基于有限元的热力耦合场匣钵运动分析与优化

为解决装有锂离子电池正极材料的匣钵在辊道窑烧结过程中易出现异常横向运动使匣钵破损的问题,本研究通过分析匣钵异常运动特性的影响因素对其进行优化。首先,利用Solidworks软件建立辊道-匣钵传动系统简化模型,对匣钵进行受力分析,推导出匣钵发生异常横向运动的原因是辊棒的弹性变形;其次,通过Abaqus软件进行有限元仿真,对比分析热力耦合场和重力场下匣钵的位移曲线以及辊棒的受力情况。结果表明,与重力场相比,热力耦合场的辊棒弹性变形量更大,且热力耦合场匣钵横向位移在0~1 s内相对重力场增大,而在1~5 s内相对重力场减小,说明在温度和重力共同作用下所引起的辊棒弹性变形是导致匣钵异常横向运动的主要原因。在此基础上,设计了一种匣钵传动机构,包括辊棒支撑机构、匣钵夹紧装置及匣钵挡齐装置,并通过对比生产验证了改进机构的可行性。本研究对在辊道窑烧结过程中匣钵异常横向运动的影响因素进行分析并提供了一种改进机构,有助于推进锂离子电池正极材料生产设备的发展。

火灾下铝合金艇体结构热力耦合响应研究

为了开展气垫船的铝合金艇体结构在火灾高温作用场下的甲板结构热力耦合响应研究,基于大涡模拟方法FDS(Fire Dynamic Solution)构建艇体火灾场景模型,获取热释放功率不同的油池火灾下的高温作用场特性,获得结构表面的单位热通量数据并通过自编温度载荷映射程序并采用顺序热力耦合计算方法开展火灾场景下铝合金结构热力耦合响应的研究,分析火灾下艇体的甲板结构的失效模式与舱段的极限承载能力变化,为后续船体的铝合金结构轻量化设计与抗火设计方案提供技术依据。

小角中子散射原位热力耦合加载装置

热力耦合近工况条件下材料微观结构的原位实验研究,对于深入理解材料服役性能演化机制十分重要,可给出样品微观上的纳米结构尺度分布。为充分发挥小角中子散射统计性好、取样体积大可开展原位实验等优势,本文基于中国先进研究堆小角中子散射谱仪,设计并研制了一台高温和拉力同时加载的原位实验装置,并实现了高温高压下原位测量材料的纳米尺度形貌变化。实验测试结果表明,装置最大载荷可达20 kN,最高温度800℃,控温精度优于±1℃。利用该装置对镍基单晶高温合金样品进行了原位小角中子散射测试,发现温度拉力条件下样品内部纳米结构的明显变化,表明基于该装置可开展热力耦合加载下的原位小角中子散射实验。该装置及其相应实验方法,可用于核电不锈钢等多种高温结构材料的原位加载实验研究,提供微观结构演化数据。

HTPB推进剂热力耦合加速老化细观损伤机理分析

为了深入探究端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂在热力耦合作用下的细观损伤机理,采用了试验表征和理论分析相结合的方法。具体而言,对在不同环境温度(50,70℃和90℃)及不同加载次数下的HTPB推进剂进行了细观层面分析。在50℃下,分别进行了约3000次和10800次加载;在70℃下,分别进行了约1800,3600次和7030次加载;而在90℃下,则进行了约1800次加载。研究发现:在热力耦合加速老化作用下,HTPB推进剂的细观损伤比单一因素老化更为显著。其细观损伤机理主要涉及两方面:一是由于基体热降解,基体自身的承载性能及其与颗粒间的粘接强度均有所下降,进而导致颗粒“脱湿”;二是颗粒的“脱湿”现象反过来进一步加剧了基体的热降解。这种相互作用使得细观损伤更加严重。研究还发现,随着老化温度的增加,细观损伤的程度会加剧,但温度过高将改变老化过程的细观损伤机理。此外,研究指出,在其他条件不变的前提下,合理选择终止加载次数对于判断HTPB推进剂是否发生显著细观损伤至关重要。本研究中,当50℃和70℃下的加载次数比(N/N_(End))分别超过0.281和0.330时,HTPB推进剂会产生显著的细观损伤。

基于热力耦合的近场动力学方法高温岩石水力压裂数值模拟

基于近场动力学方法分别采用键型模型计算岩石热扩散过程和常规态型模型模拟岩石位移场的演化,根据物质点间的断键数量确定材料损伤值以实时追踪裂隙面的扩展,通过在裂隙面处施加水压和水温实现水与岩石间的相互作用,建立了考虑热力耦合效应模拟高温岩石水力压裂过程的数值计算模型。根据岩石加热裂隙扩展的试验结果,验证了计算模型的有效性。最后,讨论了水压、岩石初始温度及弹性模量等因素对水力压裂岩石裂隙结构形态的影响,并基于综合敏感度属性识别评价方法,分析了各影响因素对岩石裂隙形态参数的敏感性。研究结果表明:水压较小或岩石初始温度较低时,主裂隙几乎呈对称分布,基本上无裂隙分支现象;随着水压或初始温度的增加,裂隙逐渐增多并产生分叉现象,同时裂隙总长度和张开度也均呈增长趋势。当岩石弹性模量均值较小时,水力裂隙较为发育且萌生许多微小裂隙;随着弹性模量均值的增大,水力裂隙分支及微裂隙数量明显减少,裂隙总长度和张开度也相应地减小,而岩石起裂时间则近似呈线性增加的趋势。岩石材料参数和环境参数的敏感性综合评价表明,岩石裂隙扩展对弹性模量和水压呈高度敏感,而对水温则表现为不敏感。

带式焙烧机台车车体热力耦合仿真计算

为揭示带式焙烧机台车车体在低温-高温-低温循环往复工况下温度场和各种荷载对车体主梁变形和应力的影响规律,本文以国内某钢铁企业带式焙烧机台车车体为研究对象,利用ANSYS有限元分析软件,采用直接热力耦合方法,对带式焙烧机台车车体在干燥段、预热段、焙烧段、均热段、一冷段和二冷段工作过程的温度分布进行分析,计算焙烧段台车车体在静力作用和热力耦合作用两种工况条件下的变形和应力,分析不同横梁高度、焙烧温度对台车主梁应力和变形的影响规律。结果表明:焙烧段台车车体的最高温度为650℃,上、下表面最大温差为140℃,上表面为压应力,下表面为拉应力,最大应力位置在主梁中间,为21.6 MPa,最大垂向变形为5.37 mm。本文通过仿真计算获得了不同横梁高度、焙烧温度对台车主梁应力和变形的影响关系,可为带式焙烧机台车车体的优化设计提供依据。

基于不同Ta10W渗镀层厚度的火炮身管热力耦合数值分析

采用双辉等离子渗金属技术于火炮身管内膛渗镀抗烧蚀涂层,是延长身管武器寿命的重要手段之一。为探究Ta10W渗镀层对火炮发射传热过程以及应力分布的影响规律,该文以某125 mm口径火炮为研究对象,通过热力耦合数值分析法,根据内弹道时期火药高温高压燃气的动态变化过程定义热力载荷以及边界,从而获得在高速热流工况下,Ta10W渗镀层厚度为0.04~0.10 mm时,火炮身管的传热变化过程以及应力分布特点。结果表明:随着渗镀层厚度的增加,弹后炮尾的最高温度呈下降趋势,不同厚度产生的应力差值在身管中段会大于身管尾部,同时在炮尾的涂层与基体结合处产生应力集中,0.04 mm、0.07 mm和0.10 mm厚度Ta10W层的应力最大值分别为891.4 MPa、884.3 MPa和879.1 MPa。

基于非傅里叶定律的近场动力学热力耦合模型及花岗岩热损伤破裂模拟

研究岩石的热损伤破裂特征对于地热开采等工程具有重要意义。在传统常规态基近场动力学理论框架内,通过引入双相滞后(DPL)模型,提出了基于非傅里叶热传导定律推导得到的热力耦合模型。通过平板瞬态热传导问题及Lac du Bonnet(LdB)花岗岩的热损伤破裂试验对模型进行了验证。分析了温度梯度弛豫时间和热流弛豫时间对岩石热损伤破裂特征的影响。结果表明:近场动力学热力耦合模型模拟结果很好地反映了LdB花岗岩的热损伤破裂特征及温度分布的不连续性;温度梯度弛豫时间对热传导起促进作用,试件热损伤破裂程度随温度梯度弛豫时间的增加而增大,随热流弛豫时间的增加而减小。研究为深入理解岩石的热损伤破裂行为、优化地热能开采工程提供了有益的探索。

高速圆柱滚子轴承瞬态热力耦合分析

为了探讨高速圆柱滚子轴承的温升特性及承载性能,利用有限元方法建立高速圆柱滚子轴承的瞬态热力耦合模型,通过计算得到了轴承的稳态和瞬态温度场,进而分析考虑热力耦合效应下不同内圈转速、径向载荷及滚动体材料对轴承接触压力及弹性变形的影响。结果表明:内圈转速越高,轴承的稳态及瞬态温度越高;随着转速及载荷的增加,轴承的接触压力及弹性变形均增加,高速工况下陶瓷滚子轴承的承载性能明显高于钢制滚子轴承;考虑热力耦合效应与未考虑热力耦合效应的计算结果存在明显差异,热应力及热膨胀对轴承的影响很大。

多年冻土区铁路桥台-路基水热力耦合数值分析

为研究多年冻土区铁路桥梁桥台冻胀倾斜病害的形成机理,并分析其变形规律,针对这一病害建立桥台-路基有限元模型,分析桥台后路基温度场特征及桥台冻胀倾斜规律。基于非饱和土渗流和热传导理论,联立冻土水热微分方程,并使用含冰量计算变形场从而实现水热力三场耦合。利用COMSOL软件建立三维桥台-路基水热力耦合模型,通过室内冻融试验验证该模型的有效性。最后以某多年冻土区铁路桥台为例,对桥台后路基未来30年间冻土上限、桥台冻胀倾斜展开研究分析。结果表明:在未来30年桥台后路基多年冻土上限呈现持续下降趋势,但桥台横截面冷空气的持续输入影响了路基不同位置处的冻土上限下降深度。在距离桥台4 m处路基多年冻土上限阳坡坡脚未来30年下降0.99 m、路基中心处下降0.92 m。在距桥台16 m处路基冻土上限阳坡坡脚未来30年下降1.6 m、路基中心下降1.81 m。在未来30年间,桥台后路基持续发生差异性水平冻胀,顶端累计水平位移155.6 mm、底端累计位移23.6 mm,桥台整体发生倾斜。

基于PD-FEM混合模型的材料热力耦合损伤分析

提出了一种新的近场动力学-有限元方法(peridynamics-finite element method,PD-FEM)混合模型.该模型用于求解材料热力耦合损伤问题,将求解域划分为近场动力学(PD)区域和有限元方法(FEM)区域,通过FEM节点与PD物质点构成的混合键连接各个子区域.采用该模型对氧化铝陶瓷板在热冲击载荷作用下的损伤行为进行了模拟分析,计算结果表明,采用该混合模型获得的裂纹萌生及扩展与实验研究结果吻合良好,验证了该模型的正确性.该PD-FEM混合模型继承了PD处理不连续问题的优势,同时,由于FEM的引入,大大提高了PD方法在研究材料热力耦合损伤问题时的求解效率.

基于近场动力学的材料热力耦合损伤行为分析

为对热载荷作用下材料的损伤破坏行为进行研究,本文提出了单键双参数近场动力学热力耦合模型,给出了该模型下键的断裂准则.该模型考虑了键的切向变形与温度变化之间的关系,解决了键型近场动力学热力耦合模型只能对定值泊松比材料进行求解的问题,可研究温度场作用下泊松比对材料损伤行为的影响.本文采用该模型对热冲击作用下陶瓷片的损伤行为进行了模拟分析,结果表明,通过该模型得到的裂纹萌生及裂纹扩展形态与实验结果吻合较好;进一步就泊松比对材料损伤破坏行为的影响进行研究,结果表明,随着泊松比增大,裂纹萌生时间提前,裂纹间距增大,而主裂纹长度会增加,泊松比的变化对热荷载作用下材料的破坏损伤行为有明显的影响.

基于SiPESC.FEMS焊接热力耦合分析模块研发

文中基于集成计算仿真平台SiPESC的开放式有限元分析软件SiPESC.FEMS,研发了模拟焊接过程有限元分析模块.该分析模块可将焊接过程热瞬态分析所得节点温度场以热载荷形式映射到力学分析中,充分考虑焊接过程中温度变化对结构性能的影响,实现焊接结构全过程热力耦合数值仿真,并支持多步分析,可模拟多道焊接工序及复杂焊接过程.其中热瞬态分析可模拟焊接的非线性瞬态热传导过程,支持多种焊接移动热源和常用的热单元类型以及热对流和热辐射等复杂边界条件的处理.而焊接结构力学分析可自定义与温度相关的力学材料参数,支持热弹性和热弹塑性等本构模型.文中采用空心圆筒与带孔方形板沿圆筒外侧焊接的算例进行数值分析对比,采用顺序热力耦合分析方式,其中焊接热分析过程为瞬态热传导计算,结构静力分析过程为热弹塑性计算.计算结果与目前广泛应用的计算机辅助工程(computer aided engineering,CAE)商用软件ABAQUS相比,温度最大值偏差为0.000482%、位移最大值偏差为0.0231%、等效塑性应变最大值相同.该分析模块的计算精度和ABAQUS基本一致,验证了该焊接模块计算的有效性及解决工程实际问题的能力.

球形补偿器螺栓塞热力耦合仿真及故障分析

论文选取某光热发电站项目中的球形补偿器为研究对象,利用ANSYS Workbench软件,研究当其管道内流通高温高压的导热油时,在以下三种工况下(工况一:导热油温度为293℃,导热油压力为3 MPa状态;工况二:导热油温度为393℃,导热油压力为2 MPa状态;工况三:导热油温度为400℃,导热油压力为4 MPa状态),对其温度和应力情况进行仿真,并分析球形补偿器在运行一段时间后,螺栓塞发生损坏甚至无法顺利拆卸的故障原因,同时对球形补偿器进行结构优化,并重新对其温度和应力情况进行仿真分析,来验证优化方案的合理性。

DC-DC变换器热分析及热力耦合仿真分析

随着大功率模块型DC-DC变换器使用环境日趋恶劣,其高度集成的功率元件和IC芯片的热流密度增加,变换器元器件可靠性要求提高。其中DC-DC变换器电路可靠性的重要影响因素之一是温度。高、低温及其循环会对元器件的失效产生严重的影响,从而造成变换器的失效。通过热分析优化变换器的空间布局,开发导热胶灌封工艺,可以提高其散热能力。首先,以传热学理论为基础,利用有限元热仿真软件分析其三维温度场,并建立热力耦合仿真模型,进行热力耦合仿真分析;其次,根据模拟仿真结果,给模块产品设计提供了可靠的热分析、热设计数据;最后,研制试验样件并进行测试,验证所进行的设计的合理性。

盐岩地下新能源储备库高频注采热力耦合效应对围岩长期变形的影响

盐岩因其致密性被公认为地下储能的良好介质,随着我国双碳战略的提出,利用盐岩进行地下新能源存储备受关注。盐岩新能源储备库运营过程中的高频注采造成了盐岩溶腔温度和应力场的高频往复。本文对高频注采效应下盐岩新能源储库的长期形变进行了热力耦合计算,并与传统能源储库的变形过程进行了对比。结果表明:新能源储库在考虑热力耦合情况下围岩最大位移增大7.8%,相较于传统能源储库,热效应对新能源储备库的影响更为显著,在新能源储库的稳定性评估中应充分考虑热效应的影响。

隔热油管隔热层中支撑材料热力耦合特性分析

在稠油开采注蒸汽热采过程中,隔热油管可以有效减少井筒径向传热损失。实际生产中,隔热油管中的支撑材料(玻璃纤维)容易破损,导致散热损失增加,影响稠油热采效果。筛选更优质的支撑材料,增强隔热油管性能,有待深入研究。建立支撑材料多物理场耦合模型,针对玻璃纤维、碳纤维和复合玻璃纤维材料,进行了实际模拟计算;据此分析了支撑材料的温度、应力和位移变化特性。结果表明:随时间变化,复合玻璃纤维Mises应力最大、玻璃纤维次之、碳纤维最小,建议隔热管以复合玻璃纤维为支撑材料。研究结果为延长隔热油管使用寿命、提高稠油采收效果提供一定技术支撑。

动态压缩下典型结构金属热力耦合特性研究

使用高速红外热像仪测量金属材料动态压缩变形过程中的温度变化,对动态压缩下典型结构金属热力耦合特性进行研究。通过试验数据,进行热力耦合特性分析,并进行功热转化因数的计算。研究结果表明,采用所提出的试验方法,可以准确测量得到动态压缩过程中试样的应力状态与温度变化,三种具有代表性的典型晶体结构金属材料受冲击载荷而导致的温升均随应变的增大而增大,应变率的影响则极小。在相同应变及应变率条件下,纯铁的储能效果最好。

特厚板坯连铸蠕变过程热力耦合数值模拟

基于钢Q345的高温蠕变参数,建立了适用于Q345的蠕变表达式。将计算温度与实际温度结合,通过有限差分法计算了适用于Q345连铸过程二冷区的对流换热系数。将改良后的对流换热系数作为边界条件,计算出了铸坯在连铸过程中各位置的温度、变化趋势与坯壳厚度。计算结果表明,除铸坯角部外,铸坯各位置均处于一定的温度区间,且呈下降趋势,坯壳厚度缓慢增至21 mm。通过采用热力耦合数值模拟方法,在不同拉坯速度下,计算出了距离外弧表面0~30 mm处节点的蠕变应变、等效应力和总的等效塑性应变。通过计算结果表明,特厚板铸坯在连铸过程中发生应力松弛现象,铸坯只在刚进入圆弧段时发生塑性应变,大大降低了铸坯发生表面裂纹的风险,从而使特厚连铸板坯在超低应变速率下高效、稳定生产。

热障涂层热力耦合条件下的应力仿真计算

有限元模拟是研究热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)界面处热生长氧化层(thermally grown oxides,TGO)应力演变的有效手段之一,可为探索TBCs失效机制提供理论支撑。采用先进的热障涂层多因素耦合设备对热障涂层圆管试样模拟发动机工况进行热力耦合循环实验和热循环实验。利用有限元软件ABAQUS对包含真实初始TGO形貌的热障涂层进行有限元建模,分析实验过程中TGO的应力和变形规律。结果表明:在不考虑TGO及界面开裂的情况下,无论是热力耦合模型还是热循环模型,随着循环次数的增加,Mises应力均增加;加热过程中TGO受拉,冷却过程中TGO受压;加热过程的应力均远小于冷却至室温时的应力。经过相同的循环次数,热力耦合模型中的应力值均高于热循环模型中的应力值。经过20,45,70次热循环后,冷却至室温时,TGO应力分别达到2.85,3.65,3.55 GPa,而经过相同次数的热力耦合循环后,冷却至室温时,相同位置的TGO应力分别达到4.01,5.0,4.81 GPa。与热循环相比,在热力耦合条件下,经过相同循环次数冷却至室温时的TGO应力显著增加。