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关键词： 激光熔覆   激光烧蚀   数值模拟   温度场   应力场  

摘要： 碳材料由于本身易氧化的特性而被限制了其在高温领域的应用前景。通常采用抗氧化涂层来对其进行防护,常用的涂层技术成型周期长、结合强度低,而激光表面熔覆技术则完美克服了这两个缺点。但是由于激光熔覆本身快速升降温的特点,易于产生较大的温度梯度及应力,导致涂层开裂。本文利用数值模拟的方法,对碳表面激光熔覆抗氧化涂层过程中温度场和应力场的变化规律进行探究,从而确定三种不同抗氧化涂层体系适宜的激光工艺参数,提高涂层质量,为实际的激光熔覆过程提供参考;另外,在温度场和应力场模拟结果的基础上,探究了抗氧化涂层在激光烧蚀过程中气孔、裂纹等缺陷的产生机理。首先,利用ANSYS软件建立了激光单道及多道熔覆的有限元模型,并用APDL语言实现了对于各个工艺参数的控制。确定了三种抗氧化涂层各自最佳的工艺参数:其中,HfB2-SiC-Si-MoSi2涂层、HfC-NbC-Ta C-TiC-ZrC涂层和HfN-NbN-TaN-TiN-ZrN涂层三种涂层的最佳扫描速率、光斑半径、扫描间距及预热温度相同,分别为10mm/s,0.1mm,0.1mm,600℃;三者的最佳激光功率分别为64W、128W和96W,最佳涂层厚度则分别为0.075mm、0.05mm和0.05mm。探究了熔覆过程中各区域温度梯度分布状况,其中熔覆区域温度梯度在Y轴方向上最大,在X、Z两轴方向上较小,而熔覆区相邻路径区域温度梯度在X、Y两轴方向上较大,在Z轴方向上较小,较远处温度梯度则在X轴方向上最大,在Y、Z两轴方向上较小。熔覆区剪应力在扫描路径45°方向上最大,涂层开裂倾向亦在此方向上最大,与实际熔覆结果相符。涂层残余应力为压应力,有利于减小涂层开裂的倾向。扫描间距的增大对温度场和应力场的整体分布几无影响,但会使X轴向的温度梯度及应力增大。涂层厚度增大会降低激光能量传递至界面处的效率,增大表、界面温差;但在保证界面处温度达到复合涂层成分最低熔点的情况下,进一步减薄涂层会增大界面处Z轴向温度梯度,且可能导致过烧。HfC-NbC-TaC-TiC-ZrC涂层所需熔覆温度较高,激光熔覆过程中产生较高的温度梯度及热应力,涂层内弯曲及脱落可能性更大;HfN-NbN-TaN-TiN-ZrN涂层由于本身热导率较低,激光熔覆过程中产生的温度梯度及热应力较大,且熔覆区基本只影响到相邻路径区域,而扫描间距对于X轴向应力分布的影响也变小。除此之外,这两种体系涂层的温度场及应力场规律与HfB2-SiC-Si-MoSi2涂层基本一致。沿用前述模型进行HfB2-SiC-Si-MoSi2涂层激光烧蚀温度场模拟,发现在64、96W的线烧蚀下涂层表面最高温度仅为829℃、1351℃,不会对涂层主体造成较大损伤。实际实验中,该涂层能耐受128W功率的线烧蚀而不发生明显的破坏。在64、96W的点烧蚀作用下涂层表面最高温度达到1150℃、1700℃,界面最高温度达到920℃、1380℃,不会对涂层主体造成较大损伤;然而实际情况下96W点烧蚀4s涂层已被蚀穿;除此之外,实际烧蚀结果与模拟结果基本吻合。

关键词： 预应力混凝土T型梁   梁端裂缝   水化热   温度场   应力场   有限元法  

摘要： 为避免预制混凝土T梁在施工养护期间产生较高的水化热而导致梁端出现早期竖向裂缝,以一座40 m预应力混凝土T梁为研究对象,对其浇筑过程水化热发展及早龄期力学性能进行监测与测试,并基于实测结果建立考虑梁段早期时变的精细化有限元模型,研究浇筑过程水化热温度场演变特征、梁端应力分布规律。结果表明:40 m跨预制T梁在混凝土浇筑初期,靠近梁端位置因水化过程中的温度迅速聚集而具有较高的开裂风险,且在距梁端2～4 m区域的腹板靠近翼缘板位置易贯通。建议控制入模温度在20℃以内并采用优化配合比的方法,减少水泥用量或采用低水化热水泥,以达到降低水化热和防止裂缝产生的目的。

关键词： 涡轮叶片   应力   裂纹扩展   失效   应力强度因子  

摘要： 随着科技不断进步,涡轮增压技术得到了广泛应用。涡轮增压器已经成为机车发动机的重要组成部分,是提高发动机效率,和降低排放的重要途径之一。近年来涡轮增压器不断朝着高转速、大功率、轻量化的方向发展,导致涡轮叶片工作环境愈加恶劣,经常发生应力过大产生裂纹而导致失效的故障,造成重大损失,因此亟需对叶片微裂纹萌生及扩展机理进行深入研究。本文采用ANSYS软件对涡轮叶片进行流-固耦合分析,利用CFX对涡轮叶片进行流体计算,并将计算结果导入稳态热分析和结构分析模块,将稳态热分析的结果也导入结构分析模块,在结构分析模块设置转速,计算得到叶片的耦合应力分布,根据应力分布情况对叶片裂纹萌生机理做了简单分析,确定了易产生裂纹的危险部位。其次在易产生裂纹的部位插入半椭圆裂纹作为初始裂纹,对不同尺寸的裂纹进行应力强度因子计算,共进行了10组仿真分析,通过对应力强度因子的研究分析了叶片裂纹扩展机理。最后仿真分析流-固耦合作用下裂纹平稳扩展至失稳的过程,计算了不同转速下的应力强度因子值的变化,通过对应力强度因子的研究分析了各因素对叶片裂纹扩展的影响。仿真结果表明在出气侧叶根部是易萌生微裂纹的危险位置,且热载荷和离心载荷对耦合应力影响较大,是叶片微裂纹萌生的主要因素,而在裂纹扩展中离心载荷占主导地位,并且高工况下裂纹长度扩展到8mm时面临失稳发展。

关键词： 原煤   应力   瓦斯压力   温度   吸附模型  

摘要： 煤具有复杂孔隙结构,使其吸附气体的过程变得极其复杂,并且受瓦斯压力、环境温度、地层应力等多因素影响。随着煤炭采深逐年增加,深部煤层高温、高瓦斯压力、高应力环境对煤层瓦斯的吸附响应更加明显。本文以块煤为研究对象,研究瓦斯压力、温度、应力三因素作用下煤吸附瓦斯的规律。针对应力加载作用下煤体吸附空间变化导致吸附量测量不准的问题,设计改进了三轴恒容吸附室,搭建了恒容变温、变载、变压煤体吸附试验系统。利用该试验系统,设计了考虑不同瓦斯压力、温度、应力三因素作用下的煤吸附瓦斯试验,获得了不同因素作用下煤体吸附瓦斯规律。试验结果表明块煤吸附瓦斯符合Langmuir吸附规律,Langmuir吸附常数值与温度、应力之间符合二次函数关系,二者变化范围不同,吸附常数a值随着温度的升高而减小,随着应力的升高先减小后增大,吸附常数b值随着温度的升高先减小后增大,随着应力的增加而减小。吸附平衡压力一定时,煤体吸附瓦斯量随着应力的增加整体呈下降趋势。瓦斯压力、温度、应力三因素对煤体吸附瓦斯量影响大小关系为:瓦斯压力对吸附的影响优于应力,应力对吸附的影响优于温度。基于试验结果,建立了考虑瓦斯压力、温度、应力三因素作用下的煤体吸附瓦斯模型,用Comsol Multiphysics软件数值求解了不同瓦斯压力、不同温度、不同应力作用下的吸附规律。论文揭示了瓦斯压力、温度、应力三因素作用下的煤吸附瓦斯规律及提出了吸附模型,为深部高应力煤层瓦斯含量测试,保护层保护机理研究,煤层瓦斯抽采半径确定,煤层气地面排采方案设计提供参考依据。该论文有图39幅,表29个,参考文献76篇。

关键词： 锂电池   相场模拟   锂枝晶生长   固态电解质   应力  

摘要： 金属锂是下一代储能系统中极具应用前景的负极材料之一。然而,锂枝晶的存在、生长会导致电池内部热失控,严重制约了其在电池领域中的持续发展。在传统的液态电解质中,锂枝晶会导致电池内部形成短路,从而引发电池热失控等问题。即使在机械强度较高的固态电解质中,由于锂枝晶过高的机械强度,也仍会对电解质造成破坏。针对锂枝晶导致的电池失效等问题,本文在力-电-化多场耦合条件下分别建立了液态和固态电解质中锂枝晶生长的相场模型,分析了枝晶生长的影响因素,探究了枝晶生长机理,为固态电解质的性能改善与结构优化提供理论指导。本文研究内容主要包括以下三个方面:(1)液态电解质化-电多场耦合的锂枝晶生长相场法模拟。首先引入相场序变量用来描述枝晶的界面状态变化,基于基本吉布斯自由能和界面能建立液态电解质中枝晶生长的相场模型;并通过一维模拟结果与实验的对比,验证了模型的准确性;在此基础上,模拟了单枝晶和多枝晶的形貌演化,分析了各向异性强度、初始角度和模数对枝晶生长形貌的影响。结果表明:多枝晶更倾向于纵向生长,更易于形成短路。此外,各向异性强度和初始角度对枝晶形貌影响较大;当各向异性强度较大、初始角度较小时,一次枝晶生长加快,二次枝晶受到抑制。(2)固态电解质力-电-化多场耦合下的锂枝晶生长相场法模拟。考虑到枝晶在生长过程中会与周围的固态电解质产生相互作用力,故引入弹性势能。基于吉布斯自由能、界面能和弹性能,建立固态电解质中枝晶生长的相场模型。利用该模型对单枝晶和多枝晶的形貌演变以及充放电过程中枝晶的应力和锂浓度的演化进行了模拟计算,并分析固态电解质的力学性能、各向异性强度、界面移动系数和电极表面电导率对锂枝晶形貌和应力分布的影响。结果表明,从应力分布来看,多枝晶对电解质的破坏程度更大,对相邻的枝晶抑制效果更明显。此外,当固态电解质的机械强度较大、各向异性强度较大、界面移动系数较大、电极电导率较小时,单/多枝晶生长受到抑制,但单/多枝晶的应力随之增大。(3)固态电解质中裂纹生长的相场法模拟。引入相场变量模拟力-电多场耦合下固态电解质中电极与电解质的界面处裂纹的生长,探究界面缺陷对固态电解质的破坏机理。结果表明,裂纹在萌生初期存在应力积累,首先发生横向生长,后期生长更倾向于纵向生长,对电解质破坏程度更大。同时初步定性地研究了裂纹与过电位和电流密度的关系,发现裂纹周围电流密度较高,且存在一定的过电位。

关键词： PBA工法   应力分析   地表沉降   数值模拟  

摘要： 伴随着经济建设的发展,地铁建设也进入到了发展的黄金阶段,许多施工方法应运而生,但由于地表空间可利用率不断降低,城市环境越发复杂,传统意义上的施工方法已不再适用于城市地铁建设,浅埋暗挖法中的PBA工法是在暗挖法的基础上与框架结构施工方法进行有机的结合,从而形成的一种灵活多变、适应性强的施工方法。经过大量的工程实践证明,PBA工法是在复杂条件下降低地铁施工对既有道路交通影响的一种有效措施,同时取得了显著的经济效益。目前,PBA工法理论远不及工程实践丰富,这对PBA工法的推广极为不利。本文以北京地铁三号线东坝中街地铁站建设工程为背景,利用MIDAS-GTSNX有限元软件针对采用PBA工法施工的车站主体工程进行数值模拟分析,力求掌握其作用机理,为以后的工程提供参考性意见。主要研究工作与研究成果有以下几个方面:(1)根据东坝中街车站的主体工程所在的地质条件,运用MIDAS-GTSNX有限元软件并充分结合主体工程的自身特点进行三维地质建模,并简述Modified Mohr-Coulomb模型原理。(2)分析在不同施工阶段下地表沉降量与沉降槽的变化规律,得出导洞开挖阶段引起的地表沉降量最大,扣拱阶段次之;沉降槽在导洞开挖阶段出现“单-双-单”的形式,最终以单凹槽的形式稳定在结构中心线处。(3)分析施工过程中地层应力、导洞初支与主拱的内力、灌注桩与冠梁的应力、中柱的内力等结构的力学变化规律,得出边桩受力形势复杂,不仅承受地层的竖向荷载,而且受到边桩之外土体的侧向土压力的作用;经过模拟发现中柱是受力最大的竖向支撑构件。(4)对比在不同导洞开挖顺序下地表沉降量与沉降槽的变化规律,以Peck曲线验证沉降槽的变化规律,得出“先下后上,先边后中,上下交错,隔洞开挖”为最优施工方案;沉降槽的峰值由结构两边向结构中心线处移动,最终稳定在结构中心线处,沉降曲线以结构中心线呈正态形式分布,地层损失率在0.65%-0.75%之间。

关键词： 煤与瓦斯突出   瓦斯场   应力场   演化规律  

摘要： 井下采掘作业破坏了煤层的原始平衡状态,采掘空间周围煤层的瓦斯和应力出现重新分布。邻近采空区煤体出现变形破坏,煤层瓦斯发生流动,煤体应力与瓦斯压力明显降低。准确地掌握邻近采空区煤体的瓦斯-应力场演化规律,可为沿空巷道煤与瓦斯突出的防治提供指导,对实现矿井的安全高效生产意义重大。基于此缘由,本文根据孟津煤矿的开采条件,采用理论分析、数值模拟及现场实测的方法,研究了孟津煤矿邻近采空区煤体瓦斯-应力场的演化规律:结合孟津煤矿的实际地质开采条件,理论分析了邻近采空区煤体内部应力、瓦斯在工作面回采中的分布规律;结合孟津煤矿的地质开采条件,建立了COMSOL三维数值计算模型,模拟了12050工作面和巷道采掘后的瓦斯、应力分布,得出了邻近12050采空区煤体的瓦斯-应力场演化规律;对沿12050采空区掘进的12070工作面运输巷进行了现场实测。结果表明:(1)在考虑瓦斯与垂直应力的影响下,理论计算得出防治煤与瓦斯突出所需的最小卸压带宽度为9.78m。理论计算得到沿空煤体应力卸压宽度为15.77m,沿空煤体瓦斯卸压排放范围不低于16m,沿空煤体应力卸压宽度与瓦斯卸压排放范围都大于防突所需的最小卸压带宽度。(2)通过COMSOL模拟可知,工作面邻近采空区煤体瓦斯卸压排放范围随时间的增长逐渐增大,从1个月时6m增长至8个月时23m,可见邻近采空区煤体的瓦斯卸压范围与时间成正相关,采空区放置时间越长,越有利于沿空煤体瓦斯、应力卸压,有利于防止瓦斯突出。(3)对11010工作面轨道巷采动应力进行现场实测,采动应力随时间变化具体表现为:先调整至稳定状态,而后平稳一段时间,接着迅速增大,到达峰值后又下降的趋势。对沿12050采空区掘进的12070工作面运输巷进行现场实测,巷旁小于20m范围为瓦斯排放范围,巷旁20m范围内的瓦斯含量在随着时间的增长逐渐减小。本论文含图50幅,表10个,参考文献71篇。

关键词： U形膨胀节   有限元法   数值模拟   应力   轴向刚度  

摘要： 随着工业生产规模的不断扩大,大型甚至超大型膨胀节在工业生产上的应用逐渐增多,但目前关于超大型膨胀节的研究还比较少。本论文针对直径6米的超大型U形膨胀节,采用有限元法对其液压成形过程进行数值模拟,同时对膨胀节标准中的强度和轴向刚度计算公式进行分析。主要工作和结论如下:(1)对超大型U形膨胀节的液压成形过程进行数值模拟,与工程实际结构要求相比,数值模拟得到的膨胀节波高、波距和波峰厚度的误差均在工程允许范围内,表明采用有限元方法对超大型U形膨胀节进行液压成形数值模拟是可靠的。(2)对压力和位移工况下的单层和双层超大型U形膨胀节按公式法进行应力计算,并采用有限元法进行应力分析,结果表明,与有限元计算结果相比,无论是单层膨胀节还是双层膨胀节,公式法计算出的应力值都有些偏差,但分析应力数值大小和偏差是否保守发现,对于直径达6米的膨胀节,采用标准中公式进行强度设计还是有效的。(3)对超大型U形膨胀节进行公式法刚度计算和有限元刚度分析,并将计算结果与制造厂提供的刚度进行对比,发现刚度公式计算值偏大,其差值甚至超过50%,而有限元计算值较为接近。(4)按照GB16749标准中刚度公式计算了公称直径1米至4米的膨胀节轴向刚度,同时采用有限元法对轴向刚度进行数值模拟,对比发现,对于直径大于2米的大型膨胀节,标准中刚度计算公式得到的轴向刚度明显偏大,为此定义了膨胀节刚度修正系数,分析了 t/D、h/D、r/D对刚度修正系数的影响,拟合了刚度修正系数的函数表达式。

关键词： 锂离子电池   层状复合电极材料   3D框架微结构   扩散   应力  

摘要： 制备出更优异的负极材料是提高锂离子电池性能的有效策略之一,也是当前锂离子电池研究领域的一大热点。具有3D框架微结构的层状复合电极材料为研究人员从细观尺度设计负极材料提供了广阔空间,这种负极材料在加快锂离子传输效率、提高导电率的同时还可缓解较大的体积膨胀,并实现多种优异性能的“叠加”,是一种极具应用前景的负极材料。然而,关于其电化学-力学机理的理论研究尚不完备,缺乏材料结构设计与优化相关的理论指导。本文针对具有3D框架微结构的多层复合电极材料,对锂离子电池中的电化学扩散规律、应力的演化和缓冲机理、电极-电解质界面反应动力学进行了理论研究。 首先,基于“自然”特征函数展开法发展了一套适用于求解不同边界条件下多层活性材料离子扩散问题的解析方法,该方法求解过程更加简捷、具有更明确的物理意义。接着,将该方法应用于单层活性材料的扩散场求解,与已有的经典解对比证实了本方法的正确性和可行性。随后,以三明治状对称结构和双层非对称结构为例,在恒电流和恒电压充电条件下对扩散场进行了求解和分析,结果发现,锂离子在两种结构中均为瞬态、不均匀分布。将SiOC@GNS@SiOC三明治状对称结构和SiOC@GNS双层结构分别与同厚度的单层SiOC和GNS结构进行了对比,可以发现,GNS层因较大的扩散系数具有相对较小的浓度梯度,GNS层的加入不仅没有明显改变SiOC层的嵌锂能力,反而在一定程度上降低了结构的浓度梯度,3D结构的GNS框架还为三明治状对称结构搭建了一个相互连通的导电网络。 其次,根据结构刚度的不同建立了三种力学模型,分析表明,无论是在三明治状对称结构还是双层非对称结构中,3D框架在纳米薄片搭接处的力学约束对应力都有很重要的影响。相对而言,柔性框架结构会产生更小程度的弯曲变形以及更低的应力水平,活性层界面处的应力差也相对较小,更有利于应力松弛。因此,在满足电化学性能的前提下,选用柔性框架结构更有利于电极的力学稳定性和结构完整性。此外,研究了厚度比和模量比对应力的缓冲效应,结果表明,为降低整体的应力水平,在保证其他材料属性符合要求的前提下,要尽可能选择模量比较小的两种活性材料。在三明治状对称结构中,应在保证强度允许的情况下适当减小夹心层的厚度;在双层非对称结构中,也要适当调整厚度比以确保整体应力水平尽可能低。在恒电压充电条件下对三明治状对称结构的两种设计方案进行对比,并给出了优化建议和力学依据。 最后,建立了一种多层活性材料的弹塑性模型,并考虑残余应力的影响,利用改进的Butler-Volmer电化学动力学方程从理论角度研究了机械应力对电极电化学反应的影响。通过理论计算发现,屈服强度最小为2GPa时,静水应力对过电势的影响仍然占据了将近50%,在屈服强度更大的情况下应力的影响比净电流密度的影响更大。此外,用改进的Butler-Volmer方程计算的电压差与实验结果的趋势大致相同,曲线全部对应“三个阶段”、“两个转折点”,说明应力对电化学反应的影响是造成电压滞后的一个重要原因,在分析过程中不可以忽略。

关键词： 砂岩   温度   应力   气体渗透率   孔隙结构  

摘要： 目前,岩土工程逐渐由浅层转向深部,使得许多岩土工程都涉及高温高压的环境,因此高温高压条件下岩石的各种特性成为研究的热点,尤其是岩石的渗透特性及孔隙结构特征。为了探讨热损伤对砂岩各种特性的影响,对不同温度（20℃-800℃）预处理后的砂岩进行了一系列物性参数的测量及气体渗透试验,并通过压汞法及扫描电镜分析了热损伤后砂岩的孔隙结构特征、孔隙度及孔径分布的变化,结合宏、微观试验手段对热损伤后砂岩气体渗透特性及孔隙结构的演化规律进行了研究。具体研究结果如下:（1）开展了不同温度预处理后砂岩的基本物性参数试验。测量了砂岩的质量、体积、密度、波速,并对不同温度处理后砂岩的矿物成分进行了分析。发现砂岩的质量、密度均随着预处理温度的增加逐渐减小,砂岩的体积未出现较为明显的变化,波速随着预处理温度的增加先出现小幅度增大后逐渐减小;砂岩的主要矿物成分组成结构未发生变化,但是其粘土矿物成分组成结构发生了改变,高岭石逐渐转化成了伊蒙混层。（2）开展了不同温度预处理后砂岩在固定围压下的气体渗透性试验。发现气体渗透率随着温度的变化趋势是相对复杂的,当预处理温度在20℃-400℃时,气体渗透率随着温度的升高而增加,当预处理温度达到500℃时,砂岩气体渗透率减小,而当温度继续升高时,气体渗透率进一步增加,且变化幅度增大,800℃加热后的砂岩的气体渗透率是未进行加热处理时的21倍。（3）开展了不同温度处理后砂岩在不同围压、注气压力下的渗透性试验研究。发现砂岩气体渗透率与围压存在指数减小的变化关系,温度对于砂岩的围压敏感性及围压滞后效应存在一定的影响;砂岩的气体渗透率随着注气压力的增加呈现指数减小的趋势,不同温度处理后砂岩的气压敏感性会发生改变,在注气压力小于2MPa时,温度对于砂岩气压敏感性的影响较为明显;不同温度处理后的砂岩气体渗透试验均出现了滑脱效应,且不同因素（温度、围压等）对于滑脱效应均会产生一定的影响。（4）采用压汞法及扫描电镜对不同温度处理后砂岩的孔隙结构进行了分析研究。发现温度对于砂岩孔隙结构的影响是复杂的,主要是热开裂、热膨胀以及矿物颗粒剥落三方面因素对其产生影响;孔隙度、孔径分布分析结果表明,孔隙度随着温度呈现指数增长的趋势,小尺寸的孔隙会发展为大尺寸的孔隙;基于CPSD算法对砂岩数字图像渗透率预测进行了研究,发现较高倍数的数字图像能够更准确的进行渗透率预测,渗透率预测值随着预处理温度的增加呈现逐渐增大的趋势。论文有图54幅,表20个,参考文献129篇。