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关键词： 特高拱坝   边坡变形   应力   水库蓄水   锦屏一级水电站  

摘要： 水电能源开发是我国能源结构优化的重要途径,近些年在我国西南地区已有多座特高拱坝水电站建成使用,为保证水电站的安全稳定运行,对水电站边坡和拱坝进行稳定性分析十分重要。锦屏一级水电站位于雅砻江干流,坝址区地质条件复杂,断层、岩脉等地质结构发育,两岸边坡高陡。锦屏一级拱坝坝高超过300m,属特高拱坝。水电站蓄水后,两岸坝肩边坡岩体在长期库水涨落循环作用下发生劣化,容易引起边坡变形,进而可能挤压拱坝造成拱坝的开裂甚至破坏。因此,对锦屏一级水电站蓄水期边坡变形及边坡与拱坝相互作用关系开展研究具有重要意义。 本文依托锦屏一级水电站坝肩边坡工程,根据监测资料对两岸边坡变形开展反演计算,并对边坡的长期变形情况进行预测,分析了不同蓄水位及不同边坡变形情况下拱坝的变形和应力分布情况。主要研究成果如下: (1)通过整理工程地质资料,研究了锦屏一级水电站的地形地貌、地层岩性和地质构造等地质条件,分析了潜在的危险滑体,依据地质资料建立了水电站整体的三维数值计算模型。依据蓄水以来两岸边坡变形监测资料对边坡变形进行反演计算,得到边坡岩体流变参数。各外观测点位移实测值与反演参数计算值变化趋势一致、变形量值接近,表明反演参数和边坡流变模型合理可靠。 (2)利用得到的边坡岩体流变参数进行正向计算,预测边坡长期变形稳定的时间,分析边坡长期变形稳定时的位移及应力分布情况。根据计算结果,确定2034年7月为最终流变稳定时间,边坡变形稳定后,边坡变形以横河向变形为主,开口线以上边坡和蓄水位附近拱肩槽上游侧边坡变形较大,拱肩槽下游侧坝肩边坡变形较小。 (3)对边坡与拱坝的相互作用进行分析,得到拱坝的变形和应力分布情况。蓄水后至当前(2013.6～2020.7),拱坝整体变形较小,左拱端下游侧横河向变形增量小于3mm;右岸1800m以上坝肩拉应力区有明显减小,表明现阶段边坡变形条件下拱坝受力状态有局部改善。当前至边坡长期变形稳定时(2020.7～2034.7),拱肩槽部位边坡变形较小,对拱坝变形影响不明显,左拱端下游侧横河向变形增量值小于1mm;拱坝拉应力量值和分布范围较当前(2020.7)改变不明显。 (4)综合分析边坡与拱坝系统的变形应力分布情况,总体而言,水库蓄水后至边坡长期变形稳定(2013.6～2034.7)过程中,拱肩槽部位边坡变形较对大坝的整体稳定性影响不显著,整个过程中拱坝应力应变量值均处于合理区间,锦屏一级高拱坝应力应变总体处于弹性工作的安全运行状态。

关键词： 翻车机   油箱   应力分析   流固耦合   优化设计  

摘要： 翻车机是用于翻卸运输敞车装载散料的特种设备,应用于港口码头等行业,泵站油箱作为泵站的安全件,不仅影响着泵站的安全性,且油箱质量大。在翻转时,油箱内部油液对箱壁的冲击,加之钢结构焊接过程中的应力集中,会在应力集中部位形成裂纹,酿成重大的事故。泵站油箱箱壁在受到振动和油的冲击后,易使箱体内的隔板脱落,从而造成箱壁的撕裂与油泄漏等问题。本课题针对翻车机泵站油箱结构体特点与载荷特性。使用Solid Works对翻车机及泵站油箱建模,并通过ADAMS对翻车机及泵站油箱进行动力学仿真,由受力曲线得到不同工况。并在不同工况的基础上,对支架和油箱固定带座进行静力学分析,得到应力和变形量,为以后的结构优化奠定基础。并对支架进行等效应力分析,与之后的优化相互验证。对翻车机泵站油箱底座及油箱箱体进行模态频率分析、结构设计。使用FLUENT对泵站油箱其他参数不变的情况下,对泵站油箱封头深度、箱体长短轴大小、隔板横截面形状、隔板数量、隔板与封头距离这五个重要参数的模型进行流固耦合模拟仿真,研究单个因素对泵站油箱应力变形的影响。用正交试验的方法,探究流固耦合过程中泵站油箱封头深度、箱体长短轴大小、隔板横截面形状、隔板与封头距离这四个因素在不同水平下对油箱的影响,优选出适合泵站油箱的类型。以支架静力学分析为基础,对其进行优化处理。通过拓扑优化与响应面优化方法进行优化,目的是减少材料的过剩,降低整体重量,降低应力与变形,将两者优化后与优化前进行比较,分析优化后结果的价值,并与优化前的等效应力分析相互验证。本文通过对翻车机泵站油箱结构变形进行有限元仿真,且进行优化,为泵站油箱轻量化和延长使用寿命提供参考。

关键词： 高铬铸铁轧辊   差温热处理工艺   热物性   数值模拟   应力  

摘要： 离心复合铸造高铬铸铁轧辊具有良好的耐磨性、抗氧化性及低的成本,是现代轧辊的重要产品之一。差温淬火是改善和提高高铬铸铁轧辊性能的关键工艺,差温淬火温度、保温时间和冷却方式对保证高铬铸铁轧辊工作层性能均匀性和减少高温度淬火对芯部性能有显著的影响。因此,开展离心复合铸造高铬铸铁轧辊差温淬火工艺对改善和提高轧辊性能具有重要的意义。本论文采用ANSYS数值模拟的方法,建立了离心复合高铬铸铁轧辊三维模型,模拟研究了实际差温淬火过程中温度场及应力场。温度场计算结果与轧辊不同深度的温度测试结果规律相一致,表明模型是可靠的。在差温淬火加热过程中,当加热炉温度升至1120℃时,轧辊表面温度已到达900℃,当加热保温结束后,轧辊工作层温度整体已超过1000℃,达到奥氏体转化温度,而芯部温度为820℃;在冷却过程中,轧辊应力峰值发生在开始吹风冷却时,轧辊轴向应力达到404 MPa,切向应力达到330 MPa。模拟研究差温加热温度及保温时间对轧辊层温度差及加热深度的结果表明,采用1140-1060℃加热,能降低轧辊工作层温度差,并减小冷却过程中的淬火应力。轧辊工作层温度差由原工艺的25.7℃降低至21.5℃,加热深度由原工艺的83 mm增大至87 mm,轴向应力也由在喷风冷却时的404 MPa降低了69 MPa。

关键词： 锥壳   法兰   应力分析   ANSYS   Workbench  

摘要： 针对锥壳大端和小端均与法兰连接时的计算问题,应用有限元ANSYS Workbench建立简化后的锥壳-法兰连接模型,并得到了其应力分布。依据ANSYS计算结果,按照JB/T 4732-1995(2005年确认)对锥壳大端和小端应力进行分析和强度评定。结果表明,锥壳大端和小端应力的性质与标准中锥壳与圆筒连接处的应力性质完全相同,应力评定均合格且留有较大的安全裕量。

关键词： 轧件   冷却速率   应力场   铜管   冷却水套  

摘要： TP2铜管作为制造蒸发器和冷凝器等换热器的优选高效传热器管,其加工生产过程一直是相关从业者的关注重点。但是,研究人员的关注目光大都放在了铜管三辊行星轧制上,很少对轧后冷却过程进行研究,在工厂,轧件的冷却也主要靠经验丰富的操作人员进行,对冷却规律对轧件质量的影响并没有明确的认识,因此难以保证铜管轧件质量。铜管三辊行星轧后冷却过程是一个多物理场耦合的复杂过程,包含了流场、温度场和应力场等。借助有限元软件ABAQUS、FLUENT和MPCCI,对铜管三辊行星轧制和轧后冷却过程进行了模拟仿真,本文主要研究内容有:(1)根据某铜管生产企业使用的三辊行星轧机相关参数和特点,通过有限元工程模拟软件ABAQUS建立了水平连铸管坯三辊行星轧制的热力耦合模型,采用C3D8RT单元对铜管坯划分网格,然后使用软件自带的显示动力学模块Explicit对行星轧制过程进行了模拟,获得了铜管轧件的温度场和应力场分布。(2)使用流体分析软件FLUENT参照冷却设备和冷却工艺参数建立了冷却水套模型和穿水冷却的热流固耦合流体模型,再以三辊行星轧制模拟的温度场和应力场结果为预定义场,通过ABAQUS建立了穿水冷却的热流固耦合结构模型,最后使用多物理场耦合软件MPCCI实现了ABAQUS和FLUENT的数据交换,分析了冷却水套内部流场分布和冷却过程中轧件冷却速率与应力场的分布。(3)以应力分布均匀性为标准,利用基于MPCCI建立的热流固耦合模型研究了进水口位置和出水口位置改造对冷却水套内部流场和轧件应力场分布的影响,还分析了进水口尺寸、出水口尺寸和进水口压力对轧件应力分布的影响规律。(4)使用激光超声法测量了工厂所取试样的应力,并与数值模拟得到的应力进行了对比,证明了热力耦合模型与热流固耦合模型的准确性。

关键词： 农林院校   工程力学   教学改革   考核机制  

摘要： 在"新工科"的背景下,如何始终以学生为中心,上好农林院校非机械类专业的《工程力学》,课程教学改革探索迫在眉睫。为探索适用于农林类院校非机械类专业《工程力学》的教学与考核方法,通过简化课堂教学内容、激发学生主观能动性、优化教学管理模式并改善考核机制,因业而异,达到全面而合理地对学生真实学习情况的评价和考核。

关键词： 复合板   变形协调性   轧制复合   ABAQUS   应力分析  

摘要： 钢/铝复合板兼具钢和铝的优良性能,成为复合材料发展的一个重要方向,本文选用轧制工艺制备钢/铝复合板。由于钢、铝材料性能差别较大,轧后复合板呈现出不同程度的翘曲,严重影响复合板使用性能。本文以制备平直度较好的钢/铝复合板为目的,通过数值模拟及实验研究的手段,探讨了各轧制工艺下轧后复合板翘曲变化规律。首先使用有限元软件ABAQUS对轧制钢/铝复合板进行建模,模拟双金属复合板轧制过程最重要的是处理双金属接触界面的接触问题。利用FRIC子程序自定义轧制过程中双金属接触界面属性,以轧制区实现粘着接触状态作为双金属实现复合的起始判据,轧件出轧制区后实现粘着的区域其接触状态不会改变。该模型实现了双金属轧制过程由分离到复合的过程。模拟同种金属与异种金属的轧制过程。对比铝/铝复合板和钢/铝复合板轧制过程中各接触面轧制方向应力、法向应力、剪应力的分布及轧后板型翘曲情况。分析了影响轧后双金属复合板翘曲的主要原因,为后续不同工艺条件下板型翘曲问题提供分析方向。分别模拟了压下率、层厚比、轧制速度、摩擦系数、异步轧制、轧辊不同驱动方式等条件下钢/铝复合板的轧制过程,对比单一变量条件下轧后复合板翘曲情况,分析其影响变形协调性的原因,得出各轧制条件下板型翘曲程度的变化趋势,对实验制备变型协调的双金属复合板具有指导意义。最后,相同工艺条件下利用二辊轧机制备钢/铝复合板,对制备的复合板进行翘曲度测量、剥离试验等,验证数值模拟结论的正确性,并分析双金属复合板变形协调性对其界面结合强度的影响。

关键词： 硅酸盐水泥   无水硫铝酸钙   晶胶比   膨胀收缩   应力  

摘要： 本文以无水硫铝酸钙、高温石膏作为调控材料,系统研究了硅酸盐水泥体基胶凝材料中不同组成的水化产物晶胶比与其力学性能、体积稳定性能,及应力发展的相关规律及原理。对于配制体积稳定的硅酸盐水泥基胶凝材料具有一定的指导意义和实用价值。基于对水化产物晶胶比的调控,设计了20组以硅酸盐熟料为基材,高温石膏和无水硫铝酸钙为调控材料的胶凝材料,将不同含量硅酸盐水泥熟料（95%、90%、85%、80%、75%）和不同CS/C4A3S摩尔比（2、5、8、11）的调控材料进行了正交设计。对配制的胶凝材料组成进行了力学性能、自由膨胀率、限制膨胀率、应力等测试,并结合X射线衍射仪（XRD）、差示扫描量热仪（TG-DTG）、扫描电子显微镜（SEM）及压汞（MIP）等测试手段,研究了不同胶凝材料水化产物晶胶比与各性能的相关规律,利用（水化产物、微观形貌、孔径分布）等微观特征,进一步分析探讨了相应的机理。结果表明:（1）晶胶比随着体系中高温石膏和无水硫铝酸钙掺量的增多而增大。同一龄期内,较小的水化产物晶胶比对水泥强度的促进作用不明显,适当提高水化产物晶胶比可以提高水泥石强度,晶胶比为0.151的试样,强度最高。但超过一定范围时,强度会急剧下降,对于晶胶比过大的试样,7d后试件表面会出现裂纹,起皮,后期完全粉碎。硅酸盐水泥熟料90%,CS/C4A3S摩尔比11的试样,水泥试件强度可达到80.4MPa。不同龄期之间水化产物晶胶比与强度无相关性。（2）自由膨胀率与水中限制膨胀率与晶胶比成正相关。CS/C4A3S摩尔比为8、11的试样,试件水养7天转干空的限制膨胀率回落与水泥强度具有很好的匹配性。高温煅烧石膏和无水硫铝酸钙总含量为10%的试样,试件限制膨胀率回落最接近0,体积最稳定,强度最高。此晶胶比条件下的生成的钙矾石部分用来填充孔隙,使微观结构比较致密,孔隙率最低,转换到干空时,毛细孔和凝胶孔失去水就越少,产生的干缩就越小,使体积更加稳定,强度更高。（3）同一龄期内,晶胶比与钙矾石结晶膨胀应力和自由膨胀呈正相关,抗压强度随着晶胶比的增大,先增大,后减小。晶胶比较低时,随着水化龄期的延长,晶胶比变低,膨胀应力减小,自由膨胀率增大,强度增加,主要由于环境中缺少硫元素,钙矾石会转换成AFm,钙矾石含量减小,进而膨胀应力减小。此时对膨胀其主要作用的是Ca（OH）2。晶胶比逐渐增大时,钙矾石逐渐增多,膨胀应力增大,自由膨胀率逐渐增大,对膨胀起主要作用的成为钙矾石。当膨胀应力大于材料抗拉强度时,会出现新孔隙,结构疏松,强度降低。

关键词： 磨牙远中移动   无托槽隐形矫治器   应力分析   支抗   有限元法  

摘要： 目的:利用三维有限元研究方法,模拟无托槽隐形矫治器推磨牙远移,通过施加不同的支抗力值,观察磨牙远移过程中前牙区的生物力学效应,探讨磨牙远移的支抗需求,为临床方案设计及支抗的选择提供理论基础和科学指导。方法:获取一例个别正常合患者的CBCT扫描图像,在Mimics、Geomagic Wrap和Unigraphics NX软件中,利用不同组织灰度阈值的差异,建立上颌牙列、牙槽骨三维模型;通过运行布尔运算分离出牙根,并向外沿法相扩展0.25mm后,得到牙周膜三维模型;根据实验分组的相应远移量调整牙列后,通过运行布尔运算分离出牙冠,并向外沿法相扩展0.75mm后,得到无托槽隐形矫治器三维模型。依据磨牙远移的形式分为Ⅰ组(单独推一颗上颌第二磨牙远移)、Ⅱ组(同时推上颌第一和第二两颗磨牙同时远移),Ⅰ组依据在尖牙处施加支抗力值的大小分为:ⅠA(0g)、ⅠB(100g)、ⅠC(150g)、ⅠD(200g)四组;Ⅱ组依据在尖牙处施加支抗力值的大小分为:ⅡA(0g)、ⅡB(100g)、ⅡC(200g)、ⅡD(300g)四组,在有限元分析软件中,赋予相应载荷后,对比分析前牙区的牙周膜应力情况及位移趋势。结果:各实验组设计的远移模式及加载力值均未产生不利于牙周组织健康的应力;使用无托槽隐形矫治器推磨牙远移时,支抗前牙会发生唇向及压低移动,以及近中倾斜移动的趋势;使用无托槽隐形矫治器推磨牙远移时,Ⅱ组同时移动两颗磨牙较Ⅰ组单独推一颗磨牙远移,Ⅱ组前牙区牙周膜应力更大,最大应力主要集中于唇侧颈部与舌侧根尖区,Ⅱ组前牙区唇向位移量明显大于Ⅰ组;Ⅰ组使用无托槽隐形矫治器单独推一颗磨牙远移时,在尖牙处施加100g支抗力值,能有效减小前牙唇向位移,同时牙周膜应力最小;Ⅱ组使用无托槽隐形矫治器同时推两颗磨牙远移时,在尖牙处施加300g支抗力值,能有效地减小前牙唇向位移,同时牙周膜应力最小。结论:1、使用无托槽隐形矫治器推磨牙远移时,需要根据前牙的支抗情况选择磨牙远移方式,如果需要前牙唇向移动,可选择同时远移两颗磨牙的“V”模式移动;如果不需要前牙唇向移动,可选择单独推一颗磨牙远移的“A”模式移动;2、无论单颗磨牙远移或同时远移两颗磨牙,在尖牙处施加远中向适当的力,可以抵消磨牙远移对前牙产生的唇向反作用力,因此,在尖牙区增加适当的支抗力,可以选择同时远移两颗磨牙的“V”模式移动;3、选择支抗力量的大小很重要,如果施加支抗力量过小,前牙会产生唇向倾斜移动;如果施加力量过大,前牙牙周膜应力会过于集中。选择不同的磨牙远移模式,可增加相应力值的支抗,当选择推一颗磨牙远移的“A”模式移动时,可施加100g支抗力,当选择同时推两颗磨牙远移的“V”模式移动时,可施加300g支抗力。

关键词： 超声   微泡   微血管   生物组织   应力   有限元法  

摘要： 受束微泡振荡时对生物组织所产生的力学效应在靶向药物传递、开放血脑屏障等方面具有重要的医学应用。本文从生物力学角度,创建了气泡-流体-固体耦合动力学模型,利用有限元法,研究了超声场中振荡微泡与生物组织壁面间的相互作用。对振荡微泡在平面、凸面及凹面附近的微泡动力学行为特征分别进行了研究,重点研究了血管内受束微泡动力学行为,分析了不同声频率、声压、血管尺度及不同初始半径微泡下对生物组织的应力及应变分布。计算结果表明:对受束于血管内微泡振荡,当频率在1.0-1.5MHz时,血管壁应力随频率增大而降低;1.5-2.0MHz时,应力随频率经历半个正弦波形的变化,2.0 MHz之后不同初始半径微泡对血管壁的应力趋向一个相等的稳定值;当频率和初始微泡确定时,血管壁应力随血管半径先增大后变小,血管越厚,其应力和振动幅值都相应变小。微泡在不同血管半径中能产生有相应的应力极大值,其中较小初始半径微泡应力最大。当微泡分别临近于凸面和凹面组织壁面附近时,相对于无限大均匀液体,微泡振荡会受到不同程度的减弱,并随时间都有向壁面靠拢现象,且微泡振荡频率逐渐增大。但刚性凹面附近的微泡形变较明显,并易发生破裂产生瞬态空化,且凹面面受到的压力较大,凸面受到的压力相对较小,应力主要集中在壁面底部。随着凹槽半径增大,壁面受到的应力峰值减小,但其受到的应力深度变大。当微泡的初始半径和凹面尺度一定时,凹槽的形变与超声声压、杨氏模量呈负相关。在声学参数和凹面组织尺度确定的情况下,壁面所受的应力峰值和应力深度都随微泡初始半径增大相应减小。振荡微泡破裂时对凸/凹壁面产生的应力最大。本研究模型可用于计算不同大小血管、凸/凹型组织壁面时,振荡微泡的动力学行为及其对对生物组织产生的生物力学效应,为血管损伤评估、靶向药物治疗以及超声溶栓等医学方面提供理论参考。