Initial residual stress experiment and simulation of thin-walled parts for layer removal method

Thin-walled parts have low stiffness characteristic. Initial residual stress of thin-walled blanks is an important influence factor on machining stability. The present work is to verify the feasibility of an initial residual stress measurement of layer removal method. According to initial residual stress experiment for casting ZL205 A aluminum alloy tapered thin-walled blank by a common method,namely hole-drilling method,three finite element models with initial residual stress are established to simulate the layer removal method in ABAQUS and ANSYS software. By analyzing the results of simulation and experiments,the cutting residual stress inlayer removal process has a significant effect on measurement results. Reducing cutting residual stress is helpful to improve accuracy of layer removal method.

薄橡胶层改善喷丸质量机理研究

目的 为了解决喷丸导致的金属表面粗糙度提升问题,方法 提出在金属表面铺设薄层橡胶层,通过薄橡胶层的变形均匀化丸粒的冲击压力,进而抑制丸粒冲击所造成的粗糙度急剧增加的新工艺。为验证新工艺的可行性并揭示其机理,采用有限元软件Abaqus分别建立传统喷丸、黏结橡胶层喷丸和自由铺设橡胶层喷丸的仿真模型;设定丸粒为半径0.5 mm的球形刚体,丸粒初始速度为50 m/s;工件材料为Q235,采用Johnson-Cook本构模型;薄层橡胶采用双参数Mooney-Rivlin本构模型;仿真模型中不同部件之间的摩擦系数均设定为0.2;所有模型均采用显式求解方法。结果 在传统喷丸、黏结薄橡胶层喷丸和自由铺设橡胶喷丸条件下,工件表面丸粒冲击点的残余压应力分别为96,343,252 MPa,工件表层最大残余压应力分别为391,426,373 MPa,工件表面的残余压应力得到显著提升;3种喷丸工艺下冲击压痕分别为56.2,26.1,35.4μm,表面薄层橡胶有效降低了工件表面粗糙度;工件表层残余应力的分布形式与橡胶层的厚度密切相关,当橡胶厚度分别为0.05,0.20 mm时,所得到的最大残余压应力分别为329,373 MPa,距离工件表面分别为256,141μm。结论 在机理上,橡胶的大变形特征增大了丸粒的冲击作用面积,延长了冲击作用时间,是薄橡胶层能够改善喷丸质量的根本原因。

船用膜片联轴器的膜片组件简化建模方法及模态试验

针对船用膜片联轴器的膜片组件螺栓连接的复杂性问题,基于薄层单元法对膜片组件的有限元模型进行简化,提出一种新型简化建模方法——结构分割法。对模型静刚度进行计算,确定结构分割法中结合面单元的弹性模量和泊松比。该方法相较于传统的薄层单元法计算效率更高。将结构分割法模型的模态仿真结果与试验结果进行对比,结果表明,结构分割法模态分析得到的振型与试验测得的前三阶振型吻合较好,固有频率误差均在10%之内,验证简化模型仿真的正确性,可为船用膜片组件结合部动力学快速有效建模提供思路。

电磁波传播测井地层介电常数测量应用分析

受地层水矿化度的影响,复杂油气储层电性特征复杂,采用电阻率测量方法难以对复杂储层流体进行准确评价与识别;但介电常数受地层水矿化度影响小,并且水的介电常数远大于油气介电常数,通过电磁波传播测井仪测量地层介电常数可有效准确区分油气储层与水层,且其地层响应转换图版的精准性对复杂储层流体的准确评价至关重要。本文基于等效磁偶极子模型推导了层状介质中1 GHz电磁波传播计算公式,提出了将测量探头几何工程参数融入有限元的精确仿真方法,采用COMSOL Multiphysics建立1∶1有限元仿真模型,分析了探头几何工程参数对地层转换图版的影响。搭建实验系统验证了理论仿真的准确性,测量结果显示基于精确仿真方法得到介电常数与真实值的相对误差约为1%。研制出电磁波传播测井仪,并在某油田开展了非常规页岩油气测井应用,为油田复杂油气储层的评价提供了一种有效的测量方法。

考虑土拱效应的黏性土主动土压力解析解

挡土墙是一种常见的挡土结构物,在道路工程中得到了广泛的应用。作用在挡土墙上的主动土压力是工程中挡土墙设计的一个重要指标。为了进一步提高主动土压力的计算精度,以多因素影响下的刚性挡土墙为研究对象,同时考虑挡墙墙背倾角、填土黏聚力和内摩擦角、墙-土摩擦角和黏结力以及超载等因素的影响,假定墙后形成的圆弧形土拱产生土拱效应,基于薄层单元法,推导了主动土压力分布、合力大小和滑裂面倾角的计算公式。通过与模型试验和现有理论结果的对比分析,验证本文理论解对主动土压力计算的有效性。研究结果表明:考虑土拱效应后的土压力沿墙高为非线性分布,土压力随着墙高和超载的增加而增大,随着黏聚力的增大而减小;在墙上部(约0~H/3),主动土压力随墙背倾角的增大而减小;在墙下部(约H/3~2H/3),主动土压力随墙背倾角的增大而增大;当挡土墙由光滑转为粗糙时,土压力分布由线性分布转为非线性分布;此外,墙土界面越粗糙,墙背墙角越大,土压力非线性分布程度越明显。尽管考虑因素的增多使得土压力的计算过程变得复杂,但由于计算条件与实际工况更加接近,土压力计算结果误差更小。本文建立的考虑多因素影响的主动土压力通用计算公式,可为实际复杂工程条件下的挡土墙设计提供理论指导。

失谐螺栓连接对薄壁圆筒的动力特性影响

螺栓连接结构的性能退化是航空发动机安全运行必须考虑的问题,螺栓连接预紧失谐这个概念可以表征螺栓连接结构的性能退化,并用预紧失谐量和预紧失谐比例说明预紧失谐的状态。在此基础上,将预紧失谐的概念与螺栓连接改进薄层单元法相结合,研究失谐螺栓连接对薄壁圆筒动力特性的影响。针对预紧失谐对薄壁圆筒的确定性动力特性进行分析,包括固有特性、稳态响应的影响,考虑螺栓预紧力的随机性,研究失谐螺栓连接对薄壁圆筒的概率性动力特性分析。研究结果表明:薄壁圆筒同阶固有频率的分离程度随着预紧失谐量的减小而增大,随着预紧失谐比例的增大呈现“双峰”特点;预紧失谐使得薄壁圆筒响应峰值对应的频率减小但幅值增大,随机预紧失谐使得响应峰值点的频带更宽,并且输入参数为指数分布时,输出参数为威布尔分布。

沥青混凝土桥面铺装层间黏结性能的影响研究

为研究沥青混凝土桥面铺装结构的层间受力状态,采用有限元法建立带有薄层沥青防水黏结层的混凝土箱梁整桥模型及局部梁端子模型,进行层间黏结响应分析,并与涂膜类防水黏结层和卷材类防水黏结层进行对比。考虑防水黏结层厚度及模量对沥青桥面铺装结构层间黏结性能影响,结果表明,采用薄层橡胶沥青防水黏结层的沥青桥面铺装结构,层间黏结性能较其他两类更优,工程应用中具有适应性强,抗变形能力强等优势。防水黏结层厚度的增大可提升沥青桥面铺装结构的层间黏结性能,但提升的效率随厚度的增加而降低。防水黏结层模量的增大对层间黏性性能产生不利影响。

非极限状态挡土墙主动土压力研究

利用薄层单元法对挡土墙非极限状态主动土压力进行研究,认为挡土墙土压力是由墙后填土在平衡状态下出现的楔形土体产生,取挡土墙后楔形土体沿平行于填料坡面的薄层作为微分单元体,通过作用在微分单元体的力和力矩平衡条件,建立挡土墙非极限状态主动土压力微分方程,得到非极限状态土侧压力系数、土压力强度、土压力合力和作用点的理论公式。根据非极限状态摩擦角与墙体位移关系,分析填土内摩擦角、墙土摩擦角和挡土墙位移比对土侧压力系数、土压力分布、土压力系数和作用点的影响。分析表明采用极限平衡理论计算平动模式下刚性挡土墙非极限状态时的抗倾覆稳定性偏于危险。另外,公式计算结果与实测模型试验进行对比分析,主动土压力分布曲线吻合良好。

航空发动机螺栓连接薄层单元建模方法

螺栓连接广泛应用于航空发动机结构中,对航空发动机动力特性有重要影响.薄层单元法能够很好地模拟复杂连接结构并保持结构完整性.以薄层单元法为基础,给出航空发动机螺栓连接结构薄层单元法参数化建模原理,研究薄层单元材料参数对螺栓连接刚度的影响规律,并从理论推导出发确定薄层单元相关材料参数,最后将该方法应用到实际结构中,并与精细有限元模型结果对比,从而验证薄层单元法的正确性和应用前景.研究结果表明:薄层单元法能够很好地模拟航空发动机螺栓连接结构;对轴向、弯曲刚度起决定作用的是薄层单元轴向弹性模量,对剪切刚度起决定作用的是薄层单元xy、xz平面的剪切模量;薄层单元材料参数能够用螺栓连接结构参数示出.

复杂条件下挡土墙主动土压力解析解

基于库仑理论的平面滑裂面假设,综合考虑填土具有黏聚力和内摩擦角、挡土墙墙背和填土面均倾斜、填土与墙背间具有摩擦和黏着力、填土浅表具有张拉裂缝和表面有连续均布超载的复杂情况,采用薄层单元法,导出了作用于挡土墙上的主动土压力的解析解,可适用于黏性和无黏性填土的复杂条件;且证明现行经典朗肯理论和库仑理论主动土压力是解析解相应简化假设下的特例。多个工程实例计算均表明,公式计算结果与实测主动土压力非线性分布曲线吻合良好,因而解析解对实际工程中主动土压力的计算精度是可靠的,具有推广应用价值。

基于CSA和薄层单元法主动土压力计算方法

土压力计算一直沿用经典朗肯和库仑土压力理论,所得土压力沿墙高呈三角形分布。而实际上认为挡土墙后土压力总是沿墙高呈三角形分布是不合理的,墙体位移量和形式不同,土压力分布将呈现不同的曲线形式,墙背与填土间的摩擦以及滑裂面的形状对土压力分布也有重要影响。假定挡土墙后土体潜在滑裂面由对数螺线滑动面和平面组合而成,根据挡土墙后土体薄层单元的平衡条件推导出粘性土层主动土压力的计算公式。通过在普通模拟退火算法中引入复合形法进行局部最优解搜索,得到了一种搜索性能更好的复合形模拟退火算法,并将其用于挡土墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应的主动土压力计算,并给出了两个算例。其计算结果表明:与传统的朗肯和广义库仑土压力理论的计算结果相比,所提方法更符合实测结果。

曲线滑裂面下有限宽度填土主动土压力计算

开展了刚性挡墙平动变位模式情况下墙后有限宽度土体破坏试验。试验结果表明,在墙后填土宽度较小情况下,土体破坏面为通过墙踵及某一固定点的曲面,由此基于变分极限平衡法,导得滑裂面曲线的具体方程式为对数螺旋曲线。在此基础上,结合薄层单元法,得到了墙后有限宽度土体的主动土压力合力及土压力强度的分布。与室内观测结果及库仑土压力值的对比表明,该方法相比经典土压力方法更接近于实测值。分析了不同填土宽高比n下的主动土压力分布规律,结果表明,主动土压力随n增加而逐渐增加,但n达到0.55时趋于稳定,因此,该值可作为墙后土体有限宽度的界限值。

基于薄层单元法主动土压力计算的复合遗传算法

作用于挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的土压力理论,其土压力分布沿墙高呈直线分布,但实践证明它们与实际情况不符。在已有研究成果的基础上,为提高计算精度,假定挡土墙后土体潜在滑裂面为由对数螺线面和平面组合而成,根据挡土墙后土体薄层单元的极限平衡条件推导出土压力的计算公式。由于土压力计算值与滑裂面的位置有关,为寻找潜在最危险滑裂面,在简单遗传算法中引入复合形搜索法得到一种高效的复合形遗传算法,并将其用于墙后填土潜在最危险滑裂面搜索和相应主动土压力计算。最后,对室内模型挡墙和现场实际挡墙后填土土压力进行了分析计算,计算值与实测值吻合很好,这表明该方法不仅可行,而且可靠。

饱和地基中二维填充沟远场被动隔振研究

针对饱和均质地基中二维填充沟远场被动隔振问题,首先,基于饱和多孔介质频域边界元法,建立了以薄层法(TLM)基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法,该方法可有效的分析饱和半空间的动力问题,是解决土–结构动力相互作用问题的一种有效工具。在此基础上,根据填充沟与周围土体的邻接条件,推导得到了填充沟对Rayleigh波散射的二维边界元方程;运用上述边界元方程,对刚性填充沟的远场隔振问题进行了详细的参数分析。结果表明:在饱和地基中设置填充沟能够对地面振动起到有效的隔振作用;增加填充沟的深度和剪切模量均能有效地提高其隔振效果;填充沟宽度对隔振效果影响较为复杂,而填充材料的泊松比对隔振效果则基本没有影响。

平面P-SV波入射时TI层状自由场地的响应

由于沉积土层的垂直弹性模量常常不同于水平弹性模量,采用横观各向同性(TI)层状场地模型能较真实地反映实际场地。研究了横观各向同性层状场地对平面入射P-SV波的响应,并考虑了平面内偏振角的影响。根据波动方程,采用了薄层元素法,推导了平面P-SV波入射时TI层状场地的动力刚度矩阵。通过算例,分析了TI层状场地的自振特性及各向异性参数对场地响应的影响。

基于PSO搜索潜在滑裂面非极限状态土压力计算

作用于刚性挡土墙侧土压力的计算一直沿用经典的朗肯或库仑土压力理论,这两种理论只能求得极限状态的土压力,而在许多实际情况下,挡土墙的土压力处于非极限状态.本文将潜在滑裂面视为一任意曲线,改进水平层分析法,同时基于摩擦角随位移的变化关系,对平动模式下墙后填土进行分析,推导出非极限状态下主动方向土压力分布、合力大小及作用点的理论公式.以各薄层微元的滑裂面倾角为变量,利用PSO(粒子群算法)对潜在滑裂面进行搜索从而获得土压力最优解.分析了内摩擦角、刚性挡土墙位移量对非极限状态主动方向土压力分布、土压力合力大小、土压力合力作用点高度以及潜在滑裂面的影响.本文提出的计算方法得出的结果与试验数据的大小及变化趋势基本吻合,具有推广应用价值.

饱和地基中单排桩远场被动隔振研究

针对均质饱和地基中单排桩远场被动隔振问题,基于饱和多孔介质的边界元法,建立了以薄层法(TLM)基本解作为动力Green函数的饱和土半解析边界元法,该方法可有效分析饱和半空间的动力问题,是解决土-结构动力相互作用问题的一种有效工具。在此基础上,根据排桩与周围土体的邻接条件,推导得到了单排桩对Rayleigh波散射的三维边界元方程;运用上述边界元方程,对单排桩的远场被动隔振问题进行了详细的参数分析。结果表明:单排桩能以一个整体对Rayleigh波进行隔振;增加单排桩的桩长、桩径和桩身剪切模量均能有效提高其隔振效果;减小桩间净距也能够有效提高屏障的隔振效果。

挡墙后粘性土被动土压力的薄层微元法

基于水平层分析法的思想,采用薄层微元法,推导了考虑挡墙墙高、墙背倾角、填料面仰角、均布超载、填料重度、填料摩擦角、填料与墙背粘结力和摩擦角(外摩擦角)等条件下的粘性土被动土压力公式的解析解,采用图解法给出了临界破裂角的显式解答。并分析了这些因素对被动土压力临界破裂角、被动土压力强度分布、土压力合力大小和作用点位置的影响。结果表明,被动土压力强度沿墙高呈非线性分布;现行库伦和朗肯理论下的被动土压力公式均为被动土压力公式在相应简化假设条件下的一种特例。墙背倾角、填料面仰角、均布超载、填料粘聚力、内摩擦角、外摩擦角等对被动土压力大小和分布情况影响显著,填料重度对土压力合力作用点影响不大。

三维层状饱和地基动力Green函数的薄层法求解

建立了三维层状饱和地基模型并在模型底部施加无反射边界条件,引入Fourier变换和正交变换将饱和地基Biot动力方程化为Love和Rayleigh模态方程,将地基沿深度方向划分为数个薄层单元并对单元位移场引入线性插值函数,从而将模态方程离散化,通过求解本征值问题最终给出了三维层状饱和地基的频域动力Green函数。分析了均质饱和地基的Love和Rayleigh模态的弥散特性,求解了均质和成层饱和半空间的Lamb问题,并与Philippacopoulos的数值积分解对比,说明了所求Green函数的正确性。所得Green函数无需关于Hankel函数进行数值逆变换且能直接考虑地基的成层性,提高了计算效率。

列车荷载下竖向非均匀地基波阻板主动隔振分析

对列车模型简化计算,基于薄层法研究波传播问题高效性与边界元法处理无限域问题精确性,建立薄层法基本解答作为格林函数边界元法。针对三维竖向非均匀地基模型,对WIB主动隔振体系进行参数研究。结果表明,在轨道交通荷载作用下,增加WIB剪切模量、厚度、宽度及选较小埋深均可增大WIB隔振体系隔振效果;非均匀系数对隔振效果略有影响。