NiCrAlY/YSZ/0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)热障涂层在1150℃水淬–热震环境中的服役行为

目的热障涂层是主要应用于航空发动机涡轮叶片表面的高温防护材料,它可以有效降低基体的工作温度,是提高涡轮叶片的工作温度、延长其服役寿命的重要技术手段。氧化钇部分稳定的氧化锆(YSZ)在高温环境中易发生烧结、相转变等行为,降低了热障涂层的服役寿命,因此有必要研发新的热障涂层材料。方法利用大气等离子喷涂技术制备了NiCrAlY/YSZ/Sm_(2)Zr_(2)O_(7)和NiCrAlY/YSZ/0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)热障涂层体系,利用XRD、DSC、SEM等系统地研究了沉积态0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)涂层的相结构和热导率等。然后,将其在室温和1150℃水淬–热震环境中进行循环服役行为测试,研究热障涂层体系在水淬–热震环境中的相结构演变、失效模式和失效机理等。结果利用大气等离子技术沉积的0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)涂层中具有非晶相,在1200℃下热处理5h后发现了SmAlO_(3)相。沉积态0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)涂层的热导率维持在1.5 W/(m·K),但随着温度的升高稍增大,经退火处理后其热导率高于沉积态0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)涂层的热导率,随着温度的升高呈先降低后升高的趋势。NiCrAlY/YSZ/Sm_(2)Zr_(2)O_(7)热障涂层体系在12次循环后失效,而NiCrAlY/YSZ/0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)热障涂层体系在90次循环后失效。结论与NiCrAlY/YSZ/Sm_(2)Zr_(2)O_(7)热障涂层体系相比,NiCrAlY/YSZ/0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)热障涂层体系的循环服役寿命提高了约7倍。表明0.8Sm_(2)Zr_(2)O_(7)-0.2Y_(3)Al_(5)O_(12)是一种有潜力的热障涂层材料。

考虑土-膨润土化学相容性的阻隔墙长期服役性能研究

考虑到填埋场渗滤液中较高Na^(+)和Ca^(2+)浓度会让土-膨润土的渗透系数显著增大,从而加速高危害性污染物击穿土-膨润土阻隔墙,建立了Na^(+)和Ca^(2+)作用下土-膨润土阻隔墙-含水层系统中有机物污染物运移数值模型。该模型可以考虑渗透系数和水动力弥散系数等参数随Na^(+)和Ca^(2+)浓度的变化。利用有限差分法,获得了该模型的数值解。通过将所建模型的计算结果分别与已有解析解计算结果和COMSOL软件计算结果进行对比分析,验证了模型的正确性。最后基于所建数值模型,以甲苯作为代表性有机污染物分析和讨论了考虑和未考虑土-膨润土化学相容性、水头差和膨润土掺量对阻隔墙长期服役性能的影响。结果表明:考虑土-膨润土化学相容性之后,阻隔墙从不会被击穿变成了服役75 a后被击穿,服役寿命大幅缩短;降低阻隔墙两侧水头差,能够有效延缓污染物的击穿时间;阻隔墙膨润土掺量的下限值应在原先防渗要求的基础上适当提高,以应对污染物作用下墙体防污阻隔性能的削弱。

典型服役热环境下舵面结构动力学特性试验技术

高超声速飞行器高速飞行过程会遭受严重的气动力叠加热载荷的复杂载荷联合作用,尤其是舵面结构,其在复杂载荷下的结构动力学特性是影响装备服役安全及可靠飞行的关键因素,通过试验进行验证和评估是一种有效的研究手段。舵面结构典型服役工况下表面温度高,迎风面与背风面气动热温差往往达到数百摄氏度,需要在试验中进行精确模拟。以C/SiC舵面结构为研究对象,设计并搭建了瞬态热环境下结构动力学特性试验系统,构建了一种加载温度高、迎风面与背风面温差大的典型服役热载荷环境,开展了舵面结构在该环境下的动力学特性试验研究,获取了结构的动力学特性变化规律。研究成果为典型服役热环境对现代高超声速飞行器舵面结构的动力学特性影响研究提供了重要验证手段。

超临界机组长期服役后P91钢微观组织演变研究

P91钢因优异的高温强度和抗蠕变性能,作为高温承压部件材料被广泛应用于超临界火电机组中。然而,长期在高温环境中服役会导致材料微观组织的退化,进而影响其力学性能及机组的安全运行。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子探针显微分析仪和透射电子显微镜等多种表征技术,分析和对比了P91钢管道在超临界火电机组中长期(66000—68000 h)服役前后的微观组织变化,并探讨了微观组织转变的机理。结合P91钢显微硬度的变化情况,研究了微观组织转变对其力学性能的影响。研究结果表明,服役前后的P91钢管道金相组织均保持典型的板条马氏体结构,但服役后P91钢中马氏体板条内的位错密度下降,且部分板条出现宽化。在析出相方面,服役前的P91钢中主要存在富Cr的M_(23)C_(6)相、富V、Nb的MX相,而服役后的P91钢中除了原有的析出相外,还在原奥氏体晶界和板条边界发现了富Mo的Laves相。另外,服役后析出相的面积分数相比服役前增加了3.06%,但析出相的数量却减少了28.1%,这主要归因于M_(23)C_(6)相的Ostwald熟化和Laves相析出长大。析出相的粗化与聚集减弱了对位错和晶界的钉扎作用,导致板条合并宽化,以及亚晶粒的形成更加容易发生。服役后的P91钢,其平均显微硬度下降了20.70 HV0.5,直接反映为力学性能的降低。一系列的微观组织的演变,是导致P91钢力学性能下降的主要原因。本研究为P91管道的长期安全服役提供了基础数据,具有非常重要的理论和工程应用意义。

长江中游护滩服役状态评价体系

随着长江航道建设的快速发展,维护管理好在役的航道整治建筑物成为一项重要工作。目前国内针对长江中常见的航道整治建筑物——护滩服役状态的相关研究较少。基于考虑指标模糊性的可拓云理论,建立护滩服役状态评价模型。依据监测信息、护滩历年维护经验和相关规范,构建了评价指标体系,并结合序关系法和熵权法,综合确定指标权重,经模型计算可以得到护滩所隶属的服役状态等级。将该模型应用于长江中游新九水道护滩服役状态评估,评价结果与工程实际情况吻合。验证表明,本文所建立的护滩服役状态评价模型可以正确识别护滩服役状态,指导护滩日常维护工作,推进长江航道养护智能化。

电沉积锌用铅基阳极服役后表面结构演变研究

针对由于析氧反应的过电位对阳极氧化膜的高度依赖性,极大地影响了能耗这一问题,采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、电子探针(EPMA)和X射线衍射(XRD)对Pb基阳极(阳极含量:Pb-0.5%Ag-(0.02~0.03%)Ca-(0.01~0.02%)Sr-(0.01~0.02%)La)的表面形貌、元素分布和织构进行了表征分析,结果表明:服役后的阳极板表面出现了裂纹和大量空洞。同时还观察了阳极泥的形成可能会导致阳极表面的钝化,影响了其电化学性能。

汽车薄壁保险杠蒙皮材料特性分析与服役性能研究

目的优化薄壁保险杠蒙皮材料的力学性能,评价薄壁保险杠蒙皮的服役性能。方法以纳米碳酸钙(nano-CaCO_(3))、蒙脱土(MMT)和氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)为添加剂对PP进行协同改性。采用双螺杆挤压机制备PP/SEBS/nano-CaCO_(3)和PP/SEBS/MMT共混材料,研究刚性粒子与SEBS对薄壁注塑用聚丙烯(PP)的强韧协同效应。研究无机填料/弹性体协同改性作用对薄壁注塑用聚丙烯结晶行为、力学性能与微观结构的影响规律。建立薄壁注塑用聚丙烯保险杠蒙皮有限元仿真模型,通过多个工况有限元仿真和实验来评价薄壁保险杠蒙皮的服役性能。结果共混材料的结晶度相比PP/SEBS提高了1.2%~7.3%,结晶温度未产生显著变化;nano-CaCO_(3)质量分数为4%的PP/SEBS/nano-CaCO_(3)综合性能最好。仿真结果表明,薄壁保险杠蒙皮具有较好的服役性能,并且通过实验验证了该评价方法的有效性。结论薄壁保险杠蒙皮材料可以通过共混改性达到理想的刚韧平衡效果,基于材料性能-成形质量-服役性能的方法为高效设计薄壁汽车保险杠蒙皮提供了新途径。

WJ7-B型轨下橡胶垫板服役状态研究

WJ7-B轨下橡胶垫板在我国高速铁路中被广泛应用,在扣件系统中起着重要的作用。本文选取年通过总重相近、所处气候差异较大的广深港高速铁路与京哈高速铁路为铺设线路,以WJ7-B轨下橡胶垫板为研究对象,通过现场铺设,调研抽取样品,然后进行检测分析,研究其在不同环境下的服役状态和性能变化规律。结果表明:随应用时间增长,WJ7-B轨下橡胶垫板的整体外观良好,厚度、拉断伸长率会随之减小,静刚度、拉伸强度、200%定伸应力、压缩永久变形性能会随之增大。环境的温度和湿度会影响WJ7-B轨下橡胶垫板的厚度、刚度及物理性能变化,高温高湿环境下的垫板厚度及物理性能变化小,静刚度变化大。

机器学习在金属材料服役性能预测中的应用

在材料基因工程的背景下,数据驱动的机器学习技术推动着材料研究进入了新的范式.机器学习能够充分利用已有的实验数据,在不明晰机制原理的情况下实现对材料服役性能的准确预测,极大地减少了实验所需的时间与成本.本文以机器学习预测金属材料的典型服役性能为主题,总结并分析了四种预测金属材料服役性能的常用机器学习模型.以疲劳、蠕变、腐蚀这三种常见的服役性能为代表,介绍了机器学习在这三个性能方面的研究情况,并列举了几个具体的案例进行简要分析.最后,总结了机器学习预测金属材料服役性能的特点,分析了当下机器学习预测金属材料服役性能存在的一些科学问题,并对其发展前景进行了讨论和展望.

纳米氧化铝提升海洋环境高速铁路桥梁混凝土结构服役寿命研究

氯离子传输并诱导内部钢筋锈蚀是海洋环境高速铁路桥梁混凝土结构耐久性失效的主要原因之一,增大混凝土氯离子传输阻力是提升混凝土结构服役寿命的根本途径。纳米技术与纳米材料的发展为混凝土材料高性能化提供了新的可能。本工作研究了纳米氧化铝(NA)对砂浆氯离子电迁移系数(D_(RCM))与自然扩散系数的影响,基于氯离子等温吸附曲线,建立了考虑氯离子结合参数的氯盐传输模型,分析了NA对氯盐侵蚀环境下混凝土结构服役寿命的影响。结果表明:适宜掺量的NA可降低砂浆氯离子传输性能;承台桩基础混凝土钢筋保护层厚度为60 mm时,在C45混凝土中掺入2%(质量分数)NA后,仅考虑氯离子侵蚀时混凝土预期服役寿命由68年提升至107年。NA为提升海洋环境下高速铁路混凝土结构服役寿命提供了新的技术途径。

长时服役后HR3C耐热钢的微观组织与拉伸性能变化研究

碳中和技术成为火力发电的最有效解决方式之一,HR3C奥氏体耐热钢因其具有优异的高温性能而成为超超临界机组使用的典型高温部件材料。采用SEM、TEM、EBSD等技术对未服役样品和服役时长分别为35564、67705 h的样品进行微观组织观察,同时对几种材料的室温拉伸和高温拉伸性能进行了测量。结果表明:HR3C耐热钢具有良好的高温稳定性,在晶粒组及能源革命的大背景下,超超临界发电织与未服役样品一致,仍为孪晶奥氏体组织。此外,服役后HR3C的大角晶界处出现连续分布的M23C6相,并在晶界附近观察到纳米级NbCrN相。长时服役后其室温拉伸性能和高温拉伸性能与未服役样品并无明显变化。

复杂温度环境下苯基硅橡胶减震垫服役寿命评估技术

目的评估某型苯基硅橡胶减震垫在库房贮存-户外值班交替复杂温度环境下的服役寿命。方法开展苯基硅橡胶减震垫在不同温度下的热空气加速老化试验,测试压缩刚度性能数据,计算库房贮存-户外值班环境下多个等效温度反应速率,评估苯基硅橡胶减震垫服役寿命。结果在置信度为99%时,苯基硅橡胶减震垫的压缩刚度保持率均随老化时间延长呈修正指数型变化规律,初期变化速率快,后期变化速率减缓;随着温度增加,交联密度增加,减震能力降低。结论基于范霍夫近似规则,计算苯基硅橡胶减震垫在库房贮存-户外值班交替环境下的服役寿命为28年,为类似产品的使用寿命预测提供方法支撑。

基于机器视觉的大跨长联桥上无缝线路小阻力扣件纵向服役状态监测研究

以福厦高铁渔溪特大桥为例,提出一种基于机器视觉的小阻力扣件纵向服役状态监测方案,以获取大跨长联桥上无缝线路钢轨纵向变形与复合垫板窜出的时变特征;同时,结合梁轨温度与梁端位移测试结果,分析梁体温度、钢轨温度、梁端累积位移、梁轨相对位移与垫板窜出量之间的相关性。研究结果表明:根据图像识别结果,钢轨在监测阶段将随温度变化产生不同方向的伸缩,且钢轨位移略大于垫板窜出量。钢轨昼夜温差要显著大于桥面气温以及连续梁梁内气温、顶板温度、腹板温度,且梁体温度变化幅度显著比钢轨的小,其原因在于钢轨的比热容较小,在同等热量输入输出时产生的温度变化幅度较大。梁端纵向位移随温度变化幅度较小,最大日位移为0.15 mm;在监测周期内,梁端累积位移呈波动减小趋势,即梁体发生了缓慢收缩,其原因在于夏季到秋季时气温逐渐降低,且最大平均位移变化速率为0.09 mm/d。梁体温度、钢轨温度、梁端累积位移、梁轨累积相对位移和垫板窜出量之间的相关系数均大于0.8,说明其相关性较大,且均呈较好的正相关关系。通过基于机器视觉的小阻力扣件状态监测方法,可见小阻力扣件在福厦高铁渔溪特大桥区段具有较好的纵向服役状态,且监测周期内线路状态均正常,验证了此类方案在小阻力扣件现场监测中的适用性。

基于DS证据理论与综合赋权改进可拓法的黄土区重载铁路高填方路基服役性能评价

为有效评价黄土区重载铁路高填方路基的变形与稳定状态,在重载铁路高填方路基服役性能初选评价指标库基础上,通过基于证据可信度的DS证据理论融合指标的重要度、独立度与区分度3项特征值,构建重载铁路高填方路基服役性能优选指标体系;基于综合赋权改进可拓评价法,建立针对重载铁路高填方路基服役性能的多层次综合评价模型,并利用该模型对大准及巴准铁路两段高填方路基服役性能进行评价。研究结果表明,上述两段高填方路基服役性能等级评价结果依次为差与良,并均通过了有效性检验;本文研究所提方法较云模型更能准确评价高填方路基服役性能,且比《铁路路基大维修规则》更能全面客观地反映高填方路基服役性能所处状态。研究结果可为黄土区重载铁路高填方路基服役性能状态评价提供参考。

极端服役多工况风电齿轮箱箱体轻量化设计

风电齿轮箱箱体轻量化设计对降低风机成本、提升风机功率密度及结构力学性能具有重要意义。受极端风况及气候条件影响,箱体长期遭受来自传动系统的无规律载荷冲击,导致优化设计过程中面临工况覆盖不全面、模型简化不合理以及材料利用率低等问题;因此,在考虑多种极端服役工况作用与模型合理等效的基础上,对箱体进行轻量化设计。基于模态试验对模型准确性验证的前提下,以箱体最小质量为优化目标,不同极限工况下箱体最大应力为约束条件,对箱体组成部件中主壳体、过渡板和后壳体进行了多工况优化设计,并对改进前后箱体性能进行对比。结果表明,优化后箱体的质量减小了4.7%(549.8 kg),不同工况下最大位移和应力均大幅度减小。轻量化设计的同时提高了箱体的强度与刚度,可为风电齿轮箱的设计改进提供参考。

既有铁路客车服役性能研究

我国既有铁路客车保有量大、运用时空环境复杂,其服役性能的演变对运行安全和运维保障带来极大挑战。为系统掌握铁路客车服役状态,调研我国普速客车运营现状,并以车体钢结构为例,开展影响客车服役性能的因素分析。调研发现,大部分普速客车已逐步进入服役中后期,5T等信息化手段实现了对客车的全面监控。不同运用环境下,钢结构腐蚀情况不同,随着运行时间/运行里程的增加,钢结构腐蚀有明显加剧趋势。针对服役期间RW25G车体和209P型转向架疲劳强度开展研究,各关键部位均满足服役寿命30年设计要求;针对服役期间YZ25T车体和CW-200K型转向架开展跟踪测试,发现转向架个别关键承载位置产生损伤值较大。针对服役期间25T型客车动力学性能开展研究,采用TPDS、TCDS和添乘等手段开展跟踪测试,并结合实测车轮磨耗数据和减振器劣化数据开展仿真分析,结果表明,在1个旋修周期内,车辆运行安全性存在一定冗余;随服役时间增加,转向架关键部件的性能劣化或失效会对车辆蛇行稳定性和运行平稳性产生不利影响;开展随机参数的动力学仿真,发现极端工况下轮重减载率上升明显,应予以充分关注。

富油型高黏高弹桥面铺装过渡层材料服役性能研究

针对混凝土桥面板铺装工程对铺装层材料的性能需求,提出富油型高黏高弹桥面铺装过渡层材料,开发出60℃黏度>70万Pa·s的过渡层材料专用高黏高弹改性沥青,研究了不同油石比、不同级配、不同厚度的过渡层材料与组合结构的服役性能规律.结果表明:富油型高黏高弹过渡层材料具备优异的高温、低温,以及水稳定性能,在组合结构的形式中与混凝土桥面板的25℃的剪切强度、拉拔强度分别达到0.98、0.71 MPa.动态荷载下,随着油石比与厚度的提高,组合结构试件的初始裂纹出现、裂缝扩展速度降低,起到阻止裂缝传递与反射的作用,在0.2应力水平下铺装层组合结构疲劳寿命可达到10万次.超薄组合铺装结构服役性能优异,可有效防止铺装层出现推移、拥包、开裂等桥面病害.

仿真数据驱动的长期服役电梯导轨故障迁移诊断方法

现有的电梯导轨故障诊断研究存在水平振动分类数据稀缺,训练和测试数据集分布差异较大等问题。提出了一种仿真数据驱动的长期服役电梯导轨故障迁移诊断方法。首先构建电梯轿厢的水平动力学模型,将不同类型的导轨故障激励作为系统输入进行仿真,获得丰富的轿厢水平异常振动数据;然后融合残差网络和卷积注意力机制来提取故障特征,采用子领域自适应方法实现无监督场景下源域与目标域条件分布的对齐;最后使用不同工况下的电梯水平振动数据作为目标域对所提方法进行验证。实验结果表明,所提方法在无监督跨域场景下具有较高的故障诊断精度,为解决长期服役电梯的故障数据稀缺问题提供了参考。

基于GA-BP神经网络长服役期内结构混凝土的强度演变预测

为研究长服役期内既有混凝土结构的强度演变规律及其预测模型,以唐包铁路、西户铁路等实际工程为研究背景,以服役时间为2、16、25、30、40、52、66、88、95和100 a的在役桥涵为研究对象,基于混凝土回弹法,开展役桥涵混凝土强度试验,分析长服役期内既有桥涵混凝土强度动态发展过程。同时,基于试验实测混凝土强度数据与收集的230组同类条件下在役桥涵(服役时间2~88 a)混凝土强度数据,构建GA-BP神经网络混凝土强度预测模型。此外,为提高模型可应用性,基于高精度GA-BP神经网络强度预测模型,建立一般矩阵公式和简化公式。基于本文构建的混凝土强度预测模型,分析该类地区(试验中已调研区域)长服役期内混凝土结构的强度演变规律。研究结果表明:相较于既有混凝土强度预测模型,本文构建的GA-BP神经网络混凝土强度预测模型可有效预测不同服役时间下的混凝土强度,预测数据的平均绝对百分比误差为8.76%,决定系数为0.83。本文简化公式(C25)精度较高,平均绝对百分比误差为6.6%,为便于简化计算,推荐简化公式(C25)作为长服役期内混凝土强度预测公式。百年服役期内混凝土强度经历2个时间阶段,即混凝土强度缓慢上升期(1~49 a)、混凝土强度快速下降期(49~100 a)。随混凝土结构服役时间增加,混凝土结构劣化速率增加,导致混凝土结构在长期服役过程中,混凝土强度不能满足混凝土结构服役要求。

服役期隧道结构安全控制技术研究综述

结构安全问题始终贯穿着隧道全寿命周期,是保障交通线路正常通行的关键节点之一。从隧道结构典型病害类型、病害感知、结构安全状态评价与病害整治等方面入手,梳理服役期隧道结构安全控制技术的研究现状。研究结果表明:服役期隧道结构病害主要包括水害、混凝土结构裂损、结构变形超限以及衍生病害;渗漏点的分布与隧道结构的复杂程度有一定关联。隧道病害受周边环境和结构自身共同影响,不同病害之间相互影响、关系密切,在特定情况下互为因果。高清数字图像、激光点云、探地雷达图像均可作为深度学习的训练数据集,病害识别的效果与计算机性能、GPU以及神经网络模型有直接关系,工程中通常借助快速移动平台提高病害的识别效率;依托量子计算的人工智能手段将是隧道病害感知发展的方向。健康监测系统的实施是掌握隧道结构安全状态的重要手段之一,针对其故障率高、成本高、条件要求高的缺点,业内已开展了关于轻量化监测的有关探索。规范中推荐的隧道安全评价方法有单指标评价和综合评价,目前常用的安全评价理论有数十种之多,未来应将相关理论与实际工程应用相结合作为研究的重点。注浆是隧道病害整治的重要手段之一。新技术的应用极大提升了隧道病害整治行业的技术水平,但距离大面积推广尚有一段距离,目前隧道病害整治效果的后评估体系尚未建立。