几何偏差对多螺栓复合材料接头螺栓载荷和应力分布的影响研究

本研究建立了考虑间隙的复合材料双搭接结构的半解析模型,描述了几何偏差对螺栓载荷和应力分布的影响.首先,从典型复合螺栓接头中提取螺栓/孔局部结构作为代表单元,建立考虑随机几何偏差与接触状态的螺栓/孔对的局部刚度模型.基于Reddy高阶剪切板理论,建立复合材料层合板有限元分析模型.将螺栓/孔对的局部刚度模型与层合板全局刚度模型相结合,形成了综合考虑螺栓/孔间隙和孔拉伸变形的多螺栓复合材料接头装配力学分析模型.随机螺栓/孔组合间隙分析结果表明,合理的螺栓间隙设置可以得到更均匀的钉载分布,为多螺栓接头的排孔设计提供理论指导.

径向游隙对深沟球轴承疲劳寿命影响精细分析

采用Romax Designer工程分析软件,应用ISO/TS 16281寿命计算方法,根据经典的滚动轴承理论,对某风机用电机轴深沟球轴承,在不同径向游隙时的轴承内部载荷分布、接触应力、套圈滚道当量动载荷和ISO/TS 16281寿命进行了大量的计算,重点对轴承的疲劳寿命进行了精细分析,分析了径向游隙对轴承ISO/TS 16281寿命的影响。研究结果表明,径向游隙对寿命的影响不仅仅是通过对轴承内部载荷分布、接触应力和套圈滚道当量动载荷的影响而对寿命产生影响,还通过对寿命修正系数等因素的影响而对寿命产生影响;相同工况条件下,存在一个相对最优的径向游隙,由于所研究电机的两个轴承所受载荷不同,因而相对最优的径向游不同。研究结果可为深沟球轴承的优化设计提供参考。

含椭圆孔有限大二十面体准晶板平面弹性问题的边界元分析

基于扩展的Stroh方法,对含椭圆孔有限大二十面体准晶板平面弹性问题进行边界元分析.首先利用扩展的Stroh方法,研究了二十面体准晶的Green函数,得到了含椭圆孔无限大二十面体准晶平面弹性问题位移和应力的基本解.利用该基本解,通过加权余量法建立了区域内积分方程和边界积分方程,并采用线性插值函数及Gauss积分对含未知量的边界积分方程和区域内积分方程分别进行离散,得到了离散格式.进一步,对椭圆孔的孔边应力进行了数值求解,并将有限大板的数值结果与无限大板的解析解进行了对比验证,说明当板与椭圆孔尺寸之比小于某下限值时,不能用无限大板的解析解对有限大板进行分析.最后,分析了在垂向拉伸作用下,板的大小、孔口尺寸及倾斜角度对孔边应力的影响.结果表明:板的尺寸沿垂直拉伸方向变化对孔边应力的影响更明显;随着椭圆孔尺寸的增加,孔边应力集中现象越明显;若长轴垂直拉伸方向,椭圆孔倾斜会减缓孔边应力集中程度.

可视化金属丝弹性模量测量平台设计

设计的可视化金属丝弹性模量测量平台,利用干涉法测量光程差原理,开发了一套干涉光斑测量装置,准确地测量出了金属材料拉伸过程中的微小形变量。引入机器视觉方法,实现了金属材料截面积的可视化测量。所搭建的传动结构可连续、稳定地施加拉力,为平台所开发的图形化操作界面,使测量过程可视化,通过观察材料表面形貌特征位移来验证拉伸变化。平台提高了实验测量精度,测量结果相对误差为3.3%。该测量平台可作为综合性实验仪器应用于大学物理实验教学当中。

广义弱形式自由单元法

自由单元法(FrEM)是一种单元配点法,吸收了有限元法等参单元的插值稳定性与无网格法使用灵活的优点,具有稳定性好和灵活性高的性能.FrEM在每个配置点只需要一个通过自由选择周围节点而形成的独立的等参单元,不需要考虑单元之间节点的相互连接关系,这种自由性使得人们可以按照学科性质形成所需要的单元,因而FrEM既适用于固体力学,也适用于流体力学问题的求解.然而,FrEM所用单元需要至少有一个内部节点(用于方程的配点),以致有限元法中单元节点相连的网格不能在FrEM中直接使用.文章基于对应于配置点的等参单元形函数在与其不相连的边界上为0的特性和配置点等效节点力平衡关系,提出了一种广义弱形式自由单元法(GFrEM).该方法是一种使用单元逐点建立配置方程的单元配点法,具有如下特点:(1)突破了现有自由单元法中单元需要内部节点的限制,因而可以使用线性单元和高阶单元;(2)突破了现有自由单元法中一个配置点使用一个单元的限制,可以使用与配置点相连的任意多个单元;(3)可以使用任意形式的规则单元和多边形/多面体单元;(4)如果使用单元节点相连的传统有限元法网格,则GFrEM自然演变为传统的有限元法.论文将给出几个固体力学方面的应用算例,展示所提方法的有效性.

内压法锆合金薄壁管弹性模量试验研究

薄壁管内压加载下的弹性模量测量具有较大难度,通常采用拉伸法测得的弹性模量来近似代替。该研究基于弹性力学理论,推导薄壁管受内压时的应力和应变公式,进而建立薄壁管受内压时的弹性模量分析模型。完成某型锆合金薄壁管在20~400℃下的内压试验和拉伸试验,对比分析两种方法得到的弹性模量差异。研究结果表明,该锆合金薄壁管20~400℃的弹性模量在67~96 GPa之间,且弹性模量随温度的增加而减小;基于内压法和拉伸法得到的锆合金薄壁管弹性模量趋势一致,且该变化趋势符合指数函数规律。两种方法所得锆合金薄壁管的弹性模量存在3%的差异,该差异在核电等精密领域不可忽视。因此,该研究建立的基于内压法的弹性模量试验方法具有良好的可行性,可更准确地描述薄壁管在内压状态下的力学性能。

压电集成石墨烯增强功能梯度多孔板的等几何建模与分析

基于等几何分析方法和一种仅含有4自由度的简化一阶剪切变形理论(simple first-order shear deformation theory,S-FSDT)建立了压电集成石墨烯增强功能梯度多孔(piezoelectric integrated graphene platelets reinforced functionally graded porous,P-GPLs-FGP)板的数值分析模型。利用Halpin-Tsai微观力学模型、闭胞体高斯随机场理论和混合定律得到了石墨烯增强功能梯度多孔板的有效材料属性;基于等几何分析方法、S-FSDT和哈密顿原理推导了P-GPLs-FGP板的运动控制方程,并通过与已有算例对比验证了模型的准确性和有效性;利用所建模型分析了孔隙分布形式、孔隙系数、石墨烯分布形式、石墨烯质量分数、边界条件和宽厚比对P-GPLs-FGP板固有频率和机-电载荷作用下静态弯曲响应的影响。研究结果表明:板的刚度与孔隙系数成反比,而在基体材料中添加少量的石墨烯可以有效地增强结构的刚度;与其他组合形式相比,板的刚度在孔隙PD-S分布和石墨烯GPL-S分布时最大。

基于勒让德-扫描法的机械结合部法向接触刚度区间分析

由于机械结合部实际接触时存在诸多不确定因素,利用传统接触刚度模型对机械结合部进行分析时,难以确定其法向接触刚度的合理区间。为此,将微凸体曲率半径、分布密度和微凸体高度方差视为不确定性参数,基于KE弹塑性接触刚度模型和勒让德-扫描法,建立结合部法向接触刚度区间模型并进行求解。通过与接触刚度试验数据及传统模型求解结果的对比,验证了该模型的有效性和准确性。基于该模型对结合部法向接触刚度进行分析,结果表明:勒让德-扫描法具有较高的求解精度,粗糙表面形貌参数不确定性对于结合部法向接触刚度有着明显影响,且随着无量纲接触距离的减小,影响程度逐渐增加,其中微凸体高度方差的不确定性对粗糙表面法向接触刚度影响程度最大。机械结合部法向接触刚度区间模型的建立与分析,可为结合部的研究提供参考。

节点拓扑变量非耦合映射的ICM方法

文章提出了节点拓扑变量一种非耦合映射的ICM方法,对于结构拓扑优化问题予以建模和求解:首先将基结构划分为由较小单元组成的网格,取节点独立、连续的拓扑变量,建立了一种双线性形函数插值的变量非耦合映射,替代了单元独立连续拓扑变量,使单元的“有”或“无”连续化近似,实现了节点拓扑变量过滤识别与物理量的单元内插值,推导建立了节点拓扑设计变量的优化模型,采用基于变量可分离的二阶对偶规划算法求解,并且改进了最优拓扑构型的圆整技术.接着以常见的位移约束下结构重量(或体积)极小拓扑优化问题为例,演示了上述建模及求解过程.最后分别给出了单载荷工况和多载荷工况下的位移约束拓扑优化的算例,数值计算结果验证了本方法的有效性.研究有如下优点:克服了以往基于单元拓扑变量研究的缺陷,即最优结构边界为锯齿形,得到的最优结构的拓扑边界光滑清晰;给出了节点拓扑变量和单元拓扑函数场定义,提炼出构造该场必须遵循的5点准则,克服了节点拓扑ICM方法有关研究中存在的不足;得到节点设计变量不再是耦合关系,可以方便地求出结构物理量的二阶导数,从而利用变量可分离对偶优化算法进行高效的寻优;研究成果不仅丰富了ICM方法的内涵,推动了其发展,而且对变密度的节点拓扑方法也有参考的裨益.

热中子诱发^(239)Pu裂变气体产物核Xe产额的评价

裂变产额数据是核反应堆设计与运行、核装置设计与测试以及乏燃料处理与核废料管理等应用中的重要数据,同时也是裂变物理研究的基础数据。采用基于Zp模型的裂变产额统一评价方法,对中子诱发^(239)Pu裂变气体产物核Xe的A=131~135,138,140等7个同位素核所在质量链上的产物核产额进行了分析评价,获得了能量为0.0253 MeV(T)、裂变谱(F)和14 MeV(H)的中子诱发^(239)Pu裂变产物核Xe的7个同位素核的独立产额和累积产额评价结果,并建立了ENDF/B-VI格式数据库。与传统评价方法比较,统一评价方法考虑了同一质量链上的独立产额、累积产额的相互关联,给出的产额相互自洽,增加了产额评价数据的可靠性。其中^(131-133)Xe考虑了先驱核碘的贡献,累积产额比JEFF-3.3和ENDF/B-VIII.0有所增加。^(134)Xe的产额存在分歧,通过分析,采用了较高的实验数据,认为该数据比较合理。

表面效应对热-机多孔悬臂纳米梁力学性能的影响

表面效应对纳米结构的力学性能有重要影响。飞机上很多微纳尺度的结构可简化为悬臂梁。本工作分析表面效应对随从载荷作用下梯度多孔材料纳米悬臂梁在高温环境下非线性力学响应的影响。基于GurtinMurdoch表面弹性理论和非线性梁理论,建立梯度多孔材料梁在随从载荷以及温度场中的非线性控制微分方程。假定梯度多孔材料的性能在整个厚度范围内连续变化,且沿厚度呈两种余弦形式的非均匀孔隙率分布模式。采用打靶法求解梯度多孔材料悬臂纳米梁在热-随从载荷下的非线性力学响应。获得各种孔隙率系数和不同非均匀升温下悬臂纳米梁非线性力学响应的数值解,详细讨论材料表面弹性常数和表面应力对纳米悬臂梁力学响应的影响。结果表明:不同孔隙率系数和不同非均匀升温下梁的力学行为是不同的;纳米梁表现出十分显著的表面效应。

交通载荷作用下埋地含缺陷玻璃钢管道力学行为研究

为分析含缺陷玻璃钢管道在交通载荷作用下的力学行为,基于ABAQUS有限元软件建立了含不同形状缺陷管道模型和不同埋深管土模型,研究了不同埋深、不同载荷及缺陷深度对管道不同层中截面沿环向应力分布规律的影响。结果表明,无缺陷管道各层应力分布均匀,含缺陷管道内区域层应力沿管材缠绕方向集中于缺陷对称角处;管道仅含轴向缺陷时管体应力峰值与应力突变幅度最大;缺陷相对深度对管道应力峰值影响较大。

梯度多孔金属材料梁的屈曲和屈曲基础上的振动

为研究梯度多孔金属材料梁的屈曲以及屈曲附近的振动特性,首先建立了随从分布压力下梯度多孔材料梁的动力学控制方程,得到了描述后屈曲的静态控制微分方程和描述屈曲前后振动响应的控制方程。通过打靶法数值求解两组强非线性方程,获得了简支-固支梯度多孔梁的屈曲临界载荷以及屈曲前后振动频率与载荷之间的关系曲线。分析了孔隙率系数和孔隙分布方式对屈曲临界载荷和屈曲前后振动频率的影响。结果表明,随着孔隙率系数e 0的增加,发生屈曲时的临界载荷减小;各阶固有频率也减小。屈曲前,各阶振动频率随载荷增大而减小,屈曲后,除三阶频率外,一阶和二阶频率随载荷增大而增大。

基于深度学习的PCB缺陷检测技术

印刷电路板(printed circuit board,PCB)是电子产品的关键部件。在实际生产过程中,PCB难免会产生多种缺陷,对缺陷进行及时、精准检测具有一定的研究意义与应用价值。传统的检测方法存在速度慢、成本高、精度低的问题。针对PCB缺陷检测问题,开展基于YOLO系列算法研究,在相同的实验环境下,以平均精度、精确率、召回率、每秒传输帧数作为评价性能指标。实验研究发现,YOLOv7在精度方面比YOLOv5有一定的提升,而YOLOv5在训练和推理的速度上比YOLOv7更快。提出融合CBAM(convolutional block attention module)注意力机制模块的YOLOv5改进算法用于PCB缺陷检测。经实验验证,改进算法在PCB缺陷检测的精确性和速度性能上均得到提升,其中,平均精度、精确度和召回率分别提升了7.40%,3.57%和5.63%。

带椭圆孔有限大二维八次对称准晶问题的应力分析

首先,利用扩展的Stroh方法,研究含椭圆孔无限大八次对称二维准晶板的格林函数,得到边界元法求解含椭圆孔有限大八次对称二维准晶板所需的基本解。其次,利用加权余量法,建立边界积分方程,采用线性插值函数及高斯积分对含未知量的边界积分方程进行离散并重新组织离散格式,形成变量统一的线性方程组。最后,对椭圆孔的孔边应力进行数值求解,并将有限大板的数值结果与无限大板的解析解进行对比验证,说明边界元法的有效性。进一步分析在垂向拉伸作用下,板材的尺寸、孔口的大小及倾斜角度对孔边应力的影响。数值实例结果表明,随着椭圆孔尺寸的增加,孔边应力集中现象越明显。若长轴垂直拉伸方向,椭圆孔倾斜会减缓孔边应力集中程度。而裂纹尖端的应力强度因子随着裂纹的增长而增加。

考虑表面多尺度几何特征的三维多层结构接触响应研究

航空发动机叶盘结构服役于高温、高转速的恶劣环境,使得叶片与轮盘非连续界面之间的涂层接触力学行为复杂,影响整体动力学性态.本文基于三维弹性理论建立了一种基于多层半空间体的接触模型,研究多层结构粗糙表面间的接触响应规律.采用数学解析形式将粗糙表面形貌分解为微观、介观和宏观多层级几何轮廓,引入Papkovich-Neuber势函数(P-N势函数),结合傅里叶积分变换法和影响系数法,构建了多层接触的边值问题,应用共轭梯度算法得到接触频响函数解.通过典型多层接触问题的解析解和有限元结果对比,验证了模型的可靠性;进一步研究了不同弹性模量、泊松比及摩擦系数下层内的应力场、位移场变化规律,为研究涂层系统表面粗糙界面的接触响应提供了一种可行而有效的方法.

利用FBG传感器测试高温合金和陶瓷基复合材料的应变

利用光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器测量了高温合金和陶瓷基复合材料的应变特性,并与电阻应变片的测量结果进行了对比分析.将FBG应变传感器与电阻应变片分别粘贴在高温合金和陶瓷基复合材料试件的正、反面上,利用力学试验机对2种试件施加载荷,分别利用FBG解调仪和应变测试仪对FBG应变传感器和电阻应变片的信号进行实时解调.研究得出:FBG应变传感器与电阻应变片在一定的应变范围内,测量结果符合较好.因此,FBG应变传感器可代替电阻应变片,实现对材料的应变测量.

弹丸定心部-身管接触模型及其应用

研究弹丸定心部与炮膛的接触现象对于理解弹丸膛内运动规律具有重要的意义,为此提出一个弹丸定心部-身管接触模型。假设定心部与阳线间的接触应力只沿阳线长度方向变化,将阳线表面简化成空间曲线;用阳线围成的笼形结构描述内膛的几何,提出了定心部与阳线的接触检测算法。将弹丸和身管沿着圆周方向展开,使用一个二维接触问题的解析解计算接触应力。针对接触应力的方根奇异性,采用Chebyshev-Gauss积分公式计算定心部与阳线的接触载荷。给出了确定模型参数的拟合方法和参数辨识方法。理论分析表明定心部与炮膛的接触刚度随着弹丸膛内行程变化。根据数值算例分析了弹丸质心偏移量对定心部与炮膛接触方式及前定心部磨损刻痕形成的影响。计算结果表明定心部受力的等效接触点并不位于定心部中心或棱线上。

一维六方准晶非周期平面内中心开口裂纹的平面热弹性问题

考虑裂纹内部介质的热传导率,研究了一维六方准晶非周期平面内含中心开口裂纹的平面热弹性问题.利用Fourier积分变换技术,得到了热应力、裂纹尖端处的热应力强度因子和应变能密度因子的封闭解.数值结果讨论了裂纹内部介质的热传导率、外载荷及声子场-相位子场耦合系数对热应力强度因子和应变能密度因子的影响.结果表明,声子场-相位子场耦合系数对裂纹扩展影响较大.当声子场载荷较小或热流密度较大时,裂纹不易扩展,热流密度在裂纹尖端处会出现集中热效应.随着裂纹内部介质热传导率的增大,热流密度逐渐增加而热应力强度因子逐渐减小.该文所得结果为准晶热力学性质的实际应用提供了理论依据,进而可用于优化准晶元器件的设计和制备.

双材料和半无限大空间中椭球夹杂的稳态热分析

探究了含有多个椭球夹杂的双材料和半无限大空间的稳态传热解.双材料的界面由包含连续性条件的双材料空间格林函数考虑,通过调整参数,该函数可退化为半无限大空间或者无限大空间格林函数.利用Eshelby等效夹杂法(equivalent inclusion method,EIM),将椭球夹杂等效为基底材料和夹杂内连续分布的本征温度梯度场.基于含多项式密度的椭球积分,椭球夹杂的扰动作用由本征温度梯度场和双材料格林函数域积分精确描述.本征场由夹杂形心展开的泰勒级数,并通过各个夹杂形心建立的多项式等效热流方程求解,求解精度由有限元法(finite element method,FEM)验证,实现了无网格求解双材料和半无限大空间中多个椭球夹杂的稳态传热问题.