考虑栓接结构接触面特征的动力学建模与响应特性研究

在实际激励载荷的作用下,栓接系统的非线性动力学特性会对整个机械系统产生一定影响。当考虑栓接结构的结合面表面形貌参数与塑性指数时,实际栓接结构的系统动力学模型将更加复杂。因此,在考虑栓接结构的结合面表面形貌参数、塑性指数对法向接触刚度、接触阻尼的影响以及外界简谐激励等多种条件下,对现有的栓接结构法向接触模型进行修正,并将得到的非线性法向接触刚度与非线性接触阻尼应用于栓接结构的受迫振动动力学响应特性分析,研究栓接结构中结合面表面形貌参数和塑性指数对其动力学特性的影响。

SA387Gr11CL2主体材质超100万次疲劳容器设计探索

疲劳容器是石油化工装置中常见设备,分析设计标准JB4732附录C规定的设计疲劳曲线上限为100万次,实际工程中常遇到疲劳循环次数超100万次的情况,对此类工程问题,标准并未明确其设计方法与设计疲劳曲线。本文以SA387Gr11CL2主体材质、循环次数为315万次的疲劳容器为例,建立五个分析模型,选取其危险截面,按JB4732标准进行应力分析,评价其薄膜应力、弯曲应力等,并采用ASME疲劳设计曲线进行应力最大点和螺柱的疲劳分析。结果表明,对于循环次数超100万次的疲劳容器,可以按照JB4732的方法进行应力和疲劳分析,疲劳分析可取ASME疲劳设计曲线,由于循环次数高,螺柱疲劳损伤大,设备操作应加强对螺栓的检验,定期更换螺栓。

复合型裂纹拘束度及其承压结构失效评定图研究

围绕平板试样和管道结构的裂尖拘束度以及失效评定图(Failure Assessment Diagram,FAD)进行研究,旨在探明试样和管道之间的适配性和关联性。基于有限元法获得了中心裂纹板(Central Cracked Plate,CCP)试样以及含裂纹承压管道裂尖的拘束度,发现单轴加载作用下的CCP试样裂尖拘束度与轴向拉载荷作用下的厚壁管道较匹配,而双轴载荷作用下的CCP试样与内压作用下的薄壁管道较匹配。此外,获得了CCP试样和管道结构的FAD,发现CCP试样的FAD受厚度的影响较小;指出平行于裂纹方向的应力是使得结构的失效评定曲线(Failure Assessment Curve,FAC)提高的主要因素。最后,发现具有相同拘束度水平、裂尖复合程度以及加载方式的两种结构,CCP试样的FAC高于承压管道的FAC,即采用CCP试样的FAD评定管道结构是不安全的。

考虑应力梯度的缺口疲劳分散性研究

针对缺口部位的微观结构及尺寸导致的疲劳分散差异较大的问题,为准确预测缺口件的疲劳分散性,以矩形截面缺口件为例,采用宏观Chaboche循环塑性本构模型与细观晶体循环塑性本构模型相结合的有限元子模型方法,并考虑缺口效应,提出了以应力梯度影响因子、等效应力与纵向应变为变量的统计标准差作为疲劳指示因子FIP_(notch)。在不同位移载荷、位移载荷比和缺口直径大小情况下将疲劳指示因子FIP_(notch)与经典的Fatemi-Socie疲劳指示因子FIP FS进行疲劳分散性的比较与分析。结果表明:疲劳指示因子FIP_(notch)均能很好地预测不同位移载荷、位移载荷比和缺口直径下的缺口疲劳分散性,且比经典的FIP FS方法有更高的精度与适用性。

大型风力机叶片前缘的雨滴冲击动力学响应机制

随着近年海上风力机设计的大型化,叶片前缘的雨蚀失效问题变得愈发突出,不仅影响机组的风能转化效率,对结构的稳定运行也构成潜在威胁。采用光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)法研究雨滴内部的本构关系,以有限元法(finite element method,FEM)建立叶片前缘的代表性体积单元(representative volume element,RVE)模型,两者相互耦合,研究雨滴在叶片表面形成的冲击响应过程。考虑自然降雨的实际工况,建立与降雨强度相关联的雨滴尺寸模型,以及雨滴的空间分布模型;通过单雨滴的冲击仿真,研究叶片表面冲击载荷以及雨滴内部的速度分布,从而解构雨滴冲击的物理过程,并通过冲击的应力、应变场分析,为潜在损伤区提供评价;建立多雨滴冲击的仿真模型,研究冲击应力场之间的耦合作用以及涂层表面的塑性应变累积效果。研究结果表明,水锤冲击是造成塑性应变累积的关键因素,虽然横向喷射阶段的应力响应幅值小并呈现一定的无序特征,但如果存在多雨滴耦合冲击的情况,则会在耦合区内出现应力峰值,并对叶片变形和失效存在潜在影响。

正弦波纹管填充乳化液式吸能构件吸能特性研究

预折纹式吸能构件是目前冲击地压矿井中唯一使用的吸能结构,具有优异的吸能特性,但在屈曲变形过程中存在载荷波动较大、由于摩擦的作用产生火花等问题。针对上述情况,设计了一种正弦波纹管(变径圆管)填充乳化液构成固液耦合体吸能构件(组合构件),研究了波纹管壁厚、母线振幅与出液口直径三个因素对吸能构件吸能特性的影响。建立平均载荷、载荷波动系数与比吸能的预测模型,利用Abaqus有限元软件的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)粒子算法对模型进行流固耦合分析,通过响应面法对吸能构件的结构参数进行寻优并得到优化结果。研究结果表明,当波纹管壁厚3.959 mm,母线振幅3.721 mm,出液口直径22.161 mm时的吸能构件吸能特性最佳,平均载荷为438.684 kN,载荷波动系数为1.178,比吸能12.123 kJ/kg。通过对比验证,结果具有较高的可信度,为防冲支护装备的吸能环节提供了一种优越的吸能构件。

基于MATLAB的导向轮结构参数优化设计

基于TVR型双轮缘单轮导向系统,研究以质量轻为目标的导向轮在直线和曲线两种工况下均满足强度要求的最优结构。以导向轮的质量轻为优化目标建立目标函数,以其强度及刚度充足作为约束条件来建立数学模型。在MATLAB软件中编写代码并采用SQP和Interior Point算法对所建立的数学模型进行求解。将不同寻优算法得到的导向轮结构参数建立有限元分析模型,并在有限元分析软件Workbench中进行所述工况下的静力学仿真。结果表明,应用Interior Point求解得到的优化参数的导向轮刚度及强度均满足要求,验证了所选取的结构优化参数对导向轮的结构优化是有效的,达到了导向轮轻量化的设计要求。

纯铝、铁与钛薄板各向异性比较

为了明晰晶体结构对金属薄板塑性各向异性(r值)的影响,以3种典型晶体结构的高纯金属材料1A99纯铝、YT01纯铁和TA1纯钛为研究对象,采用数字图像相关技术并结合三阶多项式拟合法探究其r值演化规律。结果表明,在各向异性方面,纯铝与取样方向相关,这是取样方向与主滑移系之间的关系所致;而纯钛为各向同性,这仅与密排六方结构有关;而纯铁介于两者之间没有明显规律,这不仅与取样方向有关,还与BCC结构有关。在r值方面,纯铝不同方向的r值均小于1,而纯铁的r值稍大于1,纯钛的r值均大于1.68。说明在抗减薄能力上纯钛>纯铁>纯铝,这与晶体结构相一致。同时在取样90°时三者均有较优的抗减薄能力,这与取样方向偏离主滑移系最远有关。最后,在r值演化方面,纯铝在3个方向上差异巨大,而纯铁均先增大后减小,纯钛除取样0°几乎不变外均先减小后增大,这些复杂的现象可能与择优取向组织的体积分数和织构演化有关。

单调与循环载荷下多晶纯铜局部取向差演化数值模拟

为了揭示不同载荷下局部取向差的演化规律及其与变形损伤的关系,选取多晶纯铜为研究对象,基于DAMASK晶体塑性有限元的开源软件及Python脚本代码编写软件,研究了多晶纯铜在单调拉伸与循环载荷下的晶粒内取向差(KAM)、晶粒参考取向偏差(GROD)与等效塑性应变的演化规律,并采用取向差频率分布与相关系数评估了KAM与GROD表征变形损伤的优劣。结果表明:单调拉伸与循环载荷下KAM、GROD与等效塑性应变峰值区域分布一致,高取向差和高塑性区域首先出现在晶界或者三叉晶界附近,且取向差与宏观等效塑性应变呈线性正相关。单调拉伸和循环加载下GROD的频谱相似,而KAM的频谱对载荷敏感且相关系数更高,能更好地表征变形损伤。

基于应力梯度和附加强化的多轴疲劳寿命建模

鉴于Manson-Coffin方程未考虑应力梯度和附加强化的影响,以及缺口附近非均匀应力场和非比例附加强化对疲劳损伤演化过程的影响,建立了适用于多轴缺口件的疲劳寿命预测模型.首先,考虑裂纹萌生和扩展的物理机制,借助坐标变换原理和临界面理论,以最大剪切应变幅为损伤参量确定临界面位置;其次,分别对临界面的正应力和剪应力进行归一化处理,提出了考虑多轴应力集中系数和应力梯度影响指数的等效应力梯度因子;同时,考虑相位差、路径非比例和材料非比例对疲劳寿命的影响,提出了新的非比例附加强化因子;最后,结合Manson-Coffin方程建立了考虑应力梯度和非比例附加强化的多轴疲劳寿命预测模型,并将该模型、Manson-Coffin方程、LV模型和FS模型的预测寿命与实验寿命进行对比,结果表明该模型的预测精度优于其它3种模型的.

锥形薄壁圆管吸能构件设计与吸能特性研究

为提高液压支架在矿井中工作时的防冲性能,文中提出了一种锥形薄壁圆管吸能结构。根据其变形特点建立力学模型,并对其吸能量及平均压溃力进行计算。建立吸能结构的三维模型,通过ABAQUS有限元软件进行数值模拟分析,探究锥形薄壁圆管的锥度、壁厚和导向槽的直径对其轴向压溃的屈曲变形、初始峰值力、平均支反力、吸能总量和吸能效果的影响,并结合试验加以验证。研究结果表明:在不更改吸能构件其他参数的情况下,导向槽的直径降低或吸能构件壁厚的增加,均有利于初始峰值力、吸能总量与平均支反力的提高;锥度的增加,使得吸能构件的平均载荷显著降低,锥形管的加入有效防止了吸能构件在受压变形过程中,变形部件出现胀管和从中部压溃,不按预想的方式压溃的问题。

含Ni量、渗氮层深度及喷丸强化对42CrMo齿轮弯曲疲劳性能影响研究

针对不同含Ni量、渗氮层深度和喷丸强化组合的42CrMo齿轮开展弯曲疲劳试验,探究了不同工艺组合的齿轮弯曲疲劳极限提升效果,为齿轮抗疲劳制造提供工艺指导。基于随机森林算法分析了不同工艺组合齿轮的表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量对弯曲疲劳极限的贡献度,采用多元回归建立了考虑表面硬度、渗氮层深度、表面残余应力和含Ni量的齿轮弯曲疲劳极限预测公式。预测值与试验值相比,最大误差可以控制在7.80%以内,为工程应用中快速、低成本评估齿轮弯曲疲劳极限提供了理论依据。

钛合金抽芯铆钉铆接过程分析及规律探索

钛合金抽芯铆钉为航空航天用高端紧固件,针对铆接过程中钛合金抽芯铆钉强度匹配关系不明晰的问题,研究了基于deform软件的铆接过程分析方法。在结构尺寸、材料参数标定基础上,建立了抽芯铆钉铆接过程仿真模型;通过分析铆接过程中铆接力变化规律,将铆接力变化区间划分为四个变化区域:钉套影响区、驱动环断裂区、锁环锁紧区以及钉杆断裂区,四个区域的合理分布是保证钛合金抽芯铆钉高成功率研制的重要基础。通过改变各零件材料变量属性,进一步确定了钛合金抽芯铆钉各组件强度/强度分布对四区域峰值的影响规律。相关研究为提高钛合金抽芯铆钉铆接成功率提供了技术基础。

连续管磨损程度及剩余抗内压强度敏感性分析

针对连续管在水平井中下入起出时与套管内壁产生摩擦磨损的问题,借鉴钻杆-套管磨损模型建立思路,采用“磨损-效率”模型,研究下入起出时连续管摩擦磨损,获得了连续管外壁磨损深度的计算方法与公式;利用ANSYS Workbench有限元软件分析了连续管外径、壁厚、钢级、磨损率等敏感性因素对磨损连续管剩余抗内压强度的影响规律。研究表明:磨损率不同,井下磨损连续管最先屈服的部位亦不同;Φ44.45mm×3.96mm的QT-900连续管磨损率从0%到25%时,剩余抗内压强度下降率为35%;磨损连续管剩余抗内压强度随壁厚和钢级的增加而非线性增大,随外径和磨损率的增大而非线性降低;磨损率对连续管剩余抗内压强度的影响最强。研究结果可为磨损后连续管施工参数提供指导。

锪窝圆角半径对CFRP/Al机械连接结构力学性能影响

碳纤维增强复合材料(CFRP)和铝合金(Al)因其优异的机械/物理性能,广泛应用于新一代商用飞机.CFRP/Al沉头螺栓连接结构是重要的连接形式,其中锪窝圆角半径影响了机械连接性能.研究中设计制造不同锪窝圆角的钻锪一体刀具对锪窝圆角尺寸进行控制,并采用基于复合材料渐进损伤模型的有限元仿真方法对不同锪窝圆角半径连接结构力学性能进行仿真和试验研究,分析了CFRP/Al叠层机械连接失效机理.结果表明,利用钻锪一体锪窝钻头可以有效控制锪窝圆角;锪窝位于CFRP层相比于位于铝合金层有着更大的极限强度;CFRP和铝合金材料均在锪窝圆角半径为1.0 mm时具有最大的极限载荷,即锪窝圆角略大于螺栓圆角有利于获得更好的机械连接性能.

缺口部件极端不规则裂纹前沿生长规律研究

真实的、极端不规则裂纹前沿生长路径预测直接影响结构剩余疲劳寿命评估的准确度。以与工程结构在几何上局部最为相似的缺口部件为裂纹受体,构建了一种不规则裂纹前沿应力强度因子(Stress Intensity Factor,SIF)分布规律研究方法。首先,利用高分辨率样条曲线表征不规则裂纹前沿上由于凸区、凹区以及小曲率半径引起的局部曲率变化;然后,基于自适应网格划分技术结合子模型法迭代模拟不规则裂纹前沿生长迹线,得到不规则裂纹扩展规律;最后,通过算例验证Franc3D计算裂纹扩展驱动力的可靠性,将预测得到的裂纹几何与试验测得的裂纹位置、尺寸等信息进行比较。结果表明,预测得到的裂纹前沿迹线与真实轨迹基本重合,沿任意路径SIF数值几乎相等,且裂纹扩展寿命预测值与试验寿命极其接近,误差只有2.4%。

基于均匀化拓扑优化的轻质多孔结构等效方法

通过拓扑优化设计得到的孔洞结构,往往不规则,甚至过于复杂、难于加工、多数需要进行二次设计,为了避免二次拓扑优化求解过程复杂、效率低、耗时长,甚至出现不收敛、棋盘格、灰色单元等情况,提出一种基于均匀化拓扑优化的轻质多孔结构等效方法。该方法首先需对研究结构进行初次拓扑优化,提取拓扑优化后的关键性能参数如应变能、最大应力、最大位移等。然后依据上述提取的参数作为后续寻求结构等效的条件。基于能量均匀化方法求解出与拓扑优化后等效的微结构。将等效微结构阵列得到的周期排列结构即为轻质多孔等效结构。最后对拓扑优化结构和轻质多孔等效结构进行有限元分析对比,验证此方法的可行性。结果表明:轻质多孔等效结构与初始拓扑结构相比,其综合性能基本不变,但因轻质多孔结构的规则性使得加工难度大大降低。

基于Weibull分布的缺口件多轴疲劳寿命建模

针对多轴缺口件,引入Weibull分布建立考虑应力梯度效应的疲劳寿命预测方法.首先,将最大应变能密度定义为损伤参量,并结合坐标变换确定能反映裂纹萌生和扩展的临界面位置;其次,利用有限元方法提取临界面特定路径的应力分布,并对其进行归一化处理得到多轴等效应力梯度因子,进而基于GSP应变能密度模型得出应变能密度与实验寿命的线性关系;最后,结合等效应力梯度因子、应变能密度模型和Weibull分布,基于Von-Mises准则提出了新的疲劳寿命预测方法,并利用该方法分别求出失效概率10%、50%和90%对应的疲劳寿命.为验证该方法,将计算结果与SWT模型、FS模型和Manson-Coffin方程的计算结果进行对比,结果表明该方法的预测精度较高.

基于晶体塑性模型的304不锈钢疲劳寿命预测

基于晶体塑性理论生成的多晶体代表性单元,通过模拟拉伸试验获得具有宏观性能的晶体塑性材料参数;采用累积塑性应变作为疲劳指示因子进行疲劳寿命预测。结果表明:通过疲劳指示因子预测的疲劳寿命在试验获得的疲劳寿命的±2倍误差范围之内,模拟结果在可接受范围之内。

膜片式微通道预冷器换热微细管束振动分析与可靠性评价方法

针对预冷吸气式组合发动机的膜片式微通道预冷器换热微细管束振动可靠性问题,建立换热微细管固有振动特性计算方法与数学模型,研究预冷器换热微细管在高速气流冲击下的振动模式,给出综合考虑旋涡脱落激振、紊流抖振和弹性激振等多种共振模式的预冷器换热微细管束振动可靠性评价模型,揭示预冷器换热微细管振动可靠度的变化规律。研究结果表明,预冷器换热微细管的固有振动频率与换热微细管外径、壁厚、相邻支撑间隔板之间跨度以及材料特性等参数密切相关,其振型具有正弦函数的特征;预冷器换热微细管在高速气流冲击作用下存在旋涡脱落激振、紊流抖振、弹性激振等共振模式;预冷器换热微细管振动可靠度随外侧被冷却工质流速的增大呈现出先降低后提高并趋近于某一数值的变化规律;为防止预冷器换热微细管发生共振损坏,在结构设计中要充分结合工作剖面、流动换热特性等,合理设计换热微细管束结构参数。