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关键词： DLC多层薄膜   磁控溅射   应力分析   摩擦学性能  

摘要： 类金刚石薄膜（Dimond-like carbon,DLC）以其高硬度、优异的减摩耐磨性能等特点受到广泛的关注和研究,但是该薄膜内应力大、结合性能差等缺陷限制了其应用。改善这些缺陷就需要深入研究薄膜性能与基体、过渡层、摩擦测试条件等影响因素的关系。目前,关于承载条件下DLC薄膜的损伤机理及其结构对承载特性的影响规律尚未明确,薄膜随基体变形协调能力不足对摩擦学行为的影响有待揭示。基于以上问题,本文对DLC薄膜的承载特性分析及其摩擦学进行研究。采用磁控溅射技术制备了DLC薄膜。在沉积过程中,选用SUS304奥氏体不锈钢和YT15硬质合金作为基体,Al Ti N涂层作为过渡层。观察不同基体和过渡层组合的DLC单层和多层薄膜的微观结构、形貌和摩擦学演变。通过往复式磨损测试,研究了DLC薄膜在不同磨损阶段的显微组织与摩擦学行为演化。结果表明,硬质基体和添加过渡层可以有效提高薄膜结合力。在往复磨损过程中,高硬度基体可改善薄膜磨损初期的磨损行为,而高塑性的SUS304基体可减轻薄膜的磨损。DLC薄膜的拉曼光谱结果ID/IG值随着磨损时间的增加而增大,在长期往复磨擦测试中ID/IG比值的增长速率减小,当磨损次数超过10万次后,DLC薄膜的ID/IG比趋于稳定。采用有限元分析方法研究过渡层对薄膜承载能力的影响,构建了Ti、Ti C、Ti N、Ti CN等过渡层材料的多层DLC薄膜,分析了不同过渡层DLC薄膜静态压载条件下的受力情况。结果表明,单层过渡层DLC薄膜的最大米塞斯应力随过渡层材料的杨氏模量的增大而增大;多层过渡层薄膜中过渡层材料从上层到下层杨氏模量由小到大排列时米塞斯应力最小。1.0μm厚度的Ti过渡层DLC薄膜米塞斯应力最小为3520MPa。进行了不同载荷和频率下DLC薄膜的摩擦磨损试验。当频率为2.5 Hz时,DLC薄膜摩擦系数随载荷的增大而减小;当频率为5 Hz时,各个载荷下薄膜表面摩擦系数相对稳定;当频率为10 Hz时,摩擦系数随着载荷的增大而增大。在2 N的低载荷下DLC薄膜摩擦系数随频率的升高而减小;在5 N和10 N的高载荷下DLC薄膜摩擦系数随频率的升高而增大。

关键词： 焊接接头   应力   腐蚀   数值模拟   电偶腐蚀  

摘要： X80管线钢作为长输管道的主要用钢,其力学性能和耐腐蚀性能备受关注,但是X80管线钢在焊接完成时,焊缝处的组织和耐腐蚀性能会发生一定的变化,对其在复杂环境下的服役构成一定影响,因此,开展对X80管线钢焊接接头组织性能和腐蚀行为的研究至关重要,这将对X80管线钢的应用提供一定的理论支撑作用。本文的主要研究内容和结论如下:(1)通过金相腐蚀实验,分析了X80焊接接头的金相组织,结果表明热影响区以粗大的奥氏体组织为主,母材区为均匀的针状铁素体,焊缝区为针状铁素体和贝氏体;焊接接头的硬度测试结果表明,焊缝中心硬度最低,硬度值向两边逐渐增大;X80管线钢外表面硬度稍高,内表面硬度值相对较低。(2)X80母材和焊缝在无应力状态下的电化学实验结果表明,在酸性红壤模拟溶液中,母材比焊缝具有更负的腐蚀电位、更大的腐蚀电流密度;母材和焊缝的力-电化学腐蚀实验结果表明,外力越大,则母材和焊缝的腐蚀电位越负,且在外力相同时,母材比焊缝有着更负的腐蚀电位、更高的腐蚀倾向。(3)焊接模拟结果表明,焊缝中心的焊接残余应力最大;力-电化学腐蚀数值模拟结果表明,焊接残余应力会影响材料的腐蚀性能,且在相同焊接残余应力情况下,管道内压越大,则焊缝的腐蚀电位越负、腐蚀电流密度越大,腐蚀越严重。(4)焊缝-母材腐蚀电偶数值模拟结果表明,在焊缝-母材电偶对中,母材为阳极被腐蚀,焊缝为阴极被保护;焊缝的宽度会对阳极腐蚀性能产生很大影响,焊缝越宽,则阳极耦合电流越大、阳极腐蚀速度越高、阳极电极腐蚀变形越大,而母材的宽度变化对其影响较小。

关键词： 激光熔覆   温度场   应力场   Marangoni对流   熔覆层质量  

摘要： 海工装备表面长期遭受海水腐蚀,零件表面极易出现腐蚀损伤,提高其表面的耐腐蚀性能是当前急需解决的重要工程技术问题。镍基合金以其耐高温、耐腐蚀的优异性能被广泛地应用在航海等腐蚀严重的领域。利用激光熔覆技术加工而成的熔覆层不仅是冶金结合,而且热影响区小。整个熔覆过程能够实现精密的定向加工,在镍基高温耐蚀合金的加工方面有着独到的优势。加工中的熔池分布状况与熔覆层的质量息息相关,熔池温度场及应力场的分布直接影响着熔覆层内部组织的成形及元素的分布。但是,现有的技术在探究熔池内部的温度分布及熔池流动方面有明显的不足,无法直接探知熔池内部的演化规律,极大地限制了激光熔覆这项技术的进一步应用。本文针对上述问题,围绕海洋装备镍基合金熔覆过程中温度及应力的演化过程,采用实验与模拟相结合的方式,分别从熔池温度场、流场及应力场分布三个方面探究了工艺参数与熔覆层质量之间的关系。本文的主要研究工作如下:(1)研究了熔池温度场的演化过程,明晰了热输入量与熔覆层组织分布之间的关系。熔覆加工中热输入量值越大,结合线上方晶粒尺寸就会更大,与结合线垂直的现象就越明显。加工过程中熔池前端温度在不断累积的同时也会对周围的基材和粉末起到预热的作用,使得工件边缘位置两次扫描轨迹之间的温度值可以达到1677K和2017K,均超过粉末熔点。熔覆层搭接区在二次加热的影响下组织更加致密。(2)研究了加工过程中应力场演化过程,结合熔覆层表面的质量,探究了应力分布与裂纹产生之间的关联性。熔覆过程中熔池中心区域呈现低应力分布,前端及两侧应力值较大。熔池凝固区域应力值会随下降温度值的增加而增大,最大应力值可达746.11MPa,并且呈现出垂直于加工方向朝两侧撕裂的状态。过大的应力值使得工件表层产生裂纹,这也影响了电化学实验中钝化区的产生。(3)探究了工艺参数对熔池流场分布的影响,明晰了熔池中流场在传热传质方面对熔池的影响。Marangoni效应的存在使得熔池中心温度降低,能量被扩散到熔池边缘,使得熔池尺寸增加。流动过程中的搅拌作用会使得熔覆层中元素分布趋于均匀,改善熔覆层质量。熔覆中流场呈现出对称分布,熔池中心流速较低,熔池中心外围区域由于温度值变化明显,流速反而较高。加工后镍基熔覆层上方由于Marangoni效应的搅拌作用,上方晶粒细小且形成了Cr化物,使得硬度值可达450-600 HV。该论文有图41幅,表7个,参考文献83篇。

关键词： 剪力墙结构   免支撑置换   有限元模拟   应力分析  

摘要： 置换混凝土加固法常用于解决混凝土强度偏低或有严重缺陷的问题,其中免支撑置换混凝土加固法因施工周期短、无需卸载支撑、造价低等优点被应用于剪力墙结构加固工程中,但对该技术在方案设计以及施工过程中墙肢应力变化的研究仍然较少。本文以陕西省咸阳市某剪力墙结构工程为研究背景,通过对比分析该结构第二十层剪力墙混凝土强度降低后与原设计强度的抗震性能及承载能力,结合工程现状选用免支撑置换混凝土加固法,设计加固方案,探讨施工工艺、施工监测,并采用ETBAS有限元软件对免支撑置换混凝土加固施工全过程进行模拟,分析置换混凝土过程中剪力墙应力、各批次置换墙肢应力的变化规律,以及置换施工过程对其他楼层剪力墙的影响。本文主要研究成果和内容包括:1.采用ETABS建立原结构整体模型及第二十层混凝土强度由C30降至C20的整体模型,模态分析和反应谱分析结果表明:混凝土强度降低导致结构周期、层间位移和层间位移角均增大,结构在X向地震作用下部分楼层的层间位移角超出规范限值;混凝土强度降低前后结构第二十层剪力墙轴压比计算结果表明:混凝土强度降低导致剪力墙轴压比增大了1.5～1.7倍,且部分剪力墙轴压比超限。由此可知混凝土强度降低导致结构整体的抗震性能和承载能力减弱。若仅加固轴压比超限的剪力墙可使其满足规范限值要求,但并不能解决混凝土强度降低引起的层间位移角超限问题。故结合本文研究的结构现状经方案比选采用免支撑置换混凝土加固法。2.以轴压比作为控制条件设计了二批次和三批次两种置换方案,仿真分析两种方案的轴压比,结果表明:三批次置换过程中墙肢轴压比小于二批次,经对比分析选择三批次置换方案,并设计加固施工过程中的辅助支撑体系,总结了施工工艺和施工监测等关键技术。3.采用ETBAS软件的非线性顺序施工加载对免支撑置换混凝土的施工全过程进行有限元分析,结果表明:置换施工过程中各批次置换的墙肢存在应力滞后现象;在置换完成后的正常使用阶段,各批次置换的墙肢能够共同受力;置换施工过程对结构的应力分布影响主要集中于置换层相邻的上下楼层剪力墙,且对端部墙肢的应力影响更大,甚至会造成与置换层相连的上层剪力墙端部出现拉应力,因此在置换方案设计和置换施工过程中应做好相应的措施。

关键词： 阻焊   预连接   金刚石   应力   磨削性能  

摘要： 大粒径钎焊金刚石工具在高效重负荷加工过程中,高的磨粒出露度会导致部分金刚石磨粒整体破碎或脱落,从而降低了钎焊金刚石工具的加工精度和使用寿命。然而现有的金刚石工具修整方法对解决该问题无能为力。阻焊作为施压型微域加热工艺,可以解决金刚石工具损毁磨粒的修复难题。因此,本研究拟采用预连接工艺和阻焊工艺在磨粒损毁的位置“重植”完好的金刚石磨粒,以较小的工作量实现钎焊大粒径金刚石工具功能的恢复,为提高大粒径钎焊金刚石工具的使用寿命服务。通过试验分析,完成了以下具有创新意义的原理性论证工作:（1）预连接金刚石磨粒的研究结果表明,1000℃保温2min的预连接工艺在使金刚石与Ni-Cr-P合金实现良好冶金结合的同时,极大程度上维持了金刚石磨粒的磨削性能;金刚石与预连接层的结合界面上生成Cr3C2和Cr7C3化合物,金刚石磨粒仍保持良好的锋利度且表面无热损伤;预连接金刚石磨粒整体受到压应力,压应力由表面至芯部逐渐减小,最小压应力为0.597GPa,最大压应力为0.739GPa;与原始金刚石相比,预连接金刚石磨粒的抗冲击韧性下降了约29.6%。（2）阻焊金刚石磨粒的研究结果表明,在最优阻焊工艺参数（I=0.67k A;F=0.2MPa;t=50ms）下,焊后金刚石磨粒可以产生一定出露并保持良好的锋利度,同时,预连接磨粒与基体产生焊接熔合;阻焊后金刚石磨粒整体受到压应力作用,最小压应力为0.692GPa,最大压应力为0.829GPa;相比于预连接金刚石磨粒,阻焊后金刚石磨粒的抗冲击韧性仅下降了3.75%;阻焊不会对周边金刚石磨粒产生热影响。（3）磨削试验结果表明,当主轴转速10000r/min、修锐深度80μm和修锐时间8s时,修锐后金刚石磨粒棱边完整,磨粒从预连接层中出露,修锐效果较好;修锐后,金刚石磨粒顶端受到0.377GPa的拉应力,而底部受到0.783GPa的压应力;阻焊金刚石磨粒的磨耗平台面积扩展率和对大理石的材料去除量均优于钎焊金刚石磨粒;阻焊金刚石试样磨削大理石的平均表面粗糙度Ra为1.670μm,钎焊金刚石试样磨削大理石的平均表面粗糙度Ra为1.478μm;阻焊金刚石试样的磨削弧区最高温度为44.26℃,比钎焊金刚石试样低约7.24℃。

关键词： 加热炉   壁板   应力   稳定  

摘要： 以某项目圆筒型加热炉为例,采用***软件建立了有炉壁板的分析模型和无壁板纯框架的分析模型。对比分析发现,有无炉壁板对炉底柱受力强度和稳定性几乎没有影响。但对筒体柱在受力强度和稳定性均有较大影响,尤其对稳定性的影响更大。

关键词： 泵站   桩基础   有限元   位移   应力  

摘要： 新中国成立以来,我国水利工程设施建设迅猛发展,泵站工程作为水利工程设施中的一个重要组成部分,在水资源调度和管理中起这重要的作用,并已被应用于各类引水工程中。瓜洲泵站作为扬州主城区的一个重要水利工程设施,该泵站可以起到有效调节和降低扬州市古运河、仪扬河干流水位,保障平原区顺畅出流,减少圩堤防洪压力。鉴于瓜洲泵站工程的重要性,设计采用了钻孔灌注桩基础,且泵址区域地基复杂,为确保泵站结构的安全,有必要开展瓜洲泵站结构计算。由于传统的设计方法不能有效考虑泵站底板、边墩、中墩、桩基及地基之间的相互作用及三维空间效应,鉴于三维空间有限单元法在这方面分析的优势,本文采用三维空间有限单元法对瓜洲泵站进行数值模拟与计算,由此反馈泵站结构设计。主要研究内容如下:(1)研究结构有限元计算理论,着重分析土层弹塑性本构模型和桩土间接触,为瓜洲泵站三维有限元计算提供理论基础;(2)分析瓜洲泵站结构和地基状况,考虑复杂结构几何特性及土层分布,建立瓜洲泵站三维空间有限元弹塑性模型;(3)分析多种工况下瓜洲泵站所受的自重、水压力、扬压力和土压力等荷载,模拟和分析各工况下瓜洲泵站结构变形和应力分布,论证和分析瓜洲泵站结构设计方案的合理性;(4)为有效考虑灌注桩基础对瓜洲泵站结构特性的影响,分别考虑不同深度和不同间距的灌注桩对结构力学性能影响,由此分别建立三维空间有限元模型,通过分析泵站结构变形和应力分布,评价不同桩基深度和桩基间距影响下的泵站结构力学特性。

关键词： 炼钢   行车梁   损伤   有限元   应力分析   优化设计  

摘要： 在大型炼钢厂,常采用多跨行车梁结构,连接加料跨、接受跨和冶炼跨,方便钢水包的运输和钢水的冶炼。吊装搬运钢水包的行车负荷大,工作频率高,对行车梁的强度和刚度提出了较高的要求。行车梁一旦出现结构性变形和损坏,比如大幅度晃动,啃轨、局部筋板开裂,甚至断裂等,势必会危及生产安全和生命安全,带来严重后果。因此,行车梁的稳定性和安全性至关重要。在设计行车梁结构时,目前普遍按照传统的钢结构设计规范进行设计,只做内力分析,不对关键部位进行应力分析。内力分析的结果虽然符合规范,但是,并不代表局部强度能够满足实际使用要求。局部强度的不足,可能引起结构失效,危及行车梁承载安全。某钢厂加料跨行车梁在生产中,发现局部结构开裂,行车梁下挠变形较大,立柱水平横向偏移较大等问题。本文针对上述问题,采用UG软件,建立了加料跨的全尺寸三维几何模型。采用Hypermesh软件,建立了全尺寸三维有限元模型。然后,采用Ansys软件,进行了危险工况下的变形场和应力计算。分析结果发现:(1)加料跨北侧西的行车梁下翼缘与梁端竖板交界处存在高应力区,应力值严重超出构件设计强度;(2)立柱抗压刚度和抗弯刚度不足;(3)行车梁下挠较严重,柱顶的水平横向位移较大。局部高应力区与现场开裂位置吻合,表明加料跨的有限元数值分析结果准确可靠。针对上述存在的问题,提出了结构优化改造方案。方案为:(1)对J列立柱采用全包柱加固方案,即在立柱四面焊接钢板,加固高度从底部基础承台上表面至柱肩下沿板;(2)在行车梁下翼缘与梁端竖板交界内侧,堆焊打磨出倒角;(3)在行车梁两端竖板侧焊接立筋板;(4)加宽立柱柱肩上沿,增加垫板面积。针对所提出的结构优化改造方案,建立了相应的三维有限元模型。对结构优化改造方案的有限元分析表明:优化后的行车梁顶部水平横向位移和下挠挠度分别降低了41.2%和36.7%;行车梁高应力区内的最大应力从295MPa降低为136.8MPa。通过本文的研究,找出了加料跨行车梁局部开裂的原因,提出了加料跨行车梁结构优化改造方案。可以消除空间应力集中,降低行车梁下挠和柱顶水平横向位移,提高了行车梁的强度和刚度。可避免行车梁局部应力过高和变形过大造成的结构失效,对炼钢的生产安全具有理论指导意义。

关键词： 超声脉冲法   声弹性理论   混凝土   应力  

摘要： 混凝土结构的工作应力是一项评价在役混凝土结构安全性的重要指标。目前,超声波应力诊断仍停留在可行性研究阶段,有待进一步深化。主要存在问题包括超声波测量结果波动变化较大,平测法真实测距不够明确,以及零应力波速获取困难等。为得到超声波用于诊断混凝土轴压构件工作应力状态的方法,首先分析了波速测量精度的提高措施,设计并特制了超声波换能器夹具来降低超声测量时的波动变化;其次对平测法测距进行修正,实现平测波速与对测当量波速的转换;最后提出了一种正交声弹性系数法以及用于解决工程实际问题的思路,该方法可以在无法测量零应力波速的条件下对轴压构件进行应力诊断。论文的主要工作如下:(1)基于声弹性理论进行了工作应力计算公式推导,提出一种正交声弹性系数检测法,可在无法测量零应力波速的条件下对轴压构件进行应力诊断。(2)分析了波速测量过程中误差产生的原因与减小误差的方法,在三个试件上采用实验对比的方法,对三种换能器布置方式下手持与夹具固定条件下的的波速测量精度进行了研究。结果显示在有夹具固定条件下,读取声时数据的最大标准差由3.57降低至0.83,表明精确定位与定压措施可以提高超声脉冲波速测量精度,有利于进一步提高超声脉冲法用于混凝土结构工作应力诊断的准确性。(3)分析了换能器布置方式对真实传播距离的影响,并通过混凝土试件切割—测量实验进行了两种布置方式的声时对比,最后根据实验数据在对测回归直线方程的基础上提出了计算换能器平测布置修正测距的最小二乘法。结论表明,平测布置可在一定条件下替代对测布置测量波速,但应通过实验来确定换能器之间的测距修正值,且应在实际应用中保持实验中的测量参数的一致性,以保证所求修正测距的有效性。(4)对正交声弹性系数检测法进行实验,根据实际工程中可能出现的情况给出了两种测量计算的思路,在前述研究的基础上进行了算例验证。实验表明,这两种思路都具有可行性。基于换能器用于平测时的测距修正,在正交声弹性系数检测法中加入单面平测法,该方法能为实际工程中的应力测量提供更高的测点布置灵活性,从而实现既有混凝土轴压构件工作应力诊断。

关键词： 盾构隧道   复合管片   火灾   热传递   防水性能   温度场   应力场  

摘要： 城市核心区地下空间日益拥挤,适用于城市地下隧道开挖的盾构法正在朝着截面形式多样化、高空间利用率等方向发展,其面临的地质条件与修建环境也更加复杂,上述发展趋势要求盾构隧道管片衬砌具有强度高、刚度大、质量好及延性与耐久性优良等条件,确保能够解决大断面、大埋深、长距离盾构隧道在施工期和运营期的安全风险。由钢管片(或球墨铸铁管片)、填充混凝土、剪力钉等组合而成的复合管片可以满足复杂条件下城市地下隧道建设的要求。本文采用模型试验、理论分析和数值模拟相结合的方法进行火灾下复合管片的研究。对火灾高温下矩形钢管与混凝土接触界面热传递研究主要采用模型试验、理论分析和数值模拟的方法进行研究,对火灾高温下复合管片衬砌的防水性能退化、温度及应力重分布构建分析采用数值模拟和理论分析的方法进行研究。利用试验研究不同厚度的钢板与混凝土在不同脱空高度下的热传递过程,得出温度时间历程曲线,计算得出界面处温度、过渡传热系数,发现钢板厚度与脱空高度对钢混凝土温度不连续性传递的影响规律。利用ABAQUS有限元分析软件建立火灾高温下矩形钢管与混凝土接触界面热传递分析、复合管片衬砌防水性能退化分析、复合管片衬砌环受火分析的精细化数值模型,以精准的火灾高温特征参数输入模型中,采用温度与荷载顺序耦合的方式,定量分析火灾高温下钢管与混凝土接触界面温度不连续性规律和火灾对复合管片衬砌防水性能的影响,构建火灾高温下复合管片衬砌环内力场重分布的计算公式。主要结论为(1)脱空的影响:无脱空状态下,混凝土界面温度与钢板/球墨铸铁板界面温度基本相同;存在脱空时,脱空间隙是导致热传递不连续的主要因素,混凝土界面温度明显低于钢板/球墨铸铁板界面温度,脱空的存在对温度传导影响较大。(2)温差和脱空高度的函数关系式:可用于计算不同脱空高度的复合管片混凝土界面温度值。(3)温度对密封垫的影响:温度为100℃时复合管片防水密封垫应力略小于常温下密封垫应力,而160℃时密封垫应力远小于常温下密封垫应力,密封垫在100℃以内强度降低不显著,在100～160℃强度显著降低。(4)各构件的温度及应力关系:选取复合管片内面板、主桁梁、含手孔的内面板上温度及应力最大的部位作为最不利位置进行重点研究,通过拟合函数得出温度及应力计算公式与曲线,供火灾温度及应力预测或灾后结构安全性能分析。