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关键词： 本构模型   热塑性变形   有限元   温度场   应力场  

摘要： 加热炉辐射室集合管在炼化一体化重整装置中起分散低辛烷值和收集芳烃石油化工产品的作用。集合管支管热拔会引起集合管整体产生不规则变形问题,为了解决这一问题,本课题以材料的高温特性和热塑性变形机理为出发点,获取有限元分析所需的材料参数和相关理论,后利用有限元软件对集合管支管热拔过程中形成的的温度场和应力场进行详细分析,本课题完成的主要工作如下:首先,利用电子万能实验机,将温度控制在800-900℃,应变速率为0.01-1s条件下进行高温拉伸实验,后对实验进行了金相组织观察。得出了1.25Cr0.5Mo合金钢材料特性:(1)不同温度下的热塑性特性;(2)在温度一定时,高温流变应力随应变速率的加快而增大,通过金相实验观察发现拉伸实验速率越快金相组织表现为晶粒细化程度越深,即高温拉伸曲线中峰值应力越大;在应变速率一定时,温度在850℃取得最大峰值应力,从金相组织分析发现850℃时的晶粒细化程度较深,晶界面积大而曲折,受相同外载荷作用不利于裂纹的扩展,故表现为大的峰值应力;(3)得出了1.25Cr0.5Mo合金钢的高温流变应力双曲线本构模型,并验证了该本构模型的准确性。其次通过对合金钢热塑性变形理论研究,得出了金属热塑性变形机理和热塑性变形过程所形成的温度场和应力场数学模型。金属热塑性变形机理包括了晶内变形和晶界变形,该机理从微观上解释了金属热塑性成形的过程。分析了金属热塑性成形温度场和应力场的相关数学模型,为有限元仿真模拟分析提供了求解条件。最后利用ABAQUS有限元仿真模拟得出管材φ1524×46材料1.25Cr0.5Mo的加热炉辐射室集合管支管在加热面积、加热温度、摩擦系数和拔制速度不同影响因素下的温度场和应力场。依据仿真实验得到的不同加工因素下集合管温度场与应力场相关数据分析了集合管支管热拔成形的原因,提出了一组加热温度为850℃、加热面积最大直径为217mm、摩擦系数为0.5、拔制速度为60mm/s的工艺参数,此工艺参数产生的残余温度场和应力场数值均较小,即由温度和结构产生的小的残余应力场值引起集合管的不规则变形程度减小。本课题利用有限元法对集合管支管热拔所形成的温度场和应力场进行了研究,不仅解释了集合管支管热拔产生热塑性变形的原因,而且得出了一组能降低不规则变形的工艺参数,对提升集合管制造的可靠性具有一定的实际意义和参考价值。

关键词： 底部填充胶   可靠性   应力   固化收缩率   高温泊松比  

摘要： 在半导体摩尔定律发展到极限的当下,电子产品逐渐向着小型化、轻薄化和多功能化,以及高处理速度、高可靠性的方向发展,使得先进封装成为应对此挑战的关键途径。底部填充胶(Underfill)是先进封装技术中广泛应用的一种复合材料,其主要成分为环氧树脂和二氧化硅,能有效地缓解由于不同封装材料性能、结构不兼容等导致的互连结构失效问题。然而,由于底部填充胶在固化过程以及后续热制程中会引入诸多应力,因此对封装可靠性也有潜在影响,但相关研究却鲜有涉及,只有正确理解底部填充胶在封装工艺中产生应力的原因并加以调控,才能有效避免封装可靠性问题发生。 基于此,本文主要通过对底部填充胶不同配方的固化收缩率、高温泊松比等性能,并根据翘曲量以及数字散斑相关法(Digital image correlation,DIC)进行应变分析,明确配方组分对芯片残余应力和翘曲的影响规律,并以此为底部填充胶的国产化开发提供关于应力方面的配方和理论指导。 在固化收缩性能研究方面,建立了适用于底部填充胶的固化收缩测试方法,研究了不同底部填充胶配方对固化收缩的影响。通过溶胀法测量交联密度,并与固化收缩进行关联,发现固化收缩与交联密度呈正相关。另外发现填料对固化收缩的降低行为和影响机制;当填料含量较低时(≤40 wt%),填料的加入会降低树脂的交联程度,阻碍分子链网络的交联;当填料含量较高时(>40 wt%),填料充当减速剂,延长树脂的交联反应时间,从而提高其交联程度。通过测量不同种类增韧剂底部填充胶的固化收缩率,发现大部分增韧剂会参与固化反应,降低固化收缩率。偶联剂活性越高,底部填充胶的固化收缩率越大,活性偶联剂的反应基团与二氧化硅表面的氢氧根相互作用造成的。不同增韧剂底部填充胶交联密度与固化收缩呈正相关。 在应力的表征方面,采用流变仪和差示扫描量热仪,并结合固化应力的理论计算公式预测包含不同增韧剂的底部填充胶的固化应力,发现固化应力主要产生于固化度大于0.5的阶段,并且不同配方固化应力的区别主要取决于固化过程的体积收缩。通过搭建三元Test Vehicle(TV)结构,探究不同增韧剂的底部填充胶在固化和模拟回流焊(热处理)过程的翘曲行为,并将翘曲量与理论固化应力进行关联,发现理论固化应力与固化过程中的翘曲行为一致,而热处理后的翘曲行为与热失配应力规律一致。 高温泊松比性能研究上,利用万能力学试验机与DIC相结合测量封装材料的高温泊松比,研究温度、填料含量、增韧剂和偶联剂种类对高温泊松比的影响,发现高温泊松比随着温度的升高而升高。底部填充胶材料在高温时的宽度变形更大。不同增韧剂类型的底部填充胶在150℃时,其高温泊松比的变化规律与模量一致。

关键词： 下颌磨牙   邻牙合缺损   多种修复形式   应力分析   三维有限元  

摘要： 目的:本实验旨在应用有限元法分析六种修复方式下邻牙合牙体缺损的下颌磨牙受咬合力时牙体组织应力分布情况,为临床操作选择合适的修复方式提供依据。方法:选用1颗标准离体左下第三磨牙作为研究对象,运用逆向工程软件创建牙齿模型,在此基础上创建出近中邻牙合缺损模型,并形成六种修复方式的三维模型。即树脂直接充填修复(Re组)、嵌体修复(In组)、高嵌体修复(On组)、邻牙合贴面加固位钉修复(Ve组)、半冠修复(HCr组)、全冠修复(Cr组)六组模型,对修复体及剩余牙体组织进行垂直和斜向加载的受力分析,观察最大主应力(MP)和等效应力(VM)的分布规律。结果:1.完整下颌磨牙应力分析结果完整全牙剩余牙体组织的MP或VM的峰值在斜向加载下均高于垂直向加载。2.六组修复方式应力分析结果:1)垂直峰值修复体MP:HCr>Cr>Ve>In>On>Re;VM:HCr>Cr>In>Re>On>Ve牙釉质MP:Re>In>HCr>Cr>Ve>On;VM:Re>In>Cr>HCr>Ve>On牙本质MP:Cr>HCr>In>Ve>Re>On;VM:On>In>Ve>HCr>Re>Cr2)斜向峰值修复体MP:Ve>On>HCr>Cr>In>Re;VM:HCr>Cr>Ve>On>In>Re牙釉质MP:Cr>In>Re>HCr>On>Ve;VM:Cr>In>Re>HCr>On>Ve牙本质MP:Ve>Cr>On>In>HCr>Re;VM:Re>On>Ve>HCr>Cr>In结论:1.完整全牙斜向受力时的拉应力和压应力均明显高于垂直受力时的应力。斜向运动时更易造成牙劈裂,减少侧向力。2.嵌入型修复体组的树脂和嵌体牙体组织应力峰值无较大差别,均大于其他两组。对牙体侧壁的应力分布不均匀,不利于剩余牙体组织的保护。3.覆盖型修复体组的牙体组织应力峰值最小,高嵌体嵌入牙体组织内部的部分对剩余牙体组织有向外的拉应力,斜向加载时更明显,长时间可能会成为牙体折裂的隐患。邻牙合贴面加固位钉牙体组织受到压应力和拉应力均小于高嵌体,分布更为均匀。4.包绕型牙体组织应力分布最为均匀,全冠和半冠应力分布及峰值相差不多,但是半冠比全冠磨除牙体组织较少,更符合牙体缺损修复原则。5.包绕型和覆盖型相比较,从受力时的应力分布及牙体组织保存两方面考虑,邻牙合牙体缺损修复中邻牙合贴面(加固位钉)修复形式更符合牙体缺损修复原则。

关键词： 立式再沸器   塔   应力   支架  

摘要： 立式重沸器是一种用来汽化精馏塔底产物的换热器，其与塔的连接管线一般都要求尽量短。由于立式重沸器与精馏塔在材质、温度上存在一定差异，管线会在轴向及竖直方向产生较大的热应力[1]。笔者以芳烃抽提装置汽提塔及其立式重沸器为例，运用CAESAR II软件对其相关管线进行了应力分析。针对如何对立式重沸器进行精准建模，支架如何设计选型等问题提出了建议，为同类设备管线的应力计算提供参考借鉴。

关键词： 附着式升降脚手架   现场试验   应力   模拟分析  

摘要： 附着式升降脚手架作为高层建筑施工中被广泛使用的施工防护设备,具有搭设简便、安全可靠、节省材料以及造型优美等优点,尤其是在国家十四五规划相关政策的支持下,附着式升降脚手架更是取得了进一步的发展。然而,对于此新型脚手架,目前的研究主要集中在施工技术上,对于架体结构受力和架体材料选择方面的研究较少,附着式升降脚手架的设计仍以经验为主,由于对架体结构力学性能的不明确,架体材料自身的一些不足,以及在使用过程中存在的不当方法,使得附着式升降脚手架发生了一些安全事故。本文对附着式升降脚手架展开了现场试验研究,结合现有研究和试验结果,选用铝合金对附着式升降脚手架的部分杆件进行了替换,并对架体中的水平支承桁架结构形式进行了改进,提出了一种钢铝组合型附着式升降脚手架,主要内容如下:(1)以咸阳市某工程中使用的附着式升降脚手架为研究背景,阐明了附着式升降脚手架的架体组成与工作原理,并结合工程实际情况,对外立面凹凸错层的位置,采取了使用模数化规则设计的加长支座来满足对架体的约束目的。(2)附着式升降脚手架的理论计算研究。确定了附着式升降脚手架的荷载组合值,对架体的主要受力部位和杆件进行了理论校核,并对两个阶段下的架体受力进行了模拟分析,得到了架体在两个阶段下的最大应力和最大位移部位,研究风荷载对于两个阶段下架体的作用机制。结果表明:风荷载对于架体的影响不可忽略,且影响效果呈现提升阶段大于使用阶段。(3)附着式升降脚手架现场试验研究。通过现场监测试验研究杆件的受力特点,结果表明:架体在施工过程中杆件中部应力值要大于下部应力值;外立杆测点应力值受风荷载影响明显;现场实测值存在大于理论计算值的现象。(4)附着式升降脚手架的改进设计。选取有着诸多优点的铝合金对附着式升降脚手架进行改进设计,将附着式升降脚手架的部分杆件材料替换为铝合金;将水平支承桁架的结构形式变为交叉型;提出了一种钢铝组合型附着式升降脚手架,并对其进行了受力验算,结果表明:钢铝组合型附着式升降脚手架完全可以满足强度和刚度要求。给出了架体的施工建议,以期达到指导施工的目的。

关键词： ReSe2/MoSe2 vdW异质结   应力   电子结构   光学性质   第一性原理  

摘要： 近年来无论是在实验上还是在理论上,二维过渡金属二硫化物（TMDs）材料一直是一个热门研究课题,然而单种二维层状材料或多或少都存在一些不足,因此将两种或两种以上的二维层状材料构建成异质结,有望获得一些新颖的性质。另外,计算机性能的提升以及密度泛函相关理论的提升与完善,使得应用基于密度泛函理论的第一性原理的软件计算成为了凝聚态物理领域重要的研究方式。本文借助软件Materials Studio完成模型的构建,利用VASP应用软件包对单层ReSe2和单层Mo Se2以及相应的异质结的几何构型、电子结构和光学性质等进行了较系统的研究,并提出ReSe2/Mo Se2最佳构建类型。研究结果对制备紫外探测器以及其他的光电设备具有一定的参考价值和指导意义。获得的主要研究结果如下:（1）首次系统地研究了单层ReSe2与单层Mo Se2组成的范德华异质结结构、电子和光学性质等。研究了十种不同堆垛模式的vd W异质结,分别对以上十种堆垛方式的异质结进行了结构优化,以及能带分析,发现异质结的性质与ReSe2和Mo Se2层的堆叠顺序有关,主要是受到ReSe2和Mo Se2材料的对称性的影响。主要对构型最稳定的VI型堆垛模式异质结进行了光学性质及能带排列计算,发现形成的异质结为II型带排列,且有一定的带阶,这有利于光生电子和光生空穴的有效分离。此外,ReSe2和Mo Se2层仍然保持着各自的电子特征,只是带隙值略为下降。光吸收性能相对于单层材料得到了大幅度的提升,对可见光和紫外光的吸收系数都达到了10～5cm-1量级。（2）基于VI型堆垛模式的二维ReSe2/Mo Se2 vd W异质结的研究,进一步考虑了垂直应力和水平双轴应力对ReSe2/Mo Se2 vd W异质结的调控效果,研究表明,垂直应力对ReSe2/Mo Se2 vd W异质结的结构造成轻微的影响;相对拉伸应力而言,压缩应力对带隙的影响更大,但都不会改变ReSe2/Mo Se2 vd W异质结的带排列情况。随着垂直压缩应力的增大,该异质结的光学吸收系数显著增大,而随着垂直拉伸应力的增大,其光学吸收系数略微减小。水平双轴应力对ReSe2/Mo Se2vd W异质结的结构影响较大,会造成原子间键的生成与断裂,改变该异质结的导电性质,即发生半导体与金属之间的转变。尽管如此,其在可见光和紫外光区域仍有较高的光学吸收效率。以上结果表明ReSe2/Mo Se2 vd W异质结是一种在光电应用方面有希望的候选材料。

关键词： 人字行星齿轮系统   摩擦动力学   动态啮合力   弹流润滑   应力场   疲劳寿命  

摘要： 本课题得到国家重点研发计划子项目“齿轮服役性能退化机制与寿命预估”（2018YFB2001302）和国家自然科学基金“人字行星齿轮传动瞬态接触特性与抗胶合承载研究”（51975078）的支持。以国家重点研发计划和国家自然科学基金项目为基础,以实现人字行星齿轮系统的长期正常运行为目标,结合弹流润滑理论,研究人字行星齿轮系统的摩擦学与动力学之间的关系,运用多轴疲劳临界面准则,预估人字行星齿轮的疲劳寿命。本文的研究内容对人字行星齿轮系统的优化设计和减振降噪,提高其可靠性和延长疲劳寿命提供了理论参考。本文的具体研究内容如下:（1）采用集中参数法建立人字行星齿轮系统的摩擦动力学模型,结合人字齿左右侧结构特点,考虑摩擦、啮合刚度、传递误差和啮合阻尼等激励,在Matlab计算软件中采用ode45算法对人字行星齿轮系统的动力学微分方程组联立数值求解,求得了在其自由度下的振动位移和动态啮合力,并以行星轮为例,分析了摩擦激励对其振动位移的影响。（2）建立了基于线接触弹流润滑理论的人字齿轮的混合弹流润滑模型,运用二维数字滤波法建立了齿面粗糙度函数,然后将自相关函数代入润滑控制方程中,并与摩擦动力学模型耦合进行迭代求解,将混合弹流润滑模型中得到的摩擦系数和粘滞阻尼反馈到动力学模型中进行耦合迭代,直到达到收敛准则。比较了耦合混合弹流润滑模型后的摩擦系数和动态啮合力,求解了不同粗糙度幅值下的压力分布和油膜厚度,分析了不同粗糙度幅值对压力分布和油膜厚度的影响。（3）建立了一种新的基于摩擦动力学-弹流润滑疲劳寿命预估模型,利用基于混合弹流润滑模型的法向正压力和切向剪应力计算人字齿轮轮齿的应力状态。然后采用基于临界平面的多轴疲劳准则对人字齿轮轮齿的起裂点蚀疲劳寿命进行预测。探究了表面粗糙度对人字齿轮疲劳寿命的影响,分析了动态啮合力与人字齿轮疲劳寿命之间的关系。

关键词： 建筑钢结构   火灾全过程   断裂性能   应力分析  

摘要： 火灾下钢结构断裂破坏，是导致整体结构连续性倒塌的主要原因之一，掌握钢材的高温断裂性能是研究火灾下钢结构承载性能和评估火灾后整体结构安全性的基础。Q355钢作为钢结构建筑应用最广的钢材之一，在常温下的断裂性能得到了较为深入的研究，而对于火灾全过程中材料性能研究仍主要针对其热工性能（导热系数、热膨胀系数等）和基本力学性能（弹性模量、屈服强度、极限强度等）。本文对Q355钢材火灾全过程断裂性能进行试验研究，采用SMCS断裂模型表征钢材高温断裂特性，并结合有限元分析，对不同温度下的模型参数进行标定。主要研究内容及结论如下：　　（1）以Q355钢为研究对象，对光滑圆棒试件和缺口圆棒试件进行火灾全过程的断裂性能试验，采用数字图像相关系统（DIC）获取拉伸试件全场的位移信息，定量考察了应力三轴度、拉伸温度和峰值温度对Q355钢断裂性能的影响;并对试件断口进行电镜扫描，研究其微观断裂机制。结果表明：①温升历程会影响真实应力-应变曲线在塑性阶段的发展，塑性段斜率随拉伸温度与峰值温度变化而变化;②应力三轴度会影响材料断裂性能对温度的敏感性，应力三轴度越大，平均断裂应变折减系数变化越小;③拉伸温度和应力三轴度对Q355钢断裂性能影响较大，拉伸温度和峰值温度越高，断裂应变越大，延性越好，火灾后断裂性能与常温相似;④在火灾全过程下断口表面呈现出较为典型的“微孔型”断裂机制，属于韧性断裂。　　（2）采用SMCS断裂模型表征Q355钢材断裂性能，利用有限元软件ABAQUS对SMCS断裂模型火灾全过程下模型参数进行标定，通过与Q355钢和Q345钢试验结果对比，验证模型的适用性和准确性。结果表明：①在火灾全过程中，SMCS断裂模型的参数主要受拉伸温度影响，在降温段下峰值温度对模型参数影响较小，火灾后阶段峰值温度对模型参数几乎没有影响;②标定后的SMCS断裂模型能较为准确的预测Q355和Q345钢的断裂行为，预测结果与试验结果误差小于15%。　　（3）利用SMCS断裂模型预测钢节点在高温下的断裂行为，对钢节点火灾全过程下的失效模式和断裂性能进行参数分析。结果表明：①SMCS断裂模型能准确预测钢节点在升温段下的失效模式和断裂性能，具有较高的精度;②在火灾全过程下，温度历程对螺栓板材料性能的影响大于螺栓和拼接板，在各温度工况下螺栓板的变形过大导致钢节点失效。　　本文创新点如下：　　（1）开展了复杂应力状态下Q355钢在火灾全过程下的断裂性能试验，揭示了Q355钢在火灾不同阶段下拉伸温度与峰值温度对断裂性能的影响;（2）标定了SMCS断裂模型在火灾全过程下的模型参数，预测了钢材在高温下的断裂行为。

关键词： 碾压混凝土重力坝   施工期   温度场   应力场   水管冷却  

摘要： 由于造价相对低和施工建设速度快等原因,碾压混凝土重力坝被广泛应用在水利水电工程建设中,但“无坝不裂”的现实依然困扰着坝工技术的发展,尤其是碾压混凝土重力坝在施工阶段存在的温度应力是造成坝体开裂的主要原因之一,因此有必要开展碾压混凝土重力坝施工期温度场和应力场的研究。本文以云南省宁蒗县宁利碾压混凝土重力坝为研究背景,考虑现场的环境、混凝土材料热力学参数、施工条件等因素,以宁利碾压混凝土重力坝为研究对象,对典型坝段施工期的温度场和应力场进行了精细的数值分析,得出了有益的结论。主要工作有:1.以工程实际中的典型非溢流坝段为研究对象,考虑坝体材料分区、水化热温升、天气温度、太阳辐射、库水温度、混凝土分层厚度、浇筑间歇时间等因素的影响,借助ANSYS仿真平台进行参数化编程,分析热-应力耦合场,并通过生死单元技术模拟坝体分层浇筑过程。2.计算得到坝体不同高程、不同位置处特征点的温度和应力历程变化曲线,通过分析六种施工方案下,坝体温度和应力状态是否满足温控设计要求,评估了不同分层厚度、浇筑间歇时间对坝体温度场和应力场的作用效果,推荐了最优施工方案。3.采用能够精确模拟水管周围混凝土温度及水管水温沿程变化的热流耦合算法,对薄层长间歇期的碾压混凝土重力坝基础垫层区混凝土进行水管冷却敏感性分析。分别研究了水管布置形式、水平间距、通水温度、通水流量对混凝土温度场和应力场的影响,结果表明:(1)双层水管的布置形式在对混凝土内部最高温度的“削峰”作用要强于单层水管,同时能够有效改善混凝土内部的应力分布状态。(2)通水温度越低,对混凝土的降温作用越明显,但会增加水管附近混凝土的拉应力。(3)通水流量越大,对混凝土的降温效果越好,但流量增大到一定程度后,降温速率反而会降低,同时会增加水管附近混凝土拉应力。最后,在上述基础上,得出对宁利碾压混凝土重力坝基础垫层区混凝土采用冷却水管控温时,水温不宜小于6℃、通水流量不宜大于1.4 m/h的结论。4.总结全文,提出了宁利碾压混凝土重力坝施工期的温控防裂要点。研究成果可供类似工程借鉴和参考。

关键词： 高层隔震   高宽比   时程分析   应力分析  

摘要： 隔震结构通过延长结构体系的固有周期,降低地震作用传递至上部结构的能量。随着隔震技术的发展与成熟,隔震技术开始在高层结构中得到应用并推广。但与中低层结构相比,高层结构的自振周期本身较长,设置隔震层所能达到的减震效果可能不会太显著,隔震效果较难保证;并且高层结构高宽比相对较大,使用隔震技术时,隔震层可能由于倾覆作用而出现拉应力。本文针对上述问题进行了以下几个方面的工作:(1)介绍了高层隔震技术的研究与现状,阐述了隔震结构的基本原理以及隔震支座的力学特性,根据隔震结构选取合适的分析模型与分析方法,使用分析软件ETABS对上部结构以及隔震支座进行模拟,建立了高宽比分别为4,6,8的高层剪力墙隔震结构,并对隔震层进行验算。(2)研究不同高宽比隔震结构设置隔震层后对自振周期的影响,设置隔震层后,不同高宽比隔震结构周期增加均较为明显,前三振型周期较隔震前增加了1.9倍以上,有效的减少了传递到上部结构的水平地震作用。高宽比为4时,隔震结构的第一振型周期由0.876延长至2.102;高宽比为6时,隔震结构的第一振型周期由1.362s延长至2.723s;高宽比为8时,隔震结构的第一振型周期由1.643s延长至3.122s。(3)分析对比不同高宽比隔震结构隔震前后的地震剪力和倾覆力矩并确定水平向减震系数。设置隔震层后,隔震结构的地震剪力和倾覆力矩降低均较为明显,高宽比为4,6,8的隔震结构最大楼层地震剪力分别降低了65%,60%,57%;最大楼层倾覆力矩分别降低了74%,63%,62%。高宽比为4,6,8的隔震结构的水平向减震系数分别为为0.37,0.45,0.49,隔震结构均取得了良好的隔震效果。(4)对不同高宽比的隔震结构进行罕遇烈度地震作用下的应力分析,研究隔震支座最大拉应力和最大压应力的情况。随着结构高宽比的增加,隔震结构隔震层越来越容易出现拉应力,隔震层内部拉应力开始向边缘支座与角部支座集中。罕遇地震作用下,高宽比为4的隔震结构隔震层并未出现拉应力,高宽比为6的隔震结构隔震层支座开始出现拉应力,高宽比为8的隔震结构隔震层有1/3的支座出现了拉应力,最大拉应力为2.99MPa,远大于规范限值1.0MPa。罕遇地震作用下,不同高宽比的隔震结构隔震层支座最大压应力分别为15.56Mpa,24.02Mpa和29.36Mpa,均不大于规范限值30MPa。随着结构高宽比的增加,支座最大拉应力已经成为高层隔震结构最主要的控制因素。