Inverse approach to determine piston profile from impact stress waveform on given non-uniform rod

An essential problem in the design of mechanical impact systems is the impact of a piston on a rod. The impact of a semi finite cylindrical piston on a non uniform rod was studied. Based on wave mechanics and characteristic line theory, an inverse numerical approach to determine the piston profile was proposed, by means of which the geometry of an impact piston may be determined from the given stress waveform for a given rod profile. Numerical results show that the given stress waveform may be produced by means of the alternatives of design of piston and rod. There is good agreement between the experimental results and numerical results. [

DYNAMIC STRESS INTENSITY FACTORS AROUND TWO CRACKS NEAR AN INTERFACE OF TWO DISSIMILAR ELASTIC HALF－PLANES UNDER IN－PLANE SHEAR IMPACT LOAD

Transient stresses around two collinear cracks which lie in parallel with theinterface of the two dissimilar half-planes are studied in this article.The surfaces ofthe cracks are sheared suddenly. Application of the Fourier and Laplace transforms technique reduces the problem to that of solving dual integrai equations.To solvethese,the differences of.the crack surface displacements are expanded in a series offunctions which are automatically zero outside of the cracks. The unknown coefficients accompanied in the series are determined by the Schmidt method. The stress intensity .factors are defined in the Laplace transform domain and these are inverted numerically in the physical space .As an example ,the dynamic stress intensity factors around two cracks in a ceramic and steel bonded composite are numerically calculated.

新型液阻式泵阀冲击特性研究

为了降低阀芯与阀座冲击应力减小二者间冲击磨损,提出一种液阻式新型泵阀。采用数值仿真方法对泵阀液阻结构参数进行了优化,并仿真计算了阀芯与阀座的冲击速度和泵阀碰撞冲击的压力接触情况。对比分析了液阻泵阀和传统泵阀的运动特征及冲击应力结果,并搭建试验台架对仿真模型结果进行验证。结果表明,在阀芯下落阶段,带液阻结构的泵阀的回落速度明显小于传统泵阀,传统泵阀阀芯与阀座相接触的速度达到了0.118 m/s,而带液阻结构泵阀的阀芯与阀座相接触的速度仅为传统泵阀的1/6左右,约为0.02 m/s;带液阻结构的泵阀只发生了1次碰撞,而传统泵阀发生了2次碰撞,在碰撞时,带液阻结构的泵阀阀芯与阀座上的最大接触应力约为260 MPa,而传统泵阀第1次碰撞为190 MPa,第2次为270 MPa;液阻式泵阀能明显降低阀芯与阀座相接触的速度,降低冲击应力,从而减小泵阀的冲击磨损。研究结果可为液阻式泵阀的设计和应用提供参考。

基于车桥耦合的钢-混凝土组合连续梁桥局部疲劳分析

钢-混凝土组合梁桥在满足使用性能的同时也会发生疲劳损伤,在桥梁设计和使用阶段应保证桥梁不发生疲劳破坏。为研究不同因素对桥梁疲劳损伤的影响,选取一座双工字钢-混凝土组合连续梁桥,采用车桥耦合分析程序对不同的车速、车重、桥面不平整度、桥面板厚度和主梁腹板高度下主梁的疲劳损伤进行分析。首先计算不同影响因素下桥梁的动应力,分析应力幅和等效应力幅个数的变化规律;然后分析应力幅冲击系数随各影响因素的变化规律;最后分析不同影响因素下主梁疲劳细节位置的疲劳损伤。研究结果表明:车重、桥面不平整度和主梁腹板高度对应力幅的影响较大,桥面不平整度对等效应力幅个数和应力幅冲击系数的影响较大;桥面不平整度通过改变应力幅冲击系数以影响应力幅,当桥面不平整度为C级及以下时,应力幅冲击系数偏离规范值;车重、桥面不平整度、主梁腹板高度对主梁疲劳损伤的影响较大,在超载和刚度储备不足的情况下主梁会发生疲劳破坏,应通过限载、及时维修桥面和提高主梁刚度的方法减小主梁的疲劳损伤。

倾斜工作面面向断层开采煤柱失稳机制及稳定性控制

以某矿面向断层开采的5302工作面为工程背景,模拟了工作面回采过程中断层及断层周围煤岩体垂直应力、塑性区及断层滑移演化规律,提出了断层煤柱的合理尺寸,并制定了卸压方案。研究结果表明:工作面回采期间断层及断层周围煤岩体受构造应力与采动应力叠加作用下应力高度集中,容易诱发冲击地压;微震、应力在线监测结果对比分析表明,制定的爆破断顶、钻孔卸压技术方案能够有效降低应力集中程度,避免工作面面向断层开采时诱发冲击危险。

超声能场在金属增材制造组织性能调控中的应用

针对金属增材制造构件存在微观组织缺陷、残余应力及各向异性等问题,各种组织性能调控技术应运而生。结合近年来超声能场对增材制造组织性能调控的研究工作,详细分析了超声能场在增材制造过程中的“液-固”双重效应,总结了超声能场对增材制造金属材料的显微组织及其表面粗糙度、显微硬度、残余应力、耐腐蚀等性能的影响。研究表明,超声能场使材料内部组织晶粒显著细化、孔隙率降低、耐腐蚀性能提高;同时使增材制造构件显微硬度升高,应力状态向有利于构件性能的残余压应力转变。

涡轮起动机中斜撑离合器的瞬态冲击与楔合特性研究

将稳态楔合拓展至瞬态冲击是深入研究斜撑离合器正向设计的重要组成部分。本文从机械动力学理论出发,关联输入输出端载荷与响应特征,建立斜撑离合器冲击受载微分方程,揭示出离合器由瞬态楔合至稳态传动过程蕴含的动力学原理和一般规律。在此基础上,推导出斜撑离合器内外传动轴的综合应力分析模型,并提出运用接触应力、综合应力和楔角等指标整体考察离合器传动性能的校核方法。最后以某常见离合器部件为例,从理论计算和仿真分析两方面模拟了涡轮起动机环境下的短时受载工况,验证了本文原理和分析模型的有效性,因而对此类离合器的设计与校核分析具有重要意义。

动态冲击载荷下7003铝合金的力学响应行为及力学本构建模

采用分离式霍普金森压杆装置对7003铝合金在不同应变速率下的室温动态力学响应行为进行了研究。结果表明:实验用7003铝合金的流变应力随应变速率的增加而增加,表现出正的应变速率敏感性,当加载应变速率增加至4100 s^(-1)时,剪切变形局域化所产生的绝热温升软化完全抵消了应变硬化和应变速率硬化,导致其流变应力在变形中期便随加载应变的增加而逐渐降低。随加载应变的增加,位错不断增殖使得位错密度不断增加。同时,这些位错在晶界处不断地塞积,并逐渐演变成胞状位错亚结构,导致位错密度逐渐达到饱和。通过优化原始J-C本构的应变硬化项、应变速率系数C和n,并引入绝热温升修正项,构建了能够准确预测7003铝合金在不同变形条件下应力响应行为的力学本构模型。拟合结果与实验结果的偏差均在±10%以内,预测值与实验值的相关系数(R)和平均相对误差(AARE)分别为99.17%和1.3%。

雷电冲击下土体应力及弹塑性界面时程分析

雷电作为自然界一种极端天气的表现形式,常给地基、地面、高耸建筑等造成严重破坏。工程防雷措施依赖于土体雷电冲击特性。现阶段,研究人员大多从电气工程角度探究雷电冲击土体造成的危害,但因学科间的差异与局限,雷电作用下岩土工程与电气工程的交叉融合方面的研究十分欠缺。本文构建土体雷电冲击模型,基于电弧通道能量平衡方程计算雷电放电产生的冲击波压力,将冲击波压力作为外加荷载作用在土体中,并通过修正Mohr-Coulomb屈服准则考虑动荷载下土体应变硬化,利用土体的理想锁定状态方程(Idealized Locked Equation of State)和动态扩孔方法考虑冲击波非稳态加载,探究雷电冲击下土体的弹塑性界面及应力时程变化规律。研究表明:在雷电冲击下,土体应力随时间变化呈现先陡增后迅速衰减的趋势,应力突变点表明土体此时正处于弹塑性交界面;在应力突变点之前,土体附加应力趋于0,处于弹性状态。任一时刻下,随着逐渐远离雷电冲击点,土体应力呈现迅速衰减的趋势,应力发生突变骤降表明此处土体正处于弹塑性交界面;在突变点之后土体附加应力趋于0,处于弹性状态。土体压缩系数对土体的弹塑性界面变化具有显著影响,随着压缩指标增大,土体塑性区半径逐渐减小;随着土体黏聚力逐渐增大,土体塑性区半径逐渐减小;增大土体弹性模量可以增大土体塑性区半径,但变化幅度相对较小;电流波形对土体塑性区中的应力会产生较大影响,而对土体弹性区影响较小。

残余应力分布对基板玻璃落球冲击强度影响的数值模拟研究

落球冲击强度是电子基板玻璃力学性能的重要指标,而残余应力对基板玻璃落球冲击强度有极大的影响。本文结合真实落球冲击试验,使用有限元方法对电子基板玻璃在不同残余应力分布模式下的落球冲击强度进行了数值模拟计算。结果表明,有限元数值模拟能够准确地反映落球冲击试验中的真实响应和基板玻璃破碎形貌。数值模拟中电子基板玻璃的落球冲击强度(通过残余质量率表征)和受冲击区域的残余张应力之间存在非线性关系,当残余张应力数值超过阈值时,落球冲击强度迅速下降。冲击区域存在的残余张应力对落球冲击产生的应力具有明显的放大作用,仅1.0 MPa的残余张应力就能使冲击产生的应力较无残余应力时提高约10 MPa,这是造成电子基板玻璃落球冲击强度下降的重要原因。

超声冲击处理对S355钢表层组织及力学性能的影响

通过超声冲击处理技术对S355钢表面进行处理,分析不同处理时间对材料显微组织、表层残余应力及拉伸性能的影响规律。结果表明,超声冲击处理能够有效地消减S355钢的残余拉应力,引入残余压应力,且引入的残余压应力随着超声冲击时间的增加而增加,在冲击时间达到10 min时,x轴、y轴的残余应力消除值分别为194.81、200.46 MPa。此外,超声冲击处理能够提升材料的抗拉强度和屈服强度,在冲击时间为10 min时,抗拉强度和屈服强度分别增加了16、13 MPa。经超声冲击处理后,试样表层晶粒得到了细化,且观察到明显的加工硬化层。超声冲击处理后材料内部位错密度增加、晶粒细化是导致残余拉应力转变为残余压应力和拉伸性能提升的本质原因。

三维增强型双箭头负泊松比结构抗冲击性能研究

为提高二维双箭头负泊松比结构的初始刚度和强度,通过在二维结构中增加支撑连杆设计一种三维增强型双箭头负泊松比结构。利用力法正则方程和摩尔积分推导结构的宏观泊松比解析公式,采用理论分析结合数值模拟的方法研究角度设置对结构宏观泊松比的影响;在此基础上,系统研究了三维增强型双箭头负泊松比结构在动态冲击下的力学特性,阐明不同角度设计和冲击速度等参数对结构变形机理、失效模式、平台应力和比能量吸收的影响规律。结果表明,三维增强型双箭头负泊松比结构表现出显著的负泊松效应,且结构的刚度、强度明显提高;在不同的冲击速度作用下,三维增强型双箭头负泊松比结构的平台应力和比能量吸收均随角度减小而显著增强。研究结果对航空航天和船舶工程等领域的结构抗冲击性能研究具有借鉴意义。

冲击力作用下种植体周围骨动态力学响应的数值模拟

目的研究种植体周围骨结构在冲击力作用下的动态力学响应和损伤特征。方法建立种植体周围骨微观结构的有限元模型,对刚体施加初始速度模拟冲击加载,采用应力失效准则,编写用户材料子程序对模型进行失效判断,分析冲击力作用下骨结构的应力变化及损伤状况。结果冲击力作用后,皮质骨应力迅速达到峰值(16.01 MPa),而种植体底端骨小梁应力值在冲击后0.1μs达到应力峰值(5.85 MPa);冲击作用会形成应力波在骨结构内传播,骨结构损伤随时间发生变化;冲击能量可被骨小梁通过变形而缓冲和耗散,骨小梁应力达到屈服极限后出现损伤和破坏,而皮质骨在冲击作用下未出现损伤破坏。结论对于冲击损伤患者,应更加重视骨小梁的结构变化。所建数值模型能将骨的结构力学性能和自身几何特性结合,较好预测骨的冲击损伤情况。研究结果可为临床承受冲击损伤患者损伤评估和损伤后治疗提供参考。

脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势。针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理。最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望。

抛丸和抛浆对金属基体表面完整性的影响对比

以Q235热轧带钢为研究对象,利用ANSYS/AUTODYN模块模拟了抛丸和抛浆对基体表面的冲击过程,并结合抛丸和抛浆冲击试验研究了带钢表面粗糙度和残余应力。结果表明,抛丸冲击后基体表面冲击深度和冲击直径分别比抛浆高20%~49%和9%~22%;抛丸冲击基体表面瞬时温度为247~413℃,抛浆冲击基体表面瞬时温度为60~97℃,说明浆体中的流体可以带走大量冲击热能。抛丸冲击后基体表面粗糙度和表面残余应力比抛浆冲击分别高22%~37%和3.7%~13.8%,抛浆冲击后基体表面完整性优于抛丸冲击。

基于超声冲击处理的多晶硅还原炉316L不锈钢焊缝消应力研究

电子级多晶硅生产设备有超洁净要求,使得超声冲击处理(Ultrasonic impact treatment,UIT)方法不适应于该类设备的消应力,因为处理导致的表面深坑、毛刺等缺陷可能挂污、藏水,降低产品纯度。鉴于此,研究UIT后打磨去除表面缺陷对引入的残余压应力的影响。结果表明,UIT能够有效将焊缝残余拉应力转变为压应力,高强度UIT和高覆盖率UIT在引入压应力上可达相近效果,打磨去除表面缺陷对残余压应力的影响不大。

装药弹体高空跌落冲击动态响应研究

弹药意外跌落的冲击作用,可能引发事故甚至导致弹药出现早爆而造成灾难性后果。采用LSDYNA研究了分体式装药弹体从10~35 m范围内6个不同高度垂直撞击混凝土介质的冲击响应,获得了装药弹体从不同高度冲击混凝土介质时冲击过载峰值和脉宽的变化规律、装药内部应力波的传播规律,以及混凝土地面的开坑状况。冲击过载脉宽大约为5 ms,过载峰值最大约为1000 g,装药头部主要受到压缩作用,轴向应力呈近似半正弦规律变化,其最大值为43.9 MPa。开坑数值模拟结果与实验结果吻合较好,证明了数值模拟的合理性。

H13模具钢双激光冲击锻打组织与性能研究

为改善激光熔覆涂层存在气孔、裂纹等缺陷,在H13模具钢表面进行双激光冲击锻打制备H13钢粉涂层试验。研究了不同激光冲击锻打频率对涂层表面显微组织、物相分析、残余应力和显微硬度的影响。结果表明,相比于激光熔覆,双激光冲击锻打后的显微组织更加均匀且晶粒细小,双激光冲击锻打并未改变试样件涂层的物相结构。双激光冲击锻打给试样件表面引入了残余压应力,随着激光冲击锻打频率的增大,涂层表面的残余拉应力逐渐减小,且逐渐转变为残余压应力,表面显微硬度也逐渐增大。

疲劳裂纹气动冲击的维修机理及效果

为探明气动冲击技术对钢桥面板疲劳裂纹的维修机理及修复效果,首先基于动力学理论,研究气动冲击过程中靶材的塑性变形规律,分析在塑性变形作用下的裂纹表面闭合过程;随后,采用数值模拟,探讨裂纹表面闭合部位的局部应力场及其在受载作用下的应力响应和变形规律;最后,通过疲劳试验对气动冲击的维修效果进行对比验证.结果表明:所提出的数学模型可对冲击深度进行预测,气动冲击过程中材料表面将产生显著的塑性变形,其冲击深度与横向变形近似相等;当裂纹断面横向相对变形量大于裂纹宽度时,会产生接触闭合及相互挤压行为,从而在接触闭合部位形成局部压应力区;该压应力能够一定程度上抵抗外荷载对裂纹表面的张拉作用,降低裂纹尖端应力强度因子,从而延缓或阻碍疲劳裂纹扩展.

水陆两栖飞机内流场结构冲击响应特性

水陆两栖飞机在航空消防领域具有独特优势,但其在水面高速滑行汲水和空中飞行灭火投水过程中,机体内部的运动水流会带来非定常水冲击效应。对于飞行器的流固耦合问题,以往的研究主要集中于机体外围流场与刚性飞机的相互作用,极少关注内部流场对结构变形和应力分布的影响。为此,根据水陆两栖飞机的使用模式,采用光滑粒子流与结构有限元耦合仿真的方法,开展全机主要影响区域的结构有限元建模和内流场建模,利用流固耦合方式求解机体弹性结构在汲水和投水内流场作用下的动态应力分布。结果表明:飞机高速汲水过程中,箱体结构持续受到内流冲击激励,结构各部位的应力不断变化,部分区域出现应力幅值较大幅度的振荡变化,且水箱隔板在某些时刻的最大瞬态应力达到0.38σ_(b),最大振幅为0.42σ_(max);飞机采用重力方式空中投水时,箱体结构受到的内流冲击激励相对较弱,端框最大瞬态增量应力为0.15σ_(b),最大振幅为0.22σ_(max),结构增量应力水平不高,且应力振荡幅度较小。