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关键词： 混凝土管道   土压力   交通荷载   应力   变形  

摘要： 市政排水系统中混凝土管道一直被广泛的应用,排水管道通常埋藏于地下,对于埋地混凝土管道来说,会受到包括管内流体、周围土体以及路面交通荷载等外力的作用,使其发生横向和纵向变形,更甚者会造成管道破损和渗漏等危害。实际工程中的管道是由多节短管组成,承插接口处用橡胶圈密封连接,管节部位也是最易发生破损的部位,同时,由于混凝土排水管道流体中存在一些破坏混凝土结构稳定性的离子,造成混凝土管道内腐蚀,降低了混凝土力学性能和适应变形的能力,造成管道渗漏,更甚者使路面塌陷等,这不但影响城市交通,且对人们的身体健康和社会的生态环境造成极大伤害。本文针对局部腐蚀的混凝土管道采用弹性地基梁模型进行了参数推导,得到腐蚀管段的轴力、剪力以及弯矩;考虑管土间相对刚度,对腐蚀管道通过理论推导得到柔性管垂直土压力计算公式;并分别以正常管道和腐蚀管道为研究对象,考虑管道承插接口以及管内流体、土压力和交通荷载的综合作用,对混凝土管道进行多场耦合的动力响应分析,得到以下结论:(1)管道的轴向应力随着管道沉陷长度、埋深和管径的增加而减小,随最大沉陷深度的增加而增加,对于腐蚀管道来说,其轴向应力小于正常管道时就达到与正常管道相同的沉陷状态。(2)沟埋式管垂直土压力计算中蚀后柔性管道引起的管侧被动土支撑力大于柔性管道和刚性管道,从而会缓解管顶大部分土荷载。上埋式管垂直土压力计算中埋深较小时,蚀后柔性管道管顶承受大部分荷载,管侧所引起的被动土支撑力会相对减小。(3)管底最大主应力值始终大于管顶,承插口的存在使管顶和管底最大主应力值均有不同程度的增大。(4)管道内流体速度的增加,会使管道顶部、底部、内壁以及弯头外拱处的最大主应力值逐渐增加,而随流速的增加,弯头内拱处的最大主应力值先增大后减小。(5)车辆荷载中车辆轮压对管道的影响较大,而车速相对较小,随着轮压的不断增大,管顶竖向位移、管道环向和纵向最大主应力值逐渐增大,管顶外拱处和管底内拱处最大主应力值最大。随着管道埋深的增加管道纵向和环向的最大主应力值减小。(6)不同的车辆轮压、车速、流速和埋深对腐蚀管道的影响作用大于正常管道。(7)管道的最大主应力随腐蚀深度、腐蚀长度、腐蚀宽度、流体流速、车辆轮压的增加而增大;随埋深的增加纵向和承插口最大主应力值逐渐减小,在车速20km/h时最大主应力值最大,其后纵向和承插口最大主应力值随着车速的增加而减小。(8)腐蚀管段承插口的顶部和底部的最大主应力值会产生明显的突变,突变值随着腐蚀深度、腐蚀宽度、腐蚀长度、流速和车辆轮压的增加而增大,承插口底部更容易受拉破坏。(9)腐蚀弯管内壁在不同腐蚀因素、流速、车辆荷载和埋深下的最大主应力最大值主要集中在管底内壁外拱处和管顶内壁内拱处,其在不同影响因素下的最大主应力变化规律与承插口和管道沿纵向长度最大主应力变化相同。

关键词： 金属磁记忆   超声冲击   激光熔覆层   覆盖率   应力  

摘要： 应力是影响甚至决定激光熔覆藏层服役质量的重要因素。通过超声冲击处理调控应力与金属磁记忆技术评价应力可为激光熔覆产品的质量提供保障。本研究基于金属磁记忆评价应力技术,以45钢为底板,Fe314为熔覆材料的激光熔覆层试样为研究对象,从试验和理论两方面进行力-磁关系研究。首先对超声冲击参数及金属磁记忆采集参数进行优化;然后重点探讨不同超声冲击覆盖率试样的组织结构对金属磁记忆评价应力结果的影响,最后结合数值分析对激光熔覆层进行模型构建,探讨金属磁记忆检测技术的物理机制。主要研究内容如下:研究了金属磁记忆信号采集过程中探头的提离高度、扫描速度及扫描方向对金属磁记忆信号的影响规律。因此本研究选择1mm为金属磁记忆信号采集所用提离高度,2500mm/min为金属磁记忆信号采集所用扫描速度,选择南北放置作为检测方向。研究了应力对激光熔覆层试样金属磁记忆信号的影响规律。通过对比不同应力下激光熔覆层试样Hp（y）信号可知,在弹性变形阶段,随着应力的增加,Hp（y）信号磁场强度梯度K随之增加,增加速率基本恒定。在屈服阶段磁场强度梯度到达峰值。而试件到达塑性变形强化阶段,试件表面磁场强度梯度K随应力的增大而减小。当试样断裂后其表面Hp（y）信号呈“倒S”形状,且在断裂处改变极性。研究了超声冲击覆盖率对金属磁记忆技术评价应力结果的影响规律。通过对比经过不同超声冲击覆盖率后的试样Hp（y）信号,研究结果表明:经过超声冲击后Hp（y）信号及其磁场强度梯度K与外应力之间的关系与未经过超声冲击相似。随着超声冲击覆盖率的增加,Hp（y）信号在各应力状态下的磁场强度梯度K逐渐增大,增大速率逐渐减小。经过线性拟合,随着超声冲击覆盖率的增大,拟合方程的斜率逐渐减小,但减小的趋势逐渐变缓;而截距逐渐增大,但增大的趋势逐渐变缓。基于磁偶极子理论,研究了均匀/非均匀磁化铁磁体磁荷分布规律。通过建立均匀/非均匀磁化铁磁体磁信号模型,发现均匀磁化铁磁体只有面磁荷,无体磁荷。磁信号的法向分量则呈斜“S”型分布,且中心对称,可以近似认为是一条斜直线。而非均匀磁化铁磁体磁荷除了面磁荷还存在体磁荷,磁信号法向量关于应力集中区域呈中心对称分布,存在波峰与波谷并在最大应力集中位置改变其极性。随着提离高度的提高,磁信号的幅值迅速减小,降低速率减小且波峰与波谷之间信号的突变程度明显下降。应力集中区域深度和位置的变化不会改变磁信号法向量的规律。随着应力集中区域深度的增加,磁信号法向量幅值有明显的增加,而增加速率逐渐降低。随着应力集中区域从表面向结构内部移动,磁信号法向量幅值迅速减小,但是信号突变的范围无明显改变。

关键词： 九跨连拱桥   现浇施工监控   支架预压   Midas Civil数值模拟   应力   挠度   误差分析   控制参数  

摘要： 现浇空腹式钢筋混凝土连拱桥结构复杂,施工繁琐,随着施工的进行会受到不均匀的力,使拱轴线变形,不能顺利完成合龙,施工监测与控制能够保证桥梁顺利合龙,成桥阶段的应力与线性达到设计要求。本文以洛阳市新街跨洛河九跨连拱桥为例,借助Midas Civil有限元软件建立合理的仿真模型及监控施工方案,对九跨连拱桥各跨拱圈的应力与挠度进行研究,对施工前支架预压进行监测、成桥后桥面线性进行监测,保证桥梁施工安全。主要研究内容如下:(1)根据九跨现浇空腹式钢筋混凝土连拱桥的结构特征,提出以三跨为一联,分环分段的对称施工方案,采用桥梁有限元软件Midas Civil对该桥进行建模,计算出左幅K5～K9拱圈落架前、落架后、立柱浇筑完、成桥后各控制截面的应力变化值以及落架后、立柱浇筑完、成桥后各控制截面的挠度变化值,将计算的结果用来指导施工。(2)通过对现浇九跨连拱桥左幅K7满堂支架与左幅K6贝雷梁支架为例,对本桥进行预压监控,采用按照拱圈湿重及其他施工临时荷载最大总重的加载重量在各跨拱圈支架上均布对称加载,同时进行相应变形监测,并对产生误差的原因进行分析。(3)对全桥整个施工过程进行现场施工监控,以左幅K5～K9拱圈为例,测量K5～K9拱圈落架前、落架后、立柱浇筑完、面板浇筑完的应力变化值以及左侧K5～K9拱圈落架后、立柱浇筑完、面板浇筑完的挠度变化值,与计算值进行对比分析,找出产生误差原因,提出改进方法。(4)通过对桥面铺装完成后布置测点,对全桥桥面进行线性监测,整个桥面左右两幅共布置4条测线,对主桥纵向线形进行测量。横坡测量以纵向布置的一个断面为测量基准进行监测,并与设计值进行对比分析。该论文有图56幅,表23个,参考文献67篇。

关键词： 扁平足   3D打印   矫形鞋垫   有限元分析   应力  

摘要： 研究背景扁平足是一种以足弓塌陷为主要特征的常见疾病。矫形鞋垫广泛用于扁平足的治疗,具有无创性和持续干预的优点,临床上使用的矫形鞋垫主要通过矫形师手工制作,工艺复杂,修型打磨无固定参数,产品质量依赖于矫形师临床经验,且制作坏境条件差,材料浪费严重,有必要探索一种更佳的矫形鞋垫制作方式。研究目的探讨计算机辅助设计和3D打印技术定制个性化扁平足矫形鞋垫的可行性,结合有限元分析法比较矫形鞋垫对足部应力的影响,为优化扁平足矫形鞋垫设计制作提供参考。研究方法使用足底激光扫描仪对受试者进行评估,纳入1名Ⅱ期成年男性扁平足患者,收集其双足数据用于矫形鞋垫设计,采集该患者左足CT数据,通过计算机软件对图像信息进行提取,重建为三维几何模型,基于有限元分析法模拟患者静止站立位时左足受力,建立足-鞋垫模型,计算不同类型鞋垫下足部应力改变,优化矫形鞋垫设计,使用3D打印技术制备,比较受试者穿戴矫形鞋垫前后站立及行走时足底压力变化。研究结果建立了包括足部软组织囊、骨骼、主要关节软骨、主要足踝韧带及筋膜、鞋垫(平坦、Ⅰ型、Ⅱ型)、地面支撑在内的扁平足-鞋垫-地面有限元模型,共计245300个节点、1295722个实体单元和86个桁架单元;足-鞋垫耦合模型中,平坦鞋垫所得到的足部应力云图形状与赤足应力云图相近,但压力峰值较赤足减小;Ⅰ型鞋垫改变了足底应力分布且降低了大部分骨骼应力,足底应力明显由前足和后足向中足转移,但也使得足弓及第5跖骨处应力异常集中;优化后的Ⅱ型鞋垫在Ⅰ型鞋垫的基础上进一步对足部应力进行重新分配,足内外部应力峰值较赤足时明显减小;对3D打印矫形鞋垫进行质量检测,未测及甲醛和邻苯二甲酸盐,经10万次动态曲折后鞋垫开胶分层8mm;比较了患者穿戴3D打印矫形鞋垫前后站立测试结果,证实计算机模拟的足底应力峰值、压力分布区域与实际结果相近;患者穿戴矫形鞋垫后足底压力分布趋于均匀,压力峰值减小,行走时足疲劳感下降,同时足弓处存在异物感。结论计算机辅助设计技术结合3D打印技术来定制扁平足矫形鞋垫是可行的;借助有限元分析可以较真实地模拟扁平足患者静止站立时足部应力情况,并比较不同鞋垫对足底和内部骨骼的应力影响;受试者穿戴3D打印矫形鞋垫后足底峰值压力降低,压力分布趋于均匀,行走时前足舒适度增加。

关键词： 激光熔覆   超声振动   H13钢   温度场   应力场  

摘要： H13热作模具钢应用于锻造、挤压、热成型等,在持续的使用过程中,会存在冷热循环以及金属流动等,产生热疲劳裂纹和热磨损。在激光熔覆过程中,由于快速升温、快速冷却造成较大的热应力,在激光熔覆中引入超声振动可以提高模具的质量。为此,本文采用有限元仿真对超声辅助激光熔覆Ni基粉末过程进行热-应力耦合研究。结合实际建立数值模型,用APDL命令流完成高斯热源指令,实现高斯热源的加载与移动。激光熔覆Ni基粉末温度场分析表明,熔覆的温度在短时间内可以升高到极高的温度,随着熔覆时间的增加,涂层的最高温度逐渐提高,可达1551℃。进行了实验验证,温差最大为69℃,熔宽和熔深差距在0.02mm以内。分析了不同涂层厚度、工艺参数对温度的影响,指出激光电流、离焦量等因素对温度影响明显,扫描速度的影响很小。对激光熔覆进行了应力场仿真,熔覆表面存在较高的残余应力为1517.4MPa,数值仿真和实验研究表明,横向焊接残余应力最高处相差76MPa,纵向焊接残余应力最高处相差86 MPa,应力趋势一致。分析了不同涂层厚度和不同工艺参数下的残余应力变化,结果表明热应力随着扫描过程进行而不断变化,当激光热源照射时,涂层与热影响区均为压应力,激光热源移动,涂层压应力向拉应力改变。残余应力随涂层厚度的升高而上升,应力状态未发生变化;激光电流和扫描速度对应力的影响较小,而离焦量的影响较大。在热应力耦合的基础上,利用APDL编写超声振动的命令流,通过有限元分析和实验验证,超声振动使熔覆的峰值温度提高了78℃,随着超声振幅增大,最高温度上升;超声振动的存在使熔覆的残余应力降低了537MPa,超声振幅增加,熔覆的残余应力先降低后升高,在超声振幅为20μm时,残余应力最小为980.13MPa。

关键词： 工程力学   课程思政   思政元素  

摘要： 首先简要分析了教师群体对课程思政存在的普遍看法,进一步阐明了课程思政的本质,以利于更多一线教师落实课程思政的教育理念。在此基础上,提出了适合在力学课程达成的课程思政目标,并列举了若干种在力学课程中融入思政元素的途径,即阐述了力学课程与思政元素的结合点。

关键词： 航空发动机高压涡轮盘   盘腔温度场   篦齿封严   多场耦合   二次空气系统   应力  

摘要： 航空发动机高压涡轮盘腔系统的篦齿封严结构有调节各腔室冷却空气流量、防止燃气进入盘腔而对涡轮盘结构寿命造成影响等多个作用。篦齿封严结构在发动机工作过程中,会由于热应力和结构应力的共同作用而发生较大变形,其封严间隙也会随之改变,封严间隙发生改变时又会反过来对盘腔内部的流场以及温度场造成影响。本文以某航空发动机的高压涡轮盘腔系统的简化模型为例,采用以ANSYS Workbench为平台的单、双向热流固耦合仿真分析方法,探究篦齿间隙变化规律以及间隙变化对盘腔系统温度场的影响规律。结合CFX模块和Static Structural模块建立高压涡轮转子盘腔系统单向热流固耦合分析模型进行典型工况下盘腔系统热流固多场耦合研究。单向热流固耦合分析并不能反应发动机完整运行工况下篦齿间隙的变化规律且不能反应间隙变化对盘腔温度场的影响规律,所以结合CFX模块和Transient Structural模块建立发动机双向热流固耦合分析模型。利用双向热流固耦合分析得到了发动机瞬态完整历程下篦齿间隙的变化规律,同时得到了篦齿间隙变化对盘腔系统流场温度场的影响规律以及对涡轮盘固体结构温度场、应力应变场的影响规律。通过单、双向热流固耦合仿真分析方法,分别得到了篦齿间隙在不同转速及瞬态完整历程下的间隙变化规律。分析发现,当发动机转速增加时,间隙变化减小,其变化量最大可达原间隙值的5倍。在发动机瞬态完整历程下,篦齿间隙先减小后增加,且不同时期其变化速度不同。同时,在发动机典型工况下,单向耦合分析结果可以用来快速预测盘腔篦齿结构间隙变化。同时针对篦齿间隙变化对盘腔流场、温度场以及涡轮盘温度场、应力变形场的影响规律采取两种多场耦合分析方法进行了研究。研究发现,当篦齿间隙不断减小时对盘腔流场、温度场影响较大。当篦齿结构发生变形干涉后,对盘腔流场、温度场几乎无影响。除此之外,结果表明,两种耦合方法在涡轮盘温度场、应力场分析中由于固体瞬态导热影响差别较大,但在涡轮盘整体变形以及变形分布上相差结果较小。

关键词： 静冰压力   有限元模拟   温度场   应力场   混凝土重力坝   主拉应力   大坝变形  

摘要： 随着我国北方城镇饮水一体化与农田灌溉等水利项目的进一步开展,水工建筑物及配套设施的建设及后期安全运营受到静冰压力的重大威胁。静冰压力是当环境温度升高时,冰层受四周约束影响不能自由膨胀而对约束物体产生的力的作用,具有周期长,破坏性大等特点。特别是在高寒地区,静冰压力的影响贯穿整个冬季且难以预测,建筑物遭受挤压破坏后形成裂缝或局部强度降低,导致出现人员伤亡和重大经济损失。针对静冰压力形成过程与作用机理的研究对于降低静冰压力危害和保障人员财产安全具有重大意义。本文以内蒙古自治区牙克石市海拉尔河段上扎墩水利枢纽重力坝段为依托,采用气候条件现场调查、理论分析与数值计算相结合的技术手段,对不同工况下冰层温度以及应力条件下的枢纽重力坝段的稳定与安全进行了研究。主要研究成果如下: (1)研究了冰晶的物理特性、结构特点及固液气三相形态转化的条件,揭示了冰晶分子、水分子与两者缔合物的含量对冰的密度及热力学性质的响应机制。同时基于冰单轴抗压强度与应变速率的关系,系统阐述了冰的强度分区并指出最大强度出现区域,选取合理的冰本构模型。 (2)结合典型经验公式与有限元数值计算方法,基于温度场的基本理论推导出温度场的一般导热微分方程,建立了温度、冰层厚度、温升率等因素对静冰压力敏感性响应关系,阐释了环境温度-冰层应力的复杂非线性关系,基于牛顿-拉普森平衡迭代法实现了冰层温度应力场非线性-线性转化,揭示了冰层应力场的时间响应机制。 (3)基于有限元数值计算开展了扎墩水利枢纽重力坝段在冰温荷载下的整体安全与坝踵稳定性研究,揭示了冰温膨胀作用下重力坝段变形与应力应变规律,结合有限元计算结果与监测数据进行对比分析,检验了计算结果的有效性。最后总结了坝踵应力调整方式与工程防冰措施。

关键词： 选区激光熔化   316L   数值模拟   应力   形变  

摘要： 随着航空航天领域的发展,作为高集成液压装置的航空EHA对高质量多向复杂异形管道构件的需求越来越大,传统的减材制造技术已经无法解决构件的制造难题,而以SLM技术为代表的增材制造技术使其成为可能。SLM技术又面临着大直径圆形管道上表面成形易翘曲和管壁粗糙度一致性差等问题。因此,本文研究选区激光熔化技术一体化成形管道工件的问题,研究内容主要包含以下几个方面:首先,研究选区激光熔化成形的物理过程,对316L不锈钢的热物性参数进行分析计算,探究SLM过程温度场及应力场的特征形式,对其基本理论公式进行推导。其次,建立特征管道有限元模型,并对其成形过程应力场进行数值模拟分析,获得成形过程中应力场的演变规律、成形后最大等效应力与不同工艺参数的对应关系,并使用时效处理的方式,降低管道模型的残余应力。再次,对特征管道模型成形过程形变场进行数值模拟分析,获得成形过程中形变累积的演变规律、成形后最大形变量与不同工艺参数的对应关系,分析不同尺寸管道的累积形变量。针对异形管道一体化成形问题,提取航空EHA低压阀块管道模型,进行形变模拟分析,为低压阀块管道添加支撑结构来减小低压阀块管道形变量。最后,运用实验的方法分析不同工艺参数下特征管道样件的成形质量,尺寸形貌、表面质量、维氏硬度及显微组织,通过对形貌尺寸及维氏硬度的分析,侧面验证数值模拟结果规律。

关键词： 拱坝   交通孔   应力分析   有限元法   拱梁分载法  

摘要： 拱坝是一种经济性和安全性都较优越的坝型。在修建拱坝的过程中若两岸难以设置交通道路,则在进入库区时便需要考虑在坝体开孔作为交通通道。拱坝开孔会破坏拱圈的连续性,会导致孔口局部出现应力集中的问题,而且孔口局部位置上的混凝土,也会出现开裂等问题,严重影响到坝体的正常使用。目前,在拱坝上开设泄流孔的情况较常见,但开设交通孔的情况比较少见。因此,拱坝开设交通孔对坝体的安全问题应得到重视。 本文以福州市马尾区天台水库拱坝开设交通孔为例,采用三维有限元法和拱梁分载法分别对其进行应力仿真计算。为进一步简化计算模型,假定大坝整体修筑完成但未蓄水作为施工期的最不利工况。力求探寻施工期坝体开设交通孔对拱坝整体、坝肩及交通孔周围应力的影响规律,为今后坝体开设交通孔的布置及设计提供一定的参考依据。主要研究内容及成果如下: (1)针对马尾区天台水库施工期开设的坝体交通孔,采用有限元法和拱梁分载法分别计算在温升与温降两种工况下交通孔周围、坝肩及拱坝整体的应力,并与坝体未开设孔的应力情况进行对比。结果表明,两种方法的应力计算结果变化趋势基本一致;有无交通孔对坝肩及拱坝整体的应力影响较小,交通孔周围的最大主拉、压应力都有显著增加;在温升荷载工况下坝肩的主压应力最大值大于温降工况,表明该工况对坝肩的稳定不利,温降荷载工况下上游面最大主拉应力增加,表明该工况对拱坝坝体应力不利。 (2)针对开设不同高程位置的交通孔采用有限元法进行应力计算。结果表明不同高程位置的交通孔对坝体结构应力分布影响较小;交通孔周边坝体结构应力值随着孔口高度的不同,其拉应力、压应力变幅有些许不同,其最大变幅值分别为0.34MPa和1.31MPa,该值与坝体原有应力值有关,大体呈现原有应力值越小,其变幅越小。 (3)针对开设不同孔口尺寸的交通孔采用有限元法进行应力计算。结果表明不同孔口尺寸的交通孔对坝体结构应力分布影响较小;随着孔口尺寸的增加,交通孔周围的拉压应力变幅均增大,其值为0.32MPa与1.46MPa。在温升与温降荷载工况下的交通孔周围应力变化趋势较为接近,但温升工况下的主压应力值要大于温降工况。 (4)将开设不同高程位置与孔口尺寸的交通孔分别采用有限元法与拱梁分载法进行应力计算。结果表明有限元计算的主拉、压应力值均大于拱梁分载法;不同高程交通孔的情况,交通孔高程为53m的计算结果差异性最大,主拉应力最大差值为0.61MPa,主压应力最大差值为1.49MPa;不同尺寸交通孔的情况,尺寸为6m×4.5m的计算结果差异性最大,主拉应力最大差值0.71MPa,主压应力最大差值1.63MPa。