Numerical Simulation of Transient Thermal Stress Field for Laser Metal Deposition Shaping

To decrease thermal stress during laser metal deposition shaping(LMDS)process,it is of great importance to learn the transient thermal stress distribution regularities.Based on the“element life and death”technique of finite element analy- sis(FEA),a three-dimensional multi-track and multi-layer numerical simulation model for LMDS is developed with ANSYS parametric design language(APDL)for the first time,in which long-edge parallel reciprocating scanning paths is introduced. Through the model,detailed simulations of thermal stress during whole metal cladding process are conducted,the generation and distribution regularities of thermal stress are also discussed in detail.Using the same process parameters,the simulation results show good agreement with the features of samples which fabricated by LMDS.

集成排气歧管低周疲劳寿命研究

集成排气歧管的设计使排气部分收到高低温载荷的反复冲击,因此在局部区域会产生较大的应力集中,超过材料的屈服强度,产生塑性变形,会有低周疲劳破坏的风险。本文基于有限元的方法,计算某冲击循环的瞬态温度场结果,并基于此结果进行交变工况下的应力应变分析,研究排气部位危险位置的温度、应力和应变的变化规律,并基于局部应力应变法得到该位置的疲劳寿命,为缸盖设计提供一种分析方法。

不同宽长比的柔性LTPS TFT的电应力可靠性

为了研究不同宽长比的柔性低温多晶硅薄膜晶体管(LTPS TFT)的电应力可靠性,测试了器件的I-V特性,以表征器件在强电场直流应力下由于自热效应和热载流子效应带来的电学性能退化。通过瞬态电流法表征了器件在强电场直流应力下的时间常数谱,并对其产生的新陷阱进行定位,分析了产生陷阱的内在机理。结果表明,在相同的强电场直流应力下宽长比为3/2.5的器件,其电学参数变化最大,自热效应以及热载流子效应带来的影响也最大。自热效应导致器件性能退化的主要原因是较大的栅源电压导致Si/SiO2界面处和栅氧化层中的陷阱增多,而热载流子效应导致器件性能退化的主要原因则是由于较大的漏源电压使得漏极晶界陷阱态密度急剧升高。

斜面型自补偿油封的热-结构耦合分析

传统唇形油封在使用过程中,存在不耐高温、耐磨性能差、摩擦生热高、使用寿命短等问题,为此,提出了一种使用斜面型自补偿油封代替传统的唇形油封的方法,利用数值分析软件进行了油封的热-结构耦合分析,探究了摩擦温度对油封热应力的影响规律。首先,利用数值分析软件建立了斜面型自补偿油封的动力学模型,采用热-结构耦合的分析方法,进行了油封温度场的求解;然后,引入温度场对油封应力进行了求解,对比分析了相同工况下唇形油封和斜面型自补偿油封温度场的区别;最后,搭建了高压高转速密封实验台,使用PT100温度传感器、瞬态液晶测量等新技术,进行了密封点-面测温,开展了斜面型自补偿油封温升特性的实验研究。实验结果表明:斜面型自补偿油封摩擦温升较唇形油封低,唇形油封的高摩擦生热性及材料的高弹性造成了唇形油封热应力集中,影响了唇形油封的使用寿命;在相同工况下,斜面型自补偿油封较唇形油封摩擦温升低,转子转速每增加1000 r/min,唇形油封的温度平均上升16.9%,斜面型自补偿油封的温度平均上升14.1%;转子转速在3000 r/min~4000 r/min时,斜面型自补偿油封稳定时的温度比唇形油封低21.1%~26.3%。研究结果表明:在相同工况下,斜面型自补偿油封的温升要低于唇形油封;斜面型自补偿油封的低摩擦温升,对于提高密封的使用寿命具有指导意义。

蹄—鼓式制动器热弹性耦合有限元分析

首先探讨蹄—鼓式汽车制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性动力学问题及其分析方法 ,包括摩擦生热模型、多物理场中的弹性体有限元模型、接触问题模型的建立方法以及相应的数值分析方法。然后 ,利用有限元分析软件ADI NA建立一种新型蹄—鼓式制动器热弹性耦合动力学分析的三维有限元模型 ,确定对模型求解的位移边界条件和热边界条件 ,设定材料物性参数、加载过程及模拟工况 ,探讨进行制动器热弹性耦合有限元分析的过程 ,通过仿真计算得到制动器工作过程中摩擦副间接触力分布、制动鼓瞬态温度场、应力场。

钛合金激光直接成形过程中热力耦合场的数值模拟

为控制成形过程的热应力,根据有限元法中的生死单元技术,利用ANSYS参数化设计语言编程实现对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场和应力场的数值模拟,并对熔池与粉末、激光与粉末的相互作用进行能量补偿,更加准确地计算成形过程中温度场和应力场的动态变化,得到成形过程中模型温度场、温度梯度、热应力场和残余应力的分布规律。结果表明,成形件不同层上的各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,熔池区的温度梯度非常大,但其他方向不明显;瞬态热应力集中在温度梯度变化较大的区域,这与热应力形成的机理是一致的;通过对成形件中各方向的残余应力分析,从温度梯度的角度总结各方向残余应力变化规律,侧面验证残余应力的形成机理。通过相同工艺参数下的试验验证,证明上述分析与实际情况是基本吻合的。

深部岩石巷道爆破卸荷的破裂范围研究

采用弹性动力学方法,利用拉普拉斯变换和卷积定理求解岩石巷道爆破卸荷瞬态应力场,结合Hopkinson动态破裂理论,给出了深部岩石巷道爆破卸荷破裂情况和瞬态卸荷破裂范围,说明了动态卸载扰动更易诱发岩爆灾害。算例表明,该理论和方法能正确地反应深部巷道开挖引起的围岩体的动态过程,并能有效地评价开挖卸荷引起的围岩体的破坏形态。

钢锭与锭模在钢锭凝固过程中应力分析的研究

本文用独立开发的温度场与应力场分析有限元系统研究了钢锭及锭模在钢锭凝固过程的瞬态应力场。

陶瓷构件形状对其抗热震性的影响

在陶瓷材料临界应力断裂理论的基础上,通过分别求解无限大平板、无限长圆柱体和球体三种形状构件在第三类边界条件下的瞬态温度场及瞬态热应力场,研究了不同形状陶瓷构件的热冲击行为,并据此分别建立了引起三种形状陶瓷构件表面临界热应力的临界温差表达式作为它们的抗热震参数。计算结果表明,在相同Biot模数的条件下,无限大平板表面达到临界热应力的量纲-时间最长,无限长圆柱体次之,圆球体表面达到临界热应力的量纲-时间最短;圆球体的临界温差最大即抗热震性最好,无限长圆柱体次之,无限大平板的抗热震性最差。

城际快速列车铸钢制动盘三维瞬态温度场和应力场仿真分析

为了新型城际动车组铸钢材料制动盘能满足热容量要求,建立制动盘的循环对称三维瞬态计算模型,考虑弹性模量、热导率、热膨胀系数和比热容等材料参数随温度变化的影响。采用间接耦合方法,利用有限元分析软件ANSYS,仿真不同制动初速度下连续两次紧急制动时制动盘摩擦热负荷产生的瞬时温度场及热应力分布。仿真结果表明:不同制动初速度下温度变化规律相似,但初速度高的温升高;制动盘摩擦升温最高为388.615℃,最大热应力为598.14MPa,通过比较,远低于铸钢材料许用温度和许用应力,能满足新型城际动车组的运行要求;铸钢制动盘是一种较为理想的制动材料,为结构设计与选材提供了理论依据。

盘式制动器热弹性耦合分析

探讨了汽车盘式制动器的摩擦接触热弹性耦合非线性问题及其分析方法.利用有限元分析软件ANSYS 8.1建立盘式制动器热弹性耦合分析的三维有限元模型,确定对模型求解的边界条件、载荷步及模拟工况,研究进行制动器热弹性耦合分析的过程,通过仿真计算得到制动器工作过程中制动盘瞬态温度场、应力场等重要信息.

采用一期水管冷却的混凝土坝施工期数值模拟

由于冷却水管直径与坝体尺寸相差很大,采用一期水管冷却的混凝土坝施工期不稳定温度场和徐变应力场的有限元分析是很困难的.本文提出用随施工过程不断变化的粗细结合的多重有限元网格法解决这一问题.该法在通水的水管周围采用较密的网格,从而可以较好地反映水管的局部作用;对冷却水管停止通水的浇筑块,将网格由密变粗,从而可以用较少的单元对整个坝段进行分析.算例表明,该法计算精度能够满足工程要求.

高强化内燃机活塞瞬态温度场分布规律研究

应用ANSYS有限元分析软件,建立了某高强化150内燃机活塞的三维有限元分析模型,计算了瞬态过程和快速冷起动过程中活塞温度场的变化历程及热应力状况。计算结果表明:瞬态活塞顶面的温度波动最大达到22℃,由此产生的瞬态热应力幅值与稳态热应力幅值处于相同的数量级。而冷起动过程活塞温度近似按指数规律上升。这些快速变化的温度引起的附加热应力是活塞顶面热损伤不可忽视的因素。

连铸中间罐盖热疲劳失效有限元分析

热效应引起的高温表面断裂是一个重要工程问题。由于热循环造成的热龟裂、表层剥落及热脆断是高温钢液存储罐盖、热轧辊、压铸模等工件的主要失效形式,热疲劳损伤裂纹主要是热应力与冲击热应力共同作用的结果。根据有限元技术和传热学理论,以高温钢液中间存储罐在热疲劳条件下其罐盖失效的物理解剖描述为基础,对实际罐盖的温度场、应力场进行ANSYS有限元计算,进而得出罐盖的瞬态温度场和热应力场的计算结果,并确定罐盖危险点。同时对罐盖热疲劳损伤及断裂产生的原因进行进一步的分析。分析结果再现罐盖部件所受的温度、应力、应变及失效的全过程,证明有限元分析模型和求解条件的正确性,从而提出一种实际部件热疲劳失效的有限元法,认为罐盖热疲劳抗力的改善主要取决于罐盖结构与使用的材料。该问题的深入研究,为后续罐盖材料与结构优化提供理论基础,对在高温和热冲击条件下工作设备热疲劳损伤问题、寿命预测及其控制具有重要参考价值。

起动阶段涡轮导向叶片热应力及冷却作用研究

建立了涡轮导向叶片有限元分析模型,参照相关的试验数据和文献资料确定热边界条件,计算了发动机起动阶段涡轮导向叶片各瞬时的温度及热应力。分析所得高温、高应力区域与相似条件下某型发动机地面试车过程中出现裂纹的区域基本一致,验证了数值模拟过程的正确性。在此基础上,对比分析施加对流冷却与无冷却措施两种条件下的计算结果,发现对流冷却使叶片各点温度下降而应力升高,推断出温度与应力的变化趋势反向,因而在叶片冷却系统的设计中需要权衡温度与应力的关系。其结果与结论对叶片瞬态热应力计算和热疲劳分析有一定的借鉴意义。

涡轮导向叶片热冲击数值模拟研究

研究热冲击作用下涡轮导向叶片的热应力及振动模态,旨在从热-结构影响角度揭示静子叶片损伤机理,对其热疲劳寿命分析及抗热疲劳设计具有重要意义。基于瞬态热/流耦合理论,采用有限元/边界元方法,实现某型航空发动机涡轮导向叶片在热冲击作用下的温度场计算,在此基础上求解出叶片的热应力及振动模态。研究表明,采用瞬态流/热耦合可以有效预测叶片的温度分布,其结果与试验误差为6%;依据计算所得热应力及模态振型,可以推断出叶片出现热损伤的位置,且与实验结果吻合较好;根据数值模拟结果,固有频率随温度的升高而下降,前六阶频率平均下降24.7%。

大体积混凝土施工过程温度应力场监测及有限元分析

大体积混凝土由于水泥水化发热导致混凝土在施工及养护过程中出现升温和降温过程,并在混凝土表面和内部产生温度差,受到边界条件的约束在混凝土的表面和内部产生温度应力.大体积混凝土施工中控制温度的本质就是控制温差引起的温度应力.根据某工程的特殊情况,设计了温度测点和温控方案,并对混凝土水化放热公式系数m进行修正,建立了有限元分析模型,分析过程中考虑了混凝土的力学性能随龄期的非线性增长.通过分析,预测了大体积混凝土的温度变化过程及应力分布情况,并与实测数据对比,吻合较好.其成果可为其他类似工程提供参考.

页岩气压裂井瞬态温-压耦合对套管应力的影响

页岩气井压裂过程中,压裂液通过大排量方式注入井筒,井底温度会急剧降低,同时高泵压也增加套管受力,加剧套管失效风险。鉴于此,建立了压裂过程中套管-水泥环-地层组合体瞬态温-压耦合模型,着重分析施工排量、注入温度和施工压力对套管应力的影响。研究结果表明:流变参数会影响对流换热系数,继而影响井底温度的变化,应该选择合理的流变参数,改善压裂液与井筒之间的对流换热;排量增加会迅速降低井底温度,增大套管应力,且原始储层温度越高,温度降低幅度也越大,套管应力增加越多;套管应力随压裂液注入温度降低而增加;合理的施工压力有助于降低套管应力。因此合理的施工泵排量、压裂液注入温度以及施工压力,能有效减小压裂过程中井底温度差,从而改善套管受力,保证压裂过程中套管的安全。

陶瓷材料的抗热震参数

通过求解无限大平板第三类边界条件的瞬态温度场及瞬态热应力场,分别建立了表面冷却条件下引起平板表面临界应力的临界温差ΔTc的表达式和表面加热条件下引起平板中心面临界应力的临界温差ΔTc′的表达式.计算结果表明,无限大陶瓷平板的ΔTc远远小于相同Biot模数条件下的ΔTc′,而且表面冷却条件下表面达到临界热应力的量纲一时间也小于表面加热条件下中心面达到临界热应力的量纲一时间.

基于无网格法的沥青路面三维瞬态温度场和车辆荷载耦合

无网格法是近年来迅速发展的一种新型数值计算方法,但目前沥青路面结构温度场和应力场的计算分析多采用有限元方法。为了将无网格法应用到该领域,基于变分原理推出了沥青路面瞬态温度场和应力场计算的无网格法公式,采用罚函数法处理本质边界条件。针对工程实例,编制了无网格法程序,建立数值计算模型并进行模拟分析。计算结果与现场实测数据和有限元分析结果吻合较好,且计算精度高于有限元方法。结果表明无网格法应用于沥青路面结构温度场和应力场的计算分析是可行的,供工程技术人员参考。