Topology optimization of turbine disk considering maximum stress prediction and constraints

For the stress-constrained topology optimization of a turbine disk under centrifugal loads,the jagged boundaries of the mesh and the gray densities on the solid/void interfaces could make the calculated stress field inconsistent with the actual value.It may result in overestimating the maximum stress and thus affect the effectiveness of stress constraints.This paper proposes a new method for predicting the maximum stress to overcome the difficulty.In the process,a predicted density is newly defined to obtain stable boundaries with thin layers of gray elements,a transition factor is innovatively proposed to evaluate the effects of intermediate-density elements,two different stiffness penalty schemes are flexibly used to calculate the elastic modulus of elements,and a linear stress penalty is further adopted to relax the stress field of the structure.The proposed approach for predicting the maximum stress value is verified by the analysis of a structure with smooth boundaries and the topology optimization of a turbine disk.An updating scheme of the stress constraint in the topology optimization is also developed using the predicted maximum stress.Some key ingredients affecting the optimization results are discussed in detail.The results prove the effectiveness and efficacy of the proposed maximum stress prediction and developed stress constraint methods.

Artificial intelligence method for predicting the maximum stress of an off-center casing under non-uniform ground stress with support vector machine

The situation of an off-center casing under non-uniform ground stress can occur in the process of drilling a salt-gypsum formation,and the related casing stress calculation has not yet been solved analytically. In addition,the experimental equipment in many cases cannot meet the actual conditions and the experimental cost is very high. These comprehensive factors cause the existing casing design to not meet the actual conditions and cause casing deformation,affecting the drilling operation in Tarim oil field. The finite element method is the only effective method to solve this problem at present,but the re-modelling process is time-consuming because of the changes in the parameters,such as the cement properties,casing centrality,and the casing size. In this article,an artificial intelligence method based on support vector machine(SVM) to predict the maximum stress of an offcenter casing under non-uniform ground stress has been proposed. After a program based on a radial basis function(RBF)-support vector regression(SVR)(ε-SVR) model was established and validated,we constructed a data sample with a capacity of 120 by using the finite element method,which could meet the demand of the nine-factor ε-SVR model to predict the maximum stress of the casing. The results showed that the artificial intelligence prediction method proposed in this manuscript had satisfactory prediction accuracy and could be effectively used to predict the maximum stress of an off-center casing under complex downhole conditions.

Symmetric Equations for Evaluating Maximum Torsion Stress of Rectangular Beams in Compliant Mechanisms

There are several design equations available for calculating the torsional compliance and the maximum torsion stress of a rectangular cross-section beam, but most depend on the relative magnitude of the two dimensions of the crosssection(i.e., the thickness and the width). After reviewing the available equations, two thickness-to-width ratio Independent equations that are symmetric with respect to the two dimensions are obtained for evaluating the maximum torsion stress of rectangular cross-section beams. Based on the resulting equations, outside lamina emergent torsional joints are analyzed and some useful design Insights are obtained. These equations, together with the previous work on symmetric equations for calculating torsional compliance, provide a convenient and effective way for designing and optimizing torsional beams in compliant mechanisms.

Influence of maximum principal stress direction on the failure process and characteristics of D-shaped tunnels

To investigate the failure process and characteristics of D-shaped tunnels under different maximum principal stress directions θ, true-triaxial tests were conducted on cubic sandstone samples with a through D-shaped hole. The test results show that the failure process can be divided into 4 periods:calm, buckling deformation, gradual buckling and exfoliation of rock fragment, and formation of a Vshaped notch. With an increase in θ from 0° to 90°, the size of the rock fragments first decreases and then increases, whereas the fractal dimension of the rock fragments first increases and then decreases. Meanwhile, the failure position at the left side shifts from the sidewall to the corner and finally to the floor, whereas the failure position at the right side moves from the sidewall to the spandrel and finally to the roof, which is consistent with the failure position in underground engineering. In addition, the initial vertical failure stress first decreases and then increases. By comparing the results,the failure severities at different maximum principal stress directions can be ranked from high to low in the following order: 90°>60°>30°>45°>0°.

考虑风载因素的玻璃幕墙清洁机器人设计

围绕高楼玻璃幕墙机器人自动清洁中的风载问题,设计了一款考虑风载因素的真空吸盘吸附的框架式爬壁机器人。针对玻璃幕墙清洁机器人的框架式结构进行步态规划。基于空间力学理论建立了玻璃幕墙清洁机器人在风载下的力学平衡模型,得到了风载大小与机器人吸盘吸附力之间的力平衡方程。在Workbench中对风载作用下的清洗机器人本体进行了有限元分析,得到了机器人模型的应力云图与变形云图。实验测试结果表明:在极限风载作用下,机器人的最大应力点位于吸盘支架,最大变形点位于主架板中心。在真实风载下对机器人进行攀爬运动仿真分析,机器人可以在极限风载下稳定地工作,不会发生滑移和倾覆,验证了力学模型和设计模型的正确性。

垭口微地形下档内线路不均匀覆冰研究

明确垭口地形因子对垭口输电线路覆冰的影响规律,对山区输电线路的差异化防冰非常关键。该文基于水文分析中反地形理论提出山腰垭口,建立垭口风场数值模型,并通过风洞实验验证该模型。依据垭口风场分布,选定3类垭口线路的架设路径,得出垭口线路的风速区间。将初始状态下导线单次覆冰冰层厚度不得超过线径的7%作为覆冰步长取值依据,循环计算流场、粒子传输模型、热力学方程得出线路风速区间内导线的覆冰情况,进而得出垭口线路的冰荷载曲线,山腰、山脉、双山垭口线路冰荷载曲线在弧垂区分别出现了弯折、下行、下凹的走势。通过野外垭口线路自然覆冰实验,验证了覆冰计算的有效性,证实横跨垭口线路的不均匀覆冰性,不均匀覆冰规律与计算冰荷载曲线类似。计算不同地形因子组合下3类垭口的冰荷载曲线,并提出最大应力比概念,作为评判覆冰所引起线路事故可能性的标准,量化了不同垭口地形因子与线路最大应力比之间的关系。

大倾角煤层开采顶板主应力方向分布特征及力学分析

为了分析大倾角煤层开采顶板最大主应力方向旋转对顶板变形破坏的影响,以新疆焦煤集团2130矿25221工作面为背景,采用物理相似模拟实验、FLAC^(3D)数值模拟方法对大倾角煤层开采过程中顶板破坏及岩层结构演化特征、最大主应力方向等值线分布及其对顶板破坏影响进行分析,在此基础上建立顶板力学模型,讨论了顶板挠度分布特征。结果表明:随工作面推进,顶板破坏包络线上方承载拱拱体范围逐渐增大,拱顶逐渐向岩层中上部延伸;顶板的最大主应力方向等值线分布形态由“m”逐渐向“n”型演化(采空区中、上部区域顶板最大主应力方向偏转程度较大),在主应力方向偏转和最优扩展裂隙角协同作用下,促使顶板中上部发生破坏并逐步向高位岩层迁移;建立顶板力学模型,通过Python编程将顶板数据代入计算可得,在顶板岩层倾向4/5处出现挠度峰值。

发泡聚乙烯最大加速度-静应力曲线快速获取方法研究

目的研究快速、准确预测最大加速度-静应力曲线的方法。方法首先利用落锤冲击试验机获取了5个不同高度下,5种不同厚度的发泡聚乙烯的最大加速度-静应力曲线。在此基础上,分析对比文中3种不同的改进拟合法与已有的动应力与动能量多项式拟合法的区别。结果研究发现,当不区分高度的情况下,以最大加速度因子为函数值,以跌落高度、衬垫厚度、静应力为变量进行拟合时,其代表预测精度R^(2)的平均为0.835,相比动应力与动能量多项式拟合法的0.2996要高。但曲线右侧的预测精度偏低。引入以静应力为变量的多项式作为修正因子后,R^(2)的平均值为0.934。预测精度有所提高,右侧的预测偏差减小,但仍存在。在区分高度的情况下,以带有修正因子的公式进行预测时,R^(2)的平均值为0.984,曲线向右侧预测偏差逐渐增大的现象明显改善。结论区分高度情况下,利用带修正因子的预测公式可以快速且较准确地预测最大加速度-静应力曲线,可以为冲击防护设计及相关软件的开发提供一定的帮助。

航空发动机液压弯管流固耦合振动特性分析

为研究流固耦合作用下多弯曲段液压管道的流体流动与管道振动之间的动力学特性,基于ANSYS Workbench平台分析了航空发动机某易故障部位弯形液压管道的预应力模态,通过SST k-ω湍流模型模拟计算不同流体流速下弯形液压管内流体的流动状态,获得了不同管内流体流速与管道形变以及等效应力之间的关系,得出在允许最大流速下弯管的形变随曲率半径的变化趋势,并总结出该液压弯管不同充液状态下的前六阶固有频率的变化趋势。结果表明:管道形变随流体流速的增加而增大,随曲率半径的增大而减小;弯管不同充液状态下管道的前六阶固有频率随阶数增加而增长且同阶下空管的固有频率大于充液弯管的固有频率;最后通过充液弯管的前六阶振型图分析了不同阶频率易发生形变的部位研究,可为航空发动机弯形液压管道的设计提供参考。

蛭石增强垫片加速寿命试验的最高温度应力水平确定研究

研究高可靠性垫片的寿命通常采用加速寿命试验,而加速寿命试验要求失效机理一致,因此合理地选择垫片最高应力水平尤为重要。以蛭石增强垫片为研究对象,进行温度加速退化试验,建立了垫片的幂律退化模型,基于Arrehenius方程和激活能原理得到了失效机理转变的温度区间;在给定失效阈值前提下,对伪寿命数据服从Weibull分布进行假设检验,确定了垫片最高温度应力水平为1123 K。对退化过的垫片进行压缩回弹试验,结果表明,当退化温度高于1123 K时,垫片的压缩回弹性能明显下降,进一步说明最高温度应力水平为1123 K的合理性。

基于DEM-FEM耦合模型的质量流量对喷丸强化效果的影响

目的提出一种将有限元(FEM)与离散元(DEM)相耦合的新方法,即通过定义关键字的方式在ABAQUS软件内实现DEM-FEM耦合功能,并应用此方法建立喷丸强化模型。方法将弹丸视为等直径刚体,利用刚体动力学模拟弹丸-弹丸和弹丸-靶材之间相互作用以及整个弹丸流。通过建立的DEM-FEM耦合喷丸强化模型研究质量流量对残余应力场和表面粗糙度的影响。结果质量流量对喷丸强化效果有显著影响,最大残余应力随质量流量的增加而减小,由2 kg/min时的–596.77 MPa下降到6 kg/min时的–581.91 MPa;表面残余应力随质量流量的增加先增大后减小,由2 kg/min时的–420.86 MPa增大到4 kg/min时的472.06 MPa,随后减小到6 kg/min时的–450.50 MPa;表面粗糙度Ra随质量流量的增加减小,由2 kg/min时的11.21μm减小到6 kg/min时的9.82μm。设计了喷丸强化实验,对质量流量2 kg/min的结果进行了验证。结论实测值与模拟值吻合较好,所建立的模型可以准确反映实际喷丸强化过程。质量流量对喷丸强化效果具有显著影响。

Effects of thickness and elastic modulus on stress condition of fatigue-resistant coating under rolling contact

The distribution and magnitude of surface substrates were investigated by finite element method and subsurface stresses of the （FEM）. The models of coating single-layer sprayed-coatings on monolithic configurations with different thicknesses and elastic modulus ratios of coating to substrate were introduced, and the effects of thickness and elastic modulus ratio on the stresses were addressed. The calculation results show that the coating/substrate interface shear stress obviously decreases with increasing coating thickness, due to the location of the maximum shear stress moving away from the coating/substrate interface. At the same time, the magnitude of von Mises stress also declines in the case of thicker coatings. However, the high elastic modulus ratio results in extremely high maximum shear stress and the severe discontinuity of the von Mises stress curves, which leads to the intensive stress concentration on the coating/substrate interface. So the coating configurations with the larger coating thickness and lower difference of elastic modulus between coating and substrate exhibit excellent resistant performance of rolling contact fatigue （RCF）.

气顶砂岩油藏型储气库运行上限压力和库容量定量评价研究

提高运行上限压力是增加储气库工作气量最直接、最有效且综合效益最优的方案。通过在矿场井中原位实测得到的最小主应力,对冀东南堡油田1-29气顶砂岩油藏型储气库的运行上限压力和库容量进行了定量评价,研究结果表明:基于最小主应力准则,盖层发生拉张破坏对应的上限压力最低,即根据实测最小主应力确定南堡油田1-29储气库的运行上限压力为27.2 MPa。基于有效库容计算模型,综合考虑气层含水量、残余水和边缘孔隙以及油层的波及系数、气驱液效率和含油空间利用率等因素,将上限压力从原始地层压力22.5 MPa提升到27.2 MPa,储气库的有效库容从15.46×10^(8)m^(3)增加到18.14×10^(8)m^(3),库容量增加约17.3%,预期可显著提升储气库的经济效益。研究成果对其他地下储气库运行上限压力和库容量定量评价具有一定参考价值。

不同弹性模量计算机辅助设计和计算机辅助制造桩核材料的应力分析

背景:桩核修复是牙体缺损修复的一种常规选择,然而不同桩核材料的修复效果存在差异。目的:利用有限元方法评估不同弹性模量桩核修复模型中桩核与牙根黏结剂部位的应力分布情况。方法:在三维建模软件中构建一个三维根管治疗过的上颌中切牙模型,进行全瓷冠修复,修复中的桩核材料分别使用纳米陶瓷树脂(弹性模量12.8 GPa)、复合树脂(弹性模量16 GPa)、混合陶瓷(弹性模量34.7 GPa)、玻璃陶瓷(弹性模量95 GPa)、钛合金(弹性模量112 GPa)和氧化锆(弹性模量209.3 GPa),将模型约束在皮质骨中,在中切牙牙冠舌侧1/3处加载与牙体长轴呈45°的100 N集中力,通过最大主应力分析修复模型中桩核、牙本质及桩与牙根黏结剂的应力分布。结果与结论:(1)当使用弹性模量较高的桩核材料时,修复模型中的桩核应力较集中;当使用弹性模量接近牙本质的桩核材料(纳米陶瓷树脂和复合树脂)时,桩核的应力分布较均匀;无论桩核材料如何,各修复模型中牙本质上的应力分布相似;使用弹性模量更高的桩核时,修复模型中桩与牙根黏结剂处显示出更多的应力集中。(2)纳米陶瓷树脂模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为31.00,33.21,0.51 MPa,复合树脂模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为36.84,33.14,0.59 MPa,混合陶瓷模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为64.05,32.83,1.00 MPa,玻璃陶瓷模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为112.30,32.69,1.73 MPa,钛合金模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为120.00,32.17,1.86 MPa,氧化锆模型中桩核、牙根及桩与牙根黏结剂处的最大应力值分别为148.80,31.85,2.28 MPa。(3)桩核材料的弹性模量越高,进行桩核修复时桩核处的最大应力值越大,桩核材料弹性模量对修复模型中桩与牙根黏结剂处与牙本质的最大应力值无明显影响。

钢/塑VH-CATT传动接触应力分析

对变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT)传动引入单个塑料齿轮后的最大接触应力在啮合过程中的变化规律进行了研究。基于该齿轮传动的齿面方程,建立了齿轮精确的三维模型。根据齿轮啮合原理,推导了该齿轮传动重合度的计算方法,并分析了齿轮啮入到啮出整个啮合过程啮合对数的变化规律。应用Abaqus分析了齿轮啮合过程中最大接触应力变化规律,分析结果表明:在啮合过程中,随着转动角度的变化,最大接触应力呈现先增大后减小的变化趋势,数据拟合数值后为一条上凸的曲线,且在啮合对数变化时,应力变化也较大;对比了不同材料下齿轮变形协调关系,塑料齿轮适用中小载荷的场合;分析了不同转矩条件下最大接触应力的变化规律,随着转矩的增大,最大接触应力峰值增大,且增大趋势逐渐放缓;分析了不同齿线半径条件下最大接触应力的变化规律,随着齿线半径的增大,最大接触应力峰值减小,且减小趋势近似呈线性。

圆环非线性恢复力的梁约束模型建模

圆环隔振器是一种以圆环结构为基础的非线性隔振器,圆环结构在压缩变形过程中会受到压力和环面拉伸的耦合作用,从而产生非线性恢复力,对圆环结构非线性恢复力的精确建模是研究隔振器性能的关键。将圆环结构等分为多段曲梁,利用梁约束模型对每段曲梁建立计及几何非线性的力-位移关系模型,结合曲梁间的力传递关系和几何约束关系,建立了圆环整体在压缩过程中的非线性恢复力模型,并计算了圆环变形过程中所有分段点处的正应力。通过电子伺服疲劳试验机对圆环结构在压缩过程中的恢复力进行了测量,验证了梁约束模型的建模精度。研究结果表明,利用梁约束模型可以表征圆环结构非线性恢复力特性,其建模精度与椭圆积分法相当,而模型表达式和求解过程都比椭圆积分法简洁。圆环在压缩量最大时正应力最大,此时最大正应力在圆环的上下端点。梁约束模型的建模精度随着分段数的增加而提高,当分段数大于12时,梁约束模型的恢复力计算误差小于2%。

裂纹长度对PBX代用材料表观断裂韧性Kc的影响

表观断裂韧性(Kc)是表征高聚物粘结炸药(PBX)抵抗裂纹萌生和裂纹扩展的重要材料性能,研究表观断裂韧性Kc的尺寸效应对预测不同尺度的PBX的起裂及失效行为具有重要意义。通过中心裂纹巴西圆盘(CSTBD)试验,对PBX代用材料的表观断裂韧性Kc的尺寸效应特性进行研究,通过断裂试验研究了不同裂纹长度(2,4,6,8,10 mm)对CSTBD试样表观断裂韧性Kc的影响。并采用了传统的最大切应力(MTS)准则以及考虑Willimas级数高阶项系数和断裂扩展区(FPZ)长度预估模型的修正最大切应力(MMTS)准则,对PBX代用材料的表观断裂韧性Kc的尺寸效应解释。结果发现,随着裂纹长度的增加,Kc从0.139 MPa·m0.5增长至0.251 MPa·m0.5,并且随着裂纹长度的增加Kc趋于稳定。在使用A3项修正的FPZ长度预估模型下,相较于传统的MTS准则,使用MMTS准则能够很好地解释PBX代用材料表观断裂韧性Kc的尺寸效应。

闸片摩擦块排列方式对高速列车制动盘磨损深度的影响

制动盘的摩擦磨损是高速列车盘式制动工作失效的重要原因,且摩擦块的排列方式是影响制动盘最大磨损深度的重要因素。为研究摩擦块排列方式对制动盘最大磨损深度的影响,考虑摩擦温度、接触应力和相对滑移速度在制动过程发生变化,基于Archard磨损模型进行修正,利用ANSYS有限元仿真软件,建立制动盘-闸片三维瞬态模型,采用列车在通过42号道岔紧急制动时的工况,仿真计算不同摩擦块排列方式下制动盘摩擦面的最大磨损深度。分析最大接触应力,提出“应力磨损因子”参数,用来表征应力对最大磨损深度的影响。提取径向节点磨损深度,分析摩擦表面的磨损形貌,给出摩擦块不同排列方式对制动盘磨损深度的影响规律。研究成果为改善制动盘磨损提供理论依据和新的思路,为今后铁路制动系统闸片结构的设计提供借鉴。

五对置柱塞泵曲轴的多工况分析及优化

针对五对置柱塞泵曲轴在实际工况下存在的失效、共振问题,以五对置柱塞泵曲轴为例,采用理论分析和有限元分析的方法,对曲轴进行了仿真分析、结构优化和强度校核。首先,采用了ANSYS有限元分析法,研究了5DW150/16对置式柱塞泵曲轴多工况下的应力应变云图与模态响应云图,分析了曲轴不同工况下的危险截面和共振问题;然后,采用了支撑结构优化与响应面法优化两种优化方法,研究了支撑方式与结构参数对曲轴应力应变的影响;最后,采用了理论公式强度校核方法,对优化前后的曲轴是否满足设计要求进行了验证。研究结果表明:五拐两支撑结构曲轴的危险截面出现在曲柄销的过渡圆角处,不会出现共振现象;采用全支撑结构增强了曲轴的抗冲击能力,降低了曲轴的颤动,提高了整体载荷能力,保证了泵的平稳运行;采用响应面法优化后的曲轴,最大等效应力减小了15.8%,最大变形量减小了14.04%;优化前后的曲轴可以满足强度要求。

电动汽车轮毂的结构优化

轮毂作为对汽车安全有直接影响的旋转支撑部分,其安全性显得尤为重要。蜂窝结构是一种轻质、高强度的结构,其受力特性与轮毂在弯曲工况下的受力特性高度相似。因此,基于蜂窝结构对轮毂进行仿生设计,并进行响应面优化。最终仿真结果显示,轮毂的弯曲疲劳寿命达到1.72×10^(5)次,满足国标《乘用车车轮弯曲和径向疲劳性能要求及试验方法》(GB/T 5334-2021)中商用汽车轮毂弯曲疲劳寿命的要求。