膜厚度从200 nm增加至500 nm,(0002)面FWHM从109 arcsec降至52 arcsec,(10(?)2)面FWHM从300 arcsec降至200 arcsec。由于蓝宝石/Al N间晶格失配和热失配问题,界面具有引入压应力的作用,且该影响随薄膜厚度的增大逐渐减小,因此薄膜厚度增大晶格受压应力逐渐减小,致使Al N禁带宽度逐渐减小,说明界面对Al N的结晶质量和晶体结构具有很大影响。其次,本论文m面蓝宝石上制备的Al N呈半极性特征。(1)经1700℃、5h退火后,随着薄膜厚度从300 nm增加至1000 nm,Al N晶体质量没有明显变化趋势,但与未退火样品相比,晶体质量均明显提升,其中500 nm厚Al N的(11(?)2)面FWHM从5500 arcsec降至760 arcsec,(11(?)0)面FWHM从3450 arcsec降至400 arcsec。然而,退火后各样品晶格所受应力均由张应力演变为压应力,且该压应力随薄膜厚度增大逐渐减小,致使其禁带宽度减小,这同样是由界面对Al N的影响随薄膜厚度的增大逐渐减小所致。退火后晶体质量改善紫外透过率因此得到明显提升。(2)随着退火时间从1h延长至5h,Al N(11(?)2)?面晶体质量得到明显提升。晶格受压应力随退火时间的增加呈先增后减趋势。经AFM表征得知Al N表面形貌从退火前的条状形貌演变为退火后的锯齿状方块形貌,晶粒重结晶使台阶变大,致使RMS粗糙度变大。

关键词： 预制板式无砟轨道   自密实混凝土   位移   应力  

摘要： 近几年城市轨道交通工程发展迅速,其中轨道工程作为列车的路面,直接影响乘客的安全舒适性。一直以来大部分轨道工程采用现场浇筑混凝土的方式,存在作业面环境恶劣、工效低、维修更换难等问题。随着建筑装配式的快速发展,城市轨道交通预制板式无砟轨道的应用解决了传统现浇混凝土道床施工中的上述问题。本文以青岛市地铁13号线预制板式无砟轨道工程建设为背景,开展研究计算分析,主要内容分为以下几点:(1)通过现场九次自密实混凝土揭板试验,深入分析论证板底气泡面积过大的原因,从原材料、自密实混凝土的搅拌运输、灌注前各项参数的检测等全过程各个环节严格把关,在此过程中不断调整自密实混凝土的配合比,最终确定了自密实混凝土的最佳施工配合比,并总结分析出适用于本项目的一整套施工工艺:自密实混凝土拌和物坍落扩展度值在630～680mm以内,扩展时间控制在3～4s,含气量控制在4%左右效果最佳。浇筑自密实混凝土时,要保证下料的连续性,不能带入空气。(2)为了研究解决板底结构在后期运营中会出现局部起拱或裂缝等病害,通过COMSOL软件及弹性理论建模确定最佳板底纵连长度,深入分析了一块板、二块板、三块板及四块板长度的结构位移及应力变化规律,得出三块板板底纵连长度位移应力最小,是最佳的预制板式无砟轨道板底结构纵连长度,进一步指导现场施工。(3)结合青岛地铁13号线预制板式无砟轨道工程全面总结分析了轨道测量、基底施工、预制板吊装运输铺设及精调等施工工艺,制定了施工质量管理与控制措施。根据揭板试验得出的配合比及经验,指导自密实混凝土拌制及灌注施工。根据板底最佳纵连长度计算,灌注施工时以三块板最佳长度设置伸缩缝。通过揭板试验及研究计算的应用,进一步提高了轨道施工质量及施工效率。

关键词： 磁测法   超设计使用年限   压力容器   应力  

摘要： 超过设计使用年限压力容器在使用过程中存在较大安全风险，为保障其安全稳定运行，采用磁测法对一台超过设计使用年限高压氮气贮槽的环焊缝开展了在线应力监测。结果表明，各测试部位应力均小于材料最大许用应力，筒体应力分布均匀、无明显应力集中，设备运行安全。

关键词： 开孔补强   EN13445   应力分析   裂纹   有限元   扩展有限元   疲劳寿命  

摘要： 在化工设备中,开孔补强处的应力分析是压力容器和管道设计经常面对的,其开孔处几何结构不连续而引起变形不协调和局部应力会削弱设备的承载能力。使开孔接管处的应力始终保持在设备允许的范围内是保证承压设备安全的必要条件。压力容器设计规范对开孔接管的分析是基于无缺陷的材料,并通过安全系数保证其结构设计的保守性。但实际上,材料和设备生产以及设备使用过程中,裂纹的萌生和存在都是客观的,因此,对压力容器开孔补强处进行应力力分析和研究,保证其安全运行就显得尤为必要。EN13445标准是欧盟关于压力容器的设计规范,规范中对开孔补强处最大单独作用载荷和最大联合作用应力给出了明确的计算公式和设计准则,是研究和设计开孔补强结构受力的有力工具。本文基于EN13445中的设计标准,进行了带补强板的压力容器开孔补强的依据EN13445标准的计算,通过在承受内部气体压力的接管处施加轴向载荷和弯矩,展示了EN13445标准对于压力容器开孔补强的设计思想和方法以及规范中设计公式的使用步骤和应用范围。有限元法是现在应用最多的关于压力容器及管道应力分析和载荷极限分析的数值模拟方法,其利用当今计算机强大的计算功能,对于解决复杂几何形状和复杂受力状态下的管道和压力容器的设计校核及其疲劳寿命分析具有极大的优势。本文采用常规有限元法对开孔补强结构进行压力容器开孔补强的数值模拟计算,将有限元法模拟得到的的最大位置处应力和EN13445标准下的计算的最大联合作用应力进行了对比,验证了有限元分析软件计算结果的可靠性。接着,基于常规有限元法,对接管内表面位置处的半椭圆形裂纹进行应力强度因子的求解,基于疲劳寿命计算公式,计算出了含裂纹压力容器的使用寿命。最后,基于扩展有限元法,对接管内表面位置处的半椭圆形裂纹进行扩展路径的模拟。

关键词： 气缸   动力学   冲击   应力分析   解析模型  

摘要： 气缸是气动系统的核心部件,被广泛的用于工业机械化和自动化中,并呈现出小型化、高性能等发展趋势。然而气缸在运行到行程末端时,会产生冲击端盖等接触介质现象并伴随不良振动和噪音,这主要是由于压缩介质的内在特性以及缓冲失效、安装不牢固等外在因素。气缸末端冲击问题一直是影响气缸性能和寿命的最核心因素,严重影响气缸的轻量化和高速化发展。针对这一现状,利用仿真分析、理论建模及优化等方式,对具有不同连接结构的气缸末端冲击动力学特性进行了较为系统的研究。首先,简要介绍了气缸的主要结构及相关特性,并利用ANSYS/LS-DYNA等软件选取了活塞与活塞杆之间两种不同连接结构的气缸模型进行了冲击动力学仿真,通过后处理对气缸的位移、速度等运动参数及冲击开始、分界线和结束三个时刻的应力分布情况进行对比分析,发现活塞与活塞杆之间采用一小段锥形轴孔配合形式连接的气缸在冲击过程中表现更优,为后文解析模型的建立及新结构的提出奠定了基础。其次,对现有冲击动力学模型进行了优化,考虑了活塞与活塞杆之间的连接结构对动力学模型的影响,通过振型叠加法和微分方程相关知识对考虑连接结构的气缸末端冲击动力学模型进行求解,得到了气缸冲击参数解析式,为之后的气缸设计及结构优化提供了依据,同时,增强了气缸末端冲击模型的通用性。然后,提出了一种活塞杆和活塞之间采用锥形轴孔配合的新型连接结构,完成了对该结构弹性力学的研究,建立了锥形轴孔过盈配合模型,从而得到了其等效刚度的表示方法,该模型的建立为锥形轴与孔过盈配合的研究奠定了理论基础,等效刚度的表示方法为气缸结构优化提出了新思路。同时,以具有该结构的气缸为研究对象,完成了对考虑连接结构的气缸末端冲击动力学模型的验证及分析。最后,进一步通过解析和仿真的角度,分析活塞与活塞杆之间三种不同连接结构的气缸对于其末端冲击参数的影响,同时,利用控制变量的方法,通过改变具有锥形轴孔配合连接结构的气缸重要参数,分析了对活塞与活塞杆连接处接触应力及气缸末端冲击参数的影响,为该结构气缸的加工制造及优化等工作提供了理论基础。通过对不同连接结构气缸末端冲击动力学的研究,为气缸结构改进与轻量化、表面性能处理、可靠性研究以及实际运用提供了一定的理论参考和数据依据。

关键词： 镍钛合金   温度场   应力场   光斑半径   激光功率   切割速度  

摘要： 镍钛合金因具有质量轻、植入人体磁性低、稳定性强等优点在心血管支架制备中被广泛应用。非接触式激光切割作为镍钛合金心血管支架主要的制备方式之一,具有加工效率高和损伤小等优点,同时不可避免会产生熔渣、重铸层等缺陷。因此,本文在国内外激光工艺研究现状的基础上,对激光切割镍钛管成形支架的过程进行有限元模拟。研究不同激光工艺参数对支架切缝附近温度场应力场的影响规律,并通过激光切割成形支架试验验证了仿真分析的正确性。具体内容如下:首先建立激光切割仿真模型和热平衡方程。选用JMat Pro模拟软件计算得出镍钛合金在不同温度下的热物性参数和熔点温度(1200℃),为建立仿真模型提供理论依据。用ANSYS仿真软件建立激光切割支架有限元模型,其中支架的切缝区域网格划分为0.02mm,过渡区域为0.05mm,远离切割区域为0.2mm。光纤热源的形式选用高斯移动热源,并建立热源传热方程和移动轨迹方程。探究切割过程中节点温度的变化规律与应力集中的具体位置,通过施加生死单元技术模拟切缝的形成过程,以达到切割成形支架的全过程仿真。其次设计单因素试验探究节点温度随不同工艺参数的变化规律。通过ANSYS中APDL语言控制工艺参数的变化,仿真结果显示:切割速度过快、激光功率过小、以及光斑半径过大均使得切缝温度低于熔点温度,不利于切割加工。切割速度过慢以及激光功率过大导致大量近切割区域的节点超过熔点温度,切割效果不理想。通过试验验证仿真分析结果。探究切缝侧面粗糙度、热影响区、重铸层和下部熔渣高度随工艺参数的变化规律。结果显示各性能指标随不同激光工艺参数的变化规律存在差异:随光斑半径的逐渐加大,侧面形貌逐渐变差,当R=8μm时,侧面形貌较好,尖角烧蚀现象不明显;当P=110W时,侧面形貌呈现竖状规律性波纹,背部熔渣量明显减少;切割速度对于背部熔渣高度影响较大,当v=6mm/s时,达到最小热影响区4.674μm。通过检测切缝侧面形貌发现尖角处的烧蚀效果更明显,与仿真模拟时转角处温度应力集中相对应,验证了仿真分析结果的正确性。最后通过电解抛光工艺改善激光切割成形支架的表面性能。探究极间距、抛光液温度、抛光时间和电流密度对表面质量的影响规律。当其它工艺参数一定的情况下,镍钛合金表面质量受电流密度、极间距、抛光时间的影响较大,受抛光液温度的影响最小。经电解抛光,支架的表面形貌得到提升,下部熔渣去除彻底,表面粗糙度明显降低,综合性能优良。

关键词： 工程力学   疲劳寿命   随机载荷   区间分析   降维算法   Taylor展开法  

摘要： 传统的概率方法分析结构疲劳寿命时,需要大量的样本以确定随变量的概率密度分布,而且概率密度函数较小的误差将会引起结构疲劳寿命较大的误差。针对这种情况,提出了一种随机载荷作用下结构疲劳寿命的区间分析模型。将影响结构疲劳寿命的不确定因素视为区间变量,给出了随机载荷作用下结构疲劳寿命的降维表达式,结合区间数学方法,得到了结构疲劳寿命的上限和下限。数值算例表明,与Taylor方法相比,基于降维算法的结构疲劳寿命区间分析方法具有较高的精度。对于强度极限和疲劳参数而言,一阶降维算法和二阶Taylor方法精度相当;而对于疲劳载荷,当其变化范围较大时,Taylor方法已经不能满足精度要求,而二阶降维算法仍然具有较高的计算精度和稳定性,其计算精度在一定范围内和遗传算法大致相当,但计算效率却远高于遗传算法。