川滇主要断裂带应力应变积累速率的三维有限元模拟:初步结果

川滇地区构造活动强烈,活动断裂众多,强震活动频繁.了解主要活动断裂的应力应变积累速率对于评估该区的长期地震危险性具有重要参考作用.本文新建立川滇地区及其主要活动断裂的三维黏弹性有限元模型,其中考虑了该区的岩石圈结构分层以及介质在水平和深度方向的不均匀性;采用1996—2018年的平均GPS水平速度场约束模型的侧边界,同时考虑川滇地块深部介质的拖曳力过程,模拟计算了构造加载作用下模型的动力学响应——区域变形特征和断裂的应力积累速率.模拟的位移场能很好拟合GPS观测的速度场,模拟的水平主应力方向在川滇块体和华南块体西缘与地震震源主应力方向相符,反映所建模型与模拟结果有较好的可信度.尝试将模拟的应力积累速率与基于GPS/GNSS观测的应变速率相结合,计算能反映区域地壳应变积累程度的弹性应变能密度分布;讨论了主要断裂带的背景应力、弹性应变能密度和库仑应力积累速率与M≥6.0地震发生的关系.结果显示除了模型边界附近的应力奇异地带外,川滇其余地区1996年以来M≥6.0地震大多数发生在模拟应力积累速率高或次高的断裂带(段),以及弹性应变能密度积累速率中偏高的断裂带(段).在模拟的背景应力速率高而且库仑应力增长快的龙门山断裂带南段和鲜水河断裂带最南段,分别在本文写作和定稿阶段发生2022年6月1日四川芦山M6.1地震和2022年9月5日四川泸定M6.8地震.认为研究区具有类似高或者次高的模拟应力和弹性应变能密度积累速率、但至今无强震发生和记录的断裂带(段),潜在的地震危险性需要关注.

SS304和Q235异种钢搅拌摩擦焊接头腐蚀有限元模拟

针对异种金属焊接接头易于发生电偶腐蚀,基于腐蚀电化学原理,将动电位极化曲线参数和金相组织面积比例等作为边界条件,采用有限元分析软件COMSOL对Q235低碳钢和304不锈钢(SS304)异种钢FSW接头不同区域腐蚀行为进行了预测,研究了焊接接头不同区域宏观和微观电偶腐蚀电位分布和电流密度的变化规律。结果表明,在宏观电偶腐蚀中,腐蚀深度的最大值位于SS304后退侧(RS_(304))与搅拌区(SZ)的交界处,约为Q235低碳钢母材(BM_(Q235))的5倍,各区电流密度随腐蚀时间的增长而增大,在微观电偶腐蚀中,腐蚀深度的最大值位于SS304侧搅拌区(SZ_(304))与Q235侧搅拌区(SZ_(Q235))的交界处,约为BM_(Q235)的1.2倍,并且珠光体组织面积比例越大,耐蚀性越差。采用该有限元模型可以预测异种钢搅拌摩擦焊接头不同区域的腐蚀行为。

UHPC加固RC柱的轴压性能试验及有限元模拟分析

超高性能混凝土(UHPC)因其优异的力学性能和耐久性能,广泛应用于钢筋混凝土结构的加固中。对UHPC加固钢筋混凝土短柱轴心受压进行试验研究,利用ABAQUS有限元分析软件建立UHPC加固钢筋混凝土短柱轴心受压的有限元模型,峰值荷载模拟值与试验值吻合良好。分析长细比对加固柱荷载及塑性变形性能的影响,每组5个试件长细比分别为2,4,6,8和10,共6组30个试件。结果表明:相同长细比下UHPC加固钢筋混凝土柱能较大提升柱的承载力和延性;随着长细比L 0/d增大,加固柱的承载力降低,破坏时试件的极限位移明显增大;当长细比进一步增大,试件极限承载力降低趋势开始变缓,峰值荷载对应的位移增大,抵抗塑性变形能力变差,该研究为UHPC加固钢筋混凝土柱工程应用提供参考。

C型钢缀板柱的有限元模拟方法研究

缀板柱以其制造简便、稳定性高且价格低廉的优势,在工程钢结构中得到了广泛应用,如何准确模拟缀板与立柱之间的连接情况,是工程结构有限元模拟时的重要问题。文章采用有限元软件ANSYS,研究C型钢缀板柱中缀板与立柱之间连接情况的有限元模拟问题,通过对比单元整体建模与节点耦合建模的模拟结果,分析了节点耦合连接方法的模拟原理并提出了使用时的注意事项。计算分析表明:整体建模模拟效果较好但不便于模型修改和精细化模拟,节点耦合便于修改但需要考虑耦合方法和连接面积。文章提出的简化统一耦合方法模拟效果好,适应性强,对于工程实践中的有限元模拟工作具有一定指导意义。

有限元模拟仿真在压力容器对接接管焊缝相控阵超声检测工艺设计中的研究与验证

针对大壁厚压力容器接管焊缝多为窄间隙对接焊接头,超声检测中存在扫查路径复杂、定量定性精度差和检出率相对较低等难点,引入有限元模拟仿真技术。通过建立工件3D模型和不同类型的缺陷,模拟各缺陷在压力容器筒体外壁和接管内壁相控阵超声检测时的响应情况,优化相控阵超声探头、楔块设计和探头运动轨迹,最终实现检测工艺的理论设计。在带有自然缺陷的模拟试块上,验证检测工艺的准确性和可靠性。对比有限元模拟仿真和在模拟试块上的实际检测情况表明,经过仿真设计过的相控阵超声检测工艺可有效提高接管窄间隙焊缝中缺陷的检出率和检测精度。

有限元模拟和神经网络相结合的喷丸处理SAE9254钢疲劳寿命预测

采用ABAQUS有限元软件建立基于Python脚本的随机多弹丸喷丸模型,对不同弹丸直径、不同弹丸速度和不同喷丸覆盖率下喷丸处理后悬架弹簧用SAE9254钢的残余应力分布和表面粗糙度进行预测,并与试验结果进行对比;基于有限元模拟结果结合神经网络模型对试验钢的疲劳寿命进行预测,并进行试验验证。结果表明:模拟得到SAE9254钢的残余应力沿深度方向的变化曲线与试验结果吻合较好,最大残余压应力的相对误差约为14.77%,表面粗糙度的相对误差约为3.18%,建立的随机多弹丸喷丸模型能够准确地预测SAE9254钢喷丸后的残余应力分布及表面粗糙度。采用有限元模拟与神经网络相结合的方法得到的疲劳寿命预测值和试验值的平均相对误差为6.85%,该方法可以准确地预测SAE9254钢的疲劳寿命。

宋式古建筑木结构有限元模拟及承载特征

为提出宋式古建筑木结构的有限元模拟方法并揭示其承载特征,分析了与础石接触的柱脚和与普拍枋接触的柱头的转动特性,并给出了柱脚和柱头恢复力矩的显示表达式.研究了考虑普拍枋影响的柱头燕尾榫节点恢复力矩解析模型.并建立了宋式古建筑木结构弹簧-梁单元有限元模型,研究了此类结构的承载特征.结果表明:建立的模型可以较好地表征木结构的承载能力,当木结构向右侧变形时,竖向荷载由普拍枋左侧传递给柱头,由普拍枋右侧传递给柱头和阑额,普拍枋与柱头之间的压力随加载位移的增大而减小,普拍枋与阑额之间的压力随加载位移的增大而增大.木柱和柱头燕尾榫节点提供的承载能力是三种竖向荷载作用下木结构侧向承载能力的主要组成部分.三种竖向荷载工况下,木柱提供的承载能力均大于60%,木柱的承载能力贡献比随竖向荷载的增大而增大.

基于有限元模拟的水平连铸TP2铜管坯一次冷却结构优化研究

对比多种结晶器结构下温度场、速度场等分布状态及石墨模具内部温度变化趋势,探究其对铜套、石墨模具等易损件及铜管铸坯温度变化的影响。结果表明,在一次冷却结构增设12道Φ10 mm且倾斜角度为30°的流槽,可使冷却水流态平稳均衡,铜套受热均匀,有利于铸坯周向同时凝固。本文通过有限元软件模拟铜管水平连铸过程一次冷却结构优化对温度的影响,为生产企业改善产线冷却效果,提高产品质量,降低模具成本和延长使用寿命,提供了实验参照和理论指导。

振动辅助Ti-45Nb钛合金冷镦成形有限元模拟研究

在金属塑性成形加工中,振动辅助成形技术的应用可以有效地降低零件成形载荷,提高产品质量。本文首次基于塑性大变形理论和有限元数值模拟,对Ti-45Nb钛合金振动辅助冷镦成形机理进行了分析与研究。首先以位错密度的变化作为内变量描述材料在变形过程中材料软化、硬化等关系,建立了振动辅助冷镦成形本构模型,并采用MATLAB工具编程拟合出本构方程中的材料参数。然后利用Deform有限元软件对Ti-45Nb钛合金的大长径比薄壁零件进行建模仿真分析,根据反挤压道次中材料成形流动情况的结果,对模具中应力集中的凸模结构进行优化设计。结果表明:本文基于大变形建立的本构模型能够有效描述振动的软化作用,尤其在材料塑性变形阶段拟合较好,预测精度评估相对系数(RC)值>0.994。此外,通过建模仿真分析得出的多级倒角结构可有效促进材料流动,减小模具磨损,提高模具寿命。

中锰钢棘轮行为的细观有限元模拟

基于微观形貌构建含铝中锰钢二维代表性体积元(RVE)模型,同时引入马氏体相变演化方程,采用Mori-Tanaka均匀化方法构建了奥氏体和马氏体组合相的本构模型,对试验钢在单轴拉伸和不同工况下(平均应力为50 MPa,应力幅分别为700,710 MPa)的棘轮行为进行了细观有限元模拟。结果表明:所建立的均匀化本构模型可以较好地反映马氏体相变对试验钢力学性能的影响,基于RVE模型模拟组织演变具有一定的准确性;马氏体相变会使试验钢的单轴拉伸中发生明显强化,并会使奥氏体和铁素体之间出现应力交替现象;当平均应力为50 MPa、应力幅为700 MPa时,考虑与不考虑马氏体相变模拟的棘轮应变演化曲线几乎重合;当平均应力为50 MPa、应力幅为710 MPa时,不考虑马氏体相变模拟的棘轮应变增长率明显高于考虑相变时。

TA15/YG8复合管扩散复合工艺设计及其施压阶段的有限元模拟

目的以制备钛合金/硬质合金叠层复合管为目标,基于钛合金和硬质合金的性能特点,解决使异种管材相互靠近的载荷难以直接施加的问题,设计开发钛合金/硬质合金复合管的扩散复合工艺。方法借鉴颗粒介质成形的基本原理,提出一种钛合金管-硬质合金管扩散复合方法,并以TA15钛合金和YG8硬质合金为原材料,通过有限元模拟研究了管间间隙、固体颗粒的填充度、固体颗粒的尺寸和管坯长径比等工艺参数对扩散复合施压过程中TA15钛合金管/YG8硬质合金管界面上径向应力分布的影响。结果有限元模拟结果表明,本文设计提出的钛/硬质合金异质管制备工艺确实能将轴向压力转变为径向贴合力,并且可以通过调控下压量满足扩散复合的压力需求(最小径向应力大于10 MPa)。沿轴线方向,钛合金管与硬质合金管之间的径向应力呈不均匀分布,并且受到管间间隙、颗粒填充度、颗粒的尺寸、管坯长径比等参数的影响。管间装配精度越高、固体颗粒尺寸越小、固体颗粒的填充度越多,越有益于管坯之间的扩散复合。试验结果表明,TA15钛合金/YG8硬质合金复合管在不同部位皆实现了良好的冶金结合。结论设计开发了一种钛合金/硬质合金复合管扩散复合方法,制备出具有良好冶金结合界面的TA15钛合金/YG8硬质合金复合管。

Cu-20%Fe粉末异步轧制有限元模拟及工艺参数影响规律

为研究高铁含量铜铁粉末异步轧制的成形规律及合理选取工艺参数,应用Shima-Oyane屈服准则,在MSC.Marc有限元软件中建立粉末轧制有限元模型,通过实验验证了该模型的有效性。利用仿真结合轧制实验方法分析了异速比、压下率、轧制速度、轧辊直径及辊面摩擦系数等工艺参数对生坯相对密度和轧制力的影响规律。结果表明:相较于粉末对称轧制,采用异步的方式能显著减小轧制力,提高生坯密度分布均匀性;过大的压下率和轧辊直径分别会对生坯造成边裂和缠辊等不良影响,过低的压下率和摩擦系数导致生坯不能顺利轧制成形。实验结果与有限元模拟结果相符,相对密度模拟结果最大误差为3.89%,轧制力模拟结果最大误差为9.49%,研究结果对铜铁粉末异步轧制成形工艺优化有较好的借鉴价值。

薄壁结构件毛坯去应力分析与铣削加工变形有限元模拟研究

薄壁件在航空航天领域应用广泛,其制造精度直接决定了装备的服役性能。然而,由于热处理的影响,导致薄壁件在加工之前存在残余应力。如果控制不当极易导致零件超差。因此,本文以7075铝合金板材为研究对象,分析了残余应力在板料淬火与预拉伸时产生的原理。进一步,采用有限元方法作为工具,对7075毛坯在淬火和预拉伸法过程中残余应力的产生进行了模拟。通过模拟发现,当毛坯件被拉伸约3%,塑性应变量约为2.4%时,淬火残余应力消除可达91.2%。在降低残余应力的基础上,本文建立了薄壁结构件铣削加工仿真模型,模拟了多因素耦合作用下的铣削加工变形,并通过铣削实验验证了仿真结果的正确性。

颗粒增强复合材料切削加工三维有限元模拟研究进展

颗粒增强金属基复合材料因具有高模量、高强度及高耐磨等优异性能而被广泛应用于航空航天、军事、汽车等领域。但在其切削加工过程中,由于增强相颗粒的存在,导致刀具磨损严重,容易产生碎片瘤及被加工表面缺陷。有限元模拟可以实现对颗粒剥离及颗粒破碎等微观细节的分析,是切削加工试验研究的重要补充。对颗粒增强复合材料切削加工的三维有限元模拟研究进展进行综述,介绍了几何模型、界面模型和本构模型建立,以及网格划分和边界条件处理方面的最新研究进展,并初步探讨了存在的问题和发展方向。研究结果有助于推动颗粒增强复合材料切削加工三维有限元模拟的研究,更好地揭示其切削加工机理,为工艺参数优化提供理论依据。

20CrMnTi薄壁齿轮渗碳淬火过程有限元模拟与调控

对实际工况下20CrMnTi薄壁齿轮渗碳淬火过程利用有限元分析软件Deform进行模拟。结果表明,薄壁齿轮渗碳淬火后,渗碳层厚度为1.2 mm,淬火组织主要由马氏体和残余奥氏体组成,表面的残余奥氏体较心部的多4.2%,由于温度场的不均以及组织应力导致其径向产生9%的变形。齿轮表面和心部的残余应力分别为-256.5MPa和141 MPa。实际测得显示薄壁齿轮渗碳层厚度为1.15 mm,淬火后齿轮表面组织由针状马氏体+7%残余奥氏体+颗粒状碳化物组成,心部组织由低碳马氏体+1%残余奥氏体组成,齿轮表面残余应力为(-1078±168.2)MPa,径向最大变形量约7%,与模拟结果对应较好。为此针对薄壁齿轮热处理过程中因热应力与组织应力综合作用下内应力过大造成的变形,使其在不同部位同时冷却或采取径向约束的措施。

基于直接多层有限元模拟的二维压电材料的力电性能研究

该文采用直接多层有限元模拟(Direct multi-layer finite element,Direct FE^(2))方法,模拟非均质材料的力-电耦合问题。该方法突破了传统并发多尺度分析方法必须依赖控制脚本进行宏-微观跨尺度信息传递的固有框架。首先,通过有限元的控制方程和并发多尺度分析所需的Hill-Mandel均质化条件,推导出可直接实现宏观与微观信息实时传递的多节点约束方程。其次,将并发多尺度分析所需的宏观结构模型和代表体积单元模型合并为一个有限元模型,避免了在两个尺度之间的重复数据传输。最后,通过算例验证该文算法的正确性和有效性。

开槽砂轮磨削硅棒时的有限元模拟及磨削实验

端面砂轮磨削硅棒时,砂轮高速旋转并在硅棒表面形成一定压力的空气附面层,阻碍了磨削液进入磨削区参与有效冷却,为此设计了一种在磨料环内侧沿半径方向开设非贯通槽的新型砂轮结构,对该结构下的磨削情况进行有限元模拟,分析气液两相流流场分布,并开展磨削实验,多方面评估开槽砂轮的磨削性能。实验结果表明,开槽砂轮磨削后的硅棒表面粗糙度平均值为0.095μm,比未开槽砂轮约低10%;磨削过程中最大电流平均值为9.5A,降低约21%;修刀间隔平均值为18700mm,提高约38%;开槽砂轮表面清洁且无明显的发黑现象。研究结果表明:开槽砂轮在一定程度上可以削弱气障层,增加磨削区磨削液的体积分布,改善磨削区的清洗和冷却效果,提高砂轮的自锐性和锋利性,从而提高磨削质量和磨削效率。

盾尾注浆材料硬化特性对隧道和地层力学响应影响的有限元模拟研究

为了探究注浆材料硬化和注浆压力的消散过程对软土地层和隧道衬砌受力变形的影响,以青岛某地铁隧道为背景,考虑盾构机与土体相互作用、衬砌-注浆层-土体相互作用,以及注浆材料硬化和注浆压力消散过程,基于ABAQUS有限元平台建立了盾构施工精细化的有限元数值仿真模型,并利用实测地层沉降和隧道衬砌的收敛变形验证了数值模型的合理性。同时,对注浆材料初凝时间分别为0、2、6、12 h的数值模型进行了计算,获得了地层和隧道衬砌受力变形随注浆材料硬化过程的发展规律,以及注浆材料硬化特性对地层和隧道衬砌受力变形的影响规律。模拟结果表明:盾尾注浆8 h以内,地层的沉降和水平位移以及隧道衬砌的围岩压力和内力增加显著,注浆时间超过8 h后增加变得缓慢;注浆材料的初凝时间越长,地表沉降、地层水平位移和竖向位移则越大;衬砌拱顶和拱腰的径向收敛越大,拱底径向收敛则越小;衬砌的轴力和弯矩在注浆8 h以内增加显著。

桥梁支架预压形变有限元模拟与预拱度优化设置

为研究支架预压形变规律,优化传统预拱度设置曲线,以长株潭西环线高架桥区间满堂支架结构预压试验为工程背景,结合设计预压方案和现场施工情况,选取31-32桥跨支架结构实测数据和模拟数据进行对比分析,并用多项式拟合的方法对预拱度曲线进行优化设置.结果表明:高架桥预压预拱度设置曲线并非一条平滑的二次函数曲线,根据四次多项式拟合得到的预拱度曲线更符合现场实际工况.并用7-8桥跨支架结构的实测数据和拟合所得的预拱度曲线进行对比分析,证实采用多项式拟合法优化施工预拱度曲线具有可行性,研究结果可为类似桥梁预压施工提供参考.

用有限元模拟方法研究阶层式多孔薄膜几何参数对水通量的影响

通过系统改变阶层式多孔薄膜大孔和小孔的孔径及孔隙率等几何参数,用有限元模拟方法研究薄膜通量与相关几何参数之间线性或非线性的定量关系.模拟结果表明,在弯曲孔道基体中添加球形空穴形成阶层式多孔结构后,可使薄膜水通量提升约为原来的171%.对于弯曲孔道,单纯增加其数量可使水通量线性提升,单纯增大其孔径可使水通量以指数函数形式提升.对于球形空穴,单纯增加其数量或单纯增大其孔径,水通量均以指数函数形式提升.此外,球形空穴的水通量提升作用还依赖于它与弯曲孔道基体网格的相对尺寸,通过调节制备条件可提升分离膜材料的性能.