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关键词： 极地锚绞机   关键部件失效   有限元分析   应力场   温度场  

摘要： 近年来,随着我国极地活动日益增加,我国的极地船舶建造市场蓬勃发展;但是我国船配产业满足不了快速发展的极地船舶建造市场的需求,被国外企业垄断。锚绞机是系泊、锚泊系统中最复杂的设备,作为甲板设备的主要组成之一,其安全性和可靠性对极地船舶的运营起着至关重要的作用。目前锚绞机设计过程中对于其工作过程中的实际负荷不能准确的预估,造成设计负荷与实际负荷不相符的现象,使得锚绞机部件发生失效,威胁船舶的运营安全。为了促进我国锚绞机设计制造技术升级,增强我国自产锚绞机产品在船舶配套行业的竞争力。本文结合“极地船舶甲板机械关键设备及系统选型研究”项目,以锚绞机滚筒和带式制动器为研究对象,进行了如下研究:1)梳理极地船舶甲板机械防寒设计方面的技术规范,明确船舶在极地航区航行过程中,遭受低温、积冰、积雪等影响后可能存在的风险;理清甲板机械防寒设计过程中需要考虑的各类对象,对防寒措施进行分类,明确其使用范围;以锚绞机为研究对象,从关键部件防寒设计、机械材料的选型、极地环境下传动系统设计三方面为极地船舶锚绞机的设计和建造提供参考。2)通过理论分析、有限元计算相结合的研究方法,以42000DWT极地加强型散货船为研究对象,利用有限元计算软件ANSYS AQWA计算其在系泊过程中受到风浪流等环境载荷以后系泊缆绳张力在时域内的变化,为后续的滚筒应力场计算以及薄弱环节分析提供计算依据;为了简化系泊船舶缆绳张力计算过程,提高计算效率,利用AutoCAD二次开发技术、文本文件读写操作、数据库技术,应用***编写程序,实现船舶系泊过程中缆绳张力计算的自动化。3)利用SolidWorks建立滚筒的实体模型,根据计算得到的缆绳张力设计不同工况,采用ANSYS Workbench分析滚筒在不同工况下的机械应力场;分析滚筒可能出现的失效形式避免设计过程中的盲目性,为设计人员提供一种可行的设计思路;同时,利用有限元分析代替部分实验,降低实验成本,节省研发时间,提高设计效率。4)根据传热学基本理论和挠性摩擦理论分析锚绞机带式制动器制动过程中热量产生机理;使用SolidWorks对带式制动器进行建模,利用ANSYS Workbench对带式制动器在紧急制动工况的瞬态温度场进行分析,揭示了紧急制动时摩擦片和制动带的温度分布规律,在不改变制动器结构的基础上提供可行的措施避免制动过程中带式制动器瞬时温度过高引起的“热失效”问题。

关键词： IMU   弯曲应变   解析计算   应力   影响因素  

摘要： 随着内检测技术日益完善,惯性测绘单元(IMU)数据可以描绘出管道的三维走向以及变形形状。以某管道IMU数据为基础,采用理论研究和有限元仿真计算的方式,对该管道展开力学分析,为该管道的安全评价提供依据。采用插值和拟合两种数据处理方法,提出了两种基于IMU数据的管道弯曲应变解析计算方法,分别为三次B样条解析计算法和五点光滑解析计算法,应用实例对比分析表明,两种计算方法均能得到管道弯曲应变分布;针对直管段发生位移的情况,构建了基于IMU数据的直管段管土相互作用的有限元模型,对直管的应力状态进行分析研究,并讨论了不同土壤位移规模对直管应力状态的影响规律;针对IMU检测识别的弯管组合段,构建弯管组合段管土相互作用的有限元模型,考虑土壤位移方向、土壤位移量、土壤位移宽度、土壤性质以及土壤位移位置等影响因素,进行了弯管应力影响因素分析,归纳总结了不同影响因素对弯管应力状态的影响规律。

关键词： 透明导电氧化物   钙钛矿   脉冲激光沉积   应力   掺杂  

摘要： 透明导电氧化物薄膜（TCO）在现代社会多个领域有着重要的应用,如太阳能电池、薄膜晶体管、平板显示器等。常见的TCO材料如锡掺杂氧化铟（ITO）面临着原材料短缺、制作工艺复杂、性能提升困难等问题,因此需要寻找新型的TCO来满足越来越大的市场需求。钙钛矿结构锡酸盐ASn03（A=Ba,Sr）是一类具有宽带隙、高载流子迁移率的半导体氧化物,通过掺杂后可以获得非常好的导电性和良好的可见光透过特性,十分适合应用于TCO领域,通过和其他钙钛矿光电材料相结合,有望实现全钙钛矿结构的光电子器件应用,因此成为TCO领域的研究热点之一。SrSnO3具有高达4.1eV的带隙且热稳定性很好,晶格常数与SrTiO3、LaAlO3、GdSO3等商用衬底匹配良好,因此有着巨大的科学价值和应用前景。由于SrSnO3在不同的生长温度下会形成多种不同的相,且生长出结晶性良好的高质量薄膜很困难,因此在大规模应用方面仍有很多问题需要解决。在本论文中,我们选择La掺杂的SrSnO3,薄膜作为研究对象,通过脉冲激光沉积的方法制备了高质量的薄膜样品,系统研究了生长温度和氧分压对其结晶质量的影响、掺杂量对其导电性能的影响、晶格应力对于其导电性能和光学透过率的影响,并测试了样品的磁电输运特性,主要内容如下:1.使用EDS测量了使用脉冲激光沉积方法生长的La掺杂薄膜的化学成分,随后利用XRD、AFM对不同温度下使用脉冲激光沉积方法生长的样品的结晶质量进行了测量,得到了 La:SrSnO3的温度生长窗口大概在750℃-850℃。随后研究了氧分压对其薄膜质量的影响,发现在高氧分压下容易获得结晶良好的样品,而在低氧压和真空下难以获得结晶质量良好的薄膜。2.研究了 5%La掺杂的SrSnO3的变温电输运特性。本文使用范德堡法对样品进行了电阻率以及磁电阻的测量,电阻率随温度先降低后升高,为典型的重掺杂半导体输运特性。进一步分析ρ-logT曲线表明低温下可能存在着电子-电子相互作用（EEI）和弱局域（WL）效应。低温下样品的电学特性测量结果表明电阻率ρ随logT的线性变化是两种作用共同影响的结果。3.研究了随着La掺杂量的变化,其电学性能的变化趋势。结果表明,随着掺杂量的增加,其导电能力呈现一个先升高后略微降低的趋势。随后研究了随着薄膜厚度变化,样品晶格结构的变化。在SrTiO3（001）和LaAlO3（001）衬底上分别生长了不同厚度的La0.05Sr0.95SnO3样品,发现随着厚度的减小,样品会受到更强的晶格应力,当晶格应力到一定程度后会引起样品导电性能的显著降低,这是由于晶格结构变化带来的物性变化。最后我们对生长在多种衬底上的不同厚度样品的光学透过率进行了测量,结果显示应力会显著影响La掺杂SrSnO3样品的带隙大小。

关键词： 三维集成微系统   微凸点   有限元   应力   可靠性  

摘要： 近年来集成电路行业发展迅猛,而摩尔定律也达到了它的瓶颈。三维集成技术被普遍认为是当今世界上延续摩尔定律的有力解决方案,目前它已经可以实现形状因子小、密度高、性能优良的复杂三维集成电路,打开了传统芯片结构通向优化外形和尺寸世界的大门。但是随着三维集成微系统集成度和功率密度的提高,热特性以及应力可靠性等方面面临诸多的挑战,并且随着微系统尺寸的缩小,对封装级的三维集成微系统进行有限元数值仿真的复杂度也会进一步增大。因此,对系统的热应力可靠性分析势在必行。针对上述问题,本文面向三维集成微系统,通过建立等效有限元模型实现了微系统的快速应力分析,并通过控制变量法得到了应力随各个参数的变化规律,能够有效地实现微系统的应力分析以及寿命预测,为微系统芯片布局设计提供理论指导。本文首先针对微系统中的单个互连微凸点结构进行应力分析,改变各个形状参数或是周围结构,分析应力变化规律。然后针对微凸点进行等效建模方法进行了仿真验证,结果表明,本文所采用的建模方法相比传统有限元模型仿真时间降低了约74%,并且最大应变的偏差仅在5%左右。之后采用本文所提出的等效建模方法对三维系统中微凸点结构进行蠕变性能和疲劳寿命研究,比较了微凸点结构在不同结构参数时的蠕变性能变化,并分析了微凸点阵列的疲劳寿命分布规律,然后对结构的寿命作了优化分析。最后,针对三维集成微系统的应力问题,本文从微凸点结构入手,提出了一种在微凸点周围用于应力缓冲的介质层结构,仿真结果表明,该结构对于应力良好的缓解作用。结果表明,本文提出的应力缓冲介质层结构能够将微凸点结构的最大应力降低约18.9%,提升了微系统整体的力学性能。

关键词： 工程力学   课程思政   教学实践  

摘要： 工程力学课程是工科类的专业基础课,专业覆盖面广且其理论与实践联系紧密。以工程力学课程为载体,结合该课程的自身特点和教学内容,将典型案例和经典故事的思政元素穿插于工程力学课程教学实践中,通过调查问卷了解课程的思政教育教学效果,不断地实践与探索,充分发挥它们的教育功能,实现教书育人的最终目标。

关键词： 立定跳远   摆臂模式   触地模式   有限元分析   应力  

摘要： 立定跳远是运动员下肢爆发力训练的主要项目之一,而摆臂动作、触地姿势是引起膝关节损伤的主要原因两个方面。目前对不同摆臂和触地姿势下地面反作用力(Ground reaction force,GRF)如何作用于膝关节各组织的具体机理并不清晰。从冲击生物力学的角度来讲,有必要明确立定跳远不同触地姿势和摆臂动作下的膝关节冲击损伤机制。所以,本研究招募16名受试者,分别以自由摆臂(jumping free,JF)和限制摆臂(jumping restricted,JR)起跳、“外八”(toe-out,TO)和正常姿态(baseline,BL)落地,使用Vicon采集系统和Kistler测力台获取受试者下肢运动学数据和地面反作用力数据。基于一名志愿者的膝关节MRI/CT数据进行三维重建,获取膝关节有限元模型并验证模型的有效性;使用Visual 3D进行逆动力学计算获取膝关节反力,将膝关节运动学数据和反力带入膝关节有限元模型作为边界条件和荷载,获取不同摆臂和触地模式下膝关节内部的力学响应,明确不同触地模式下膝关节的损伤风险。研究发现,JRBL的髌骨接触应力峰值较大,为6.12MPa,其次为JRTO和JFBL,分别为4.99MPa和4.57MPa,JFTO的髌骨接触应力峰值最小,为4.01MPa。JRTO的股骨软骨接触应力峰值最大,为13.11MPa,其次为JRBL和JFBL,分别为11.82MPa和11.68MPa,当采用JFTO触地方式时股骨软骨的接触应力峰值最小,为8.89MPa。JFTO与JRTO的双侧半月板von Mises应力分布主要集中于内侧半月板体部偏下和外侧半月板前角;JFBL与JRBL的半月板von Mises应力分布主要集中在内侧半月板体部偏上以及外侧半月板体部。当受试者以JRTO方式触地时外侧胫骨软骨接触应力峰值最大,为6.72MPa,其次为JFBL和JRBL,分别为5.85MPa和5.27MPa,以JFTO触地时最小,为5.21MPa。所以,与外八姿态相比,正常姿态触地时膝关节外展程度显著较小;自由摆臂动作能够有效降低触地过程中的v GRF峰值,但h GRF峰值显著升高,提示JFTO可能会提高膝关节韧带损伤的风险。采用JFTO模式时主要由外侧半月板承担触地过程中的膝关节冲击荷载,可能增大外侧半月板前角损伤风险;尽管采用JFTO模式时接触应力峰值较低,但外八姿态可能会导致膝关节内部受力环境较为异常。采用JFBL模式时的关节应力水平较高,但关节内部的力学环境较为良好,触地过程中的冲击荷载由双侧半月板和胫骨软骨平台共同承担,不会出现应力集中的情况。从冲击损伤的角度分析,采用JFBL模式会降低触地过程中的膝关节损伤风险,缓解关节软骨及半月板磨损。

关键词： InSAR   三维形变速度场   应变场   应力场   Mogi模型  

摘要： 结合腾冲火山区域已有地球物理、地质构造和地震方面研究显示:该区域存在低速、低阻、高导层和高热流值区域;处于印度洋-欧亚大陆板块碰撞挤压带东北方向;同时该区域有火山型地震发生。以上研究表明腾冲火山并不平静,具有再次喷发危险。因此本文通过SAR数据的处理、开源GPS数据筛选和数学建模,分别获取了火山区域的InSAR、GPS形变数据、三维形变数据、应变数据、应力数据和岩浆囊几何参数数据,来对腾冲火山区地壳活动性进行探究,具体研究成果的获取如下:1.通过构建GPS-InSAR三维形变模型,来实现GPS与InSAR技术的优势互补;具体采用已广泛进行应用的短基线集的方法（SBAS）进行多时相SAR数据的干涉处理,来获取火山区域毫米级的InSAR形变监测数据,GPS来自发布的开源数据;基于以上两种类型数据,采用粒子群算法（Particle Swarm Optimization,PSO）对改进的目标函数（改进型更贴合以上两种形式形变数据特点）进行寻优,来获取腾冲火山区域高空间分辨率三维形变速度场。2.基于获取高空间分辨率的三维形变信息,分别构建了反映研究区域地壳运动的刚性地壳整体旋转运动模型（RM）、整体旋转与均匀应变模型（REHSM）与整体旋转与线性应变模型（RELSM）,通过对比构建的3种模型发现RELSM是刻画研究区地壳运动最佳模型,并基于RELSM反演了研究区应变场,获取到了较以往研究（仅基于GPS数据）获取不到的小尺度范围研究区的精细应变场。同时利用应变张量、应力张量本构关系,通过应变求取研究区域应力。从获取的应变数据分析来看,对腾冲火山区域地壳运动起主导作用的既不是青藏高原东南缘的挤压作用,也不是亚洲东南部的拉张作用,而是自身区域存在的岩浆囊的活动或者岩浆流失、放气等活动在起主导作用。3.依据已获取形变场,并辅以应变场应力场,发现研究区可能存在3个岩浆囊（西北方向、西南方向岩浆囊表现为收缩;东北方向岩浆囊表现为膨胀）;基于岩浆囊所在区域三维形变信息,利用mogi模型（同样利用PSO进行参数寻优）反演了岩浆囊的参数,发现西北方向岩浆囊位于地下约1.4km,收缩速度约0.002659861km3/a,西南方向岩浆囊位于地下约4km,收缩速度约0.002622485km3/a,此两处区域无火山喷发威胁,但由于岩浆囊收缩可能引发其它地质灾害。通过以上获取结果对腾冲火山区地壳活动性进行综合研究表明:腾冲火山区区地壳整体处于相对平静状态,但个别区域地壳活动相对活跃。

关键词： 空间钢结构   健康监测   应力   数据缺失   数据重构  

摘要： 大跨度空间钢结构以其优美的造型和良好的承重性能广泛应用在大型公共建筑中。由于大跨度空间钢结构体型庞大、不同规格的构件纵横交错,从施工开始到结构成型以及服役期间,整体结构需经历多次应力变化,因此,对空间钢结构进行全生命周期健康监测至关重要。但是,由于受到监测设备的耐久性、温度场以及户外环境不确定性因素的影响,导致钢结构监测数据存在缺失,影响结构健康评估的有效性。因此,本文以国家网络安全人才与创新基地展示中心(简称“网安中心”)大跨度钢结构为研究背景,研究钢结构健康监测数据缺失的重构方法,并对其实用性与有效性进行分析,为钢结构在施工与服役阶段的监测提供依据。论文主要研究工作如下:(1)根据设计计算、建筑监测规范以及工程实际现状等因素分析大跨度钢结构应力应变监测点配置方案,基于网安中心大跨度钢结构特点,采用无线监测方式,构建大跨度钢结构的无线健康监测模块。(2)分析大跨度钢结构监测数据缺失的来源与类型,在此基础上,基于改进线型回归模型,研究温度相关性以及测点相关性的应力缺失数据重构方法,并对不同类型缺失数据的重构效果进行分析,结果表明:监测点温度与应力相关系数达到0.9以上,重构应力缺失数据与实测数据的平均误差小于5%,且温度相关性重构的数据缺失率不宜超过30%;对于单测点与多测点相关系数达到0.9以上时,重构应力缺失数据与实测数据的平均误差接近5%,且监测点相关性重构的数据缺失率应控制在30%以内,对于较高缺失率,采用多元回归可有效提高重构精度。对于连续型与离散型不同类型应力缺失数据,两种应力缺失数据的重构误差大部分在5%以内。整体来看应力缺失数据重构误差均在工程监测可以接受的精度范围内。(3)在采用线性回归法对钢结构应力缺失数据重构的基础上,针对局部应力监测点与整体之间存在非线性关系,导致局部应力数据的重构值与真实值偏差较大的问题,采用改进神经网络法,研究钢结构应力缺失数据的重构方法。结果表明,重构应力缺失数据精度比线性回归法高,且该方法适用的数据缺失率范围不能超过20%。

关键词： 电工钢片   应力   磁致伸缩   位移   多物理场  

摘要： 噪声已经成为评价电机性能的一项重要指标,电机噪声的研究离不开对电机振动性能的分析。电机定子铁心由电工钢片叠压而成,电工钢片在外磁场的作用下发生磁致伸缩现象进而引起铁心振动。本文针对变压器、交流电机等电工装备加工过程产生的残余应力会加剧电机铁心本体振动的问题,研究了考虑应力影响的电工钢片磁致伸缩数学模型并进行了工程应用。借助一套应力作用下电工钢片磁特性测量装置实现了磁致伸缩特性的测量,在此基础上,推导了基于双曲正切函数的磁致伸缩模型和基于亥姆霍兹自由能的磁致伸缩模型。基于应力影响的磁致伸缩特性数据完成了两个磁致伸缩模型的参数辨识。利用多物理场仿真软件,分析计算了一台表贴式永磁伺服电机铁心在考虑外加应力作用下的磁致伸缩位移分布,为准确预估电机本体振动噪声奠定基础。主要研究内容有:首先,测量分析了电工钢片在外加应力和磁场共同作用下的磁致伸缩应变特性。借助一套应力作用下电工钢片磁特性测量装置,实现了应力范围从-8MPa到8MPa,不同磁通密度下无取向电工钢片的磁致伸缩特性测量。测量结果表明,拉应力增加时磁致伸缩应变减小,而压应力会增大磁致伸缩应变。其次,在分析上述电工钢片磁致伸缩特性基础上,推导了基于双曲正切函数的磁致伸缩模型和基于亥姆霍兹自由能的磁致伸缩模型,并编制了相应的计算机程序。再次,基于测量数据完成了上述两个磁致伸缩模型的参数辨识,给出了磁致伸缩与外加磁场、应力的关系曲面,对比分析了两个模型的辨识精度。结果表明,基于亥姆霍兹自由能磁致伸缩模型的模拟精度好于基于双曲正切函数磁致伸缩模型。最后,将上述磁致伸缩模型应用到电机铁心磁致伸缩应变的多物理场仿真计算中。建立了表贴式永磁伺服电机磁场和结构力场仿真计算模型,基于多物理场仿真软件,计算分析了外加应力对电机铁心位移的影响。计算结果表明,本文研究的磁致伸缩模型可以有效地仿真应力影响下电机铁心形变特性。

关键词： 连续梁   施工控制   0号块   温度场   应力场  

摘要： 在多样化的桥梁结构形式中,预应力混凝土连续梁因其众多优点而在桥梁建设中被广泛应用。为保证施工质量,大跨度连续梁在悬臂施工过程中必须加以控制。本文对(60+100+60)m朝阳双线特大桥进行研究与实践,通过Midas Civil建立挂篮及主梁有限元模型,得到施工过程中的主梁的应力和相应变形;根据现场实测高程、预埋传感器所得应变数据与计算值进行对比分析,进而对现场施工进行调整及预测,保证在各施工阶段均满足规范要求,最终达到成桥后满足设计应力水平及高程的目的。在连续梁施工过程中发现主梁0号块裂缝问题较为突出,提高0号块的施工质量,保证其耐久性、安全性具有重要意义。朝阳双线特大桥0号块长12 m,顶板宽12.2 m,底板宽6.7 m,混凝土体积为409.93 m3,由于混凝土用量较大,必须对水化热作用加以考虑,通过仿真手段对比不同方案,达到减小温度应力的目的;同时连续梁的0号块是一个复杂的受力结构,在悬臂施工过程中承担着每个悬臂节段的重量,因此在整个施工过程中都具有重要作用,运用Midas FEA软件建立0号块的仿真模型,得到不同位置应力分布。同时建立0号块的现场监测系统,对比仿真结果,指导现场施工,达到对0号块精准控制、预防开裂目的。