基于有限元法的含裂纹平板应力强度因子研究

许多结构和设备由于材料本身原因或使用不当会产生表面裂纹。应力强度因子是用来判定含裂纹的设备或结 构是否会失稳甚至断裂的重要依据。文中选用存在表面裂纹的有限大平板,用1/4节点奇异单元,建立含表面半椭圆裂 纹的平板有限元模型,利用ANSYS对此模型进行应力强度因子的求解。建立不同的模型进行对比分析,得出不同的裂 纹长度、深度、板厚等因素对裂纹尖端应力强度因子的影响情况,以及应力强度因子沿裂纹前缘分布规律。发现裂尖处 应力强度因子随着裂纹长度的增加而减小,随着裂纹深度的增加而增大;裂纹前缘的应力强度因子,在裂纹最深处最大, 由裂纹尖端向裂纹最深处呈现逐渐增大的变化规律。     

高强钢的应力腐蚀与高强螺栓的延迟断裂

应用断裂力学的观点和方法缺究和分析了高强螺栓延迟断裂的原因及其规律，并提出了预防的措施和方法。主要内容有：1、应用恒位移缺口试样，模拟标准螺栓联接在服役条件下所产生的峰值应力，对七种强度级别的35CrMnsiA钢在四种介质中(纯水，3.6%NaCl水溶液，新三磺泥浆、老三磺泥浆)的应力腐蚀裂纹萌生规律进行了研究。发现:当强度限 135kg/mm2，缺口根部不会萌生应力腐蚀裂纹。而当 140kg/ mm2 ，缺口处极易产生裂纹。2测试了35CrMnsiA钢在四种介质中的应力腐蚀裂纹扩展速率 与止裂界限应力强度因子KISCC。结果发现:当 135kg/mm2，随强度限的降低，KISCC有明显的升高，而 则大幅度的下降。当 140kg/ mm2，KISCC。及 随强度的改变而变化的规律都不明显。四种介质中的KISCC相差不大。当 140kg/ mm2，纯水中的 比其余三种介质中的要快的多，是盐水中的2～6倍。当 135kg/ mm2，它们的差别逐渐减小，直至全部趋近于零。3、螺栓各不同部位的应力强度因子Kl是不相同的，但Klmax。二则可能发生于二个地方，即螺纹的收尾处及与螺母(桩)相配合且距支承约2/3螺距处。由于拉弯复合作用，前者比后者可能要大。当丝扣根部有0.5mm裂纹，则对中碳低合金高强钢，只有取。 120kg/ mm2才能保证Kl。     

准脆性材料（岩石）结构的尺度效应

由于岩石类准脆性材料存在特征长度,其尺度效应不再符合Weibull尺度效应统计理论.具有非均匀性的岩石类准脆性材料,一方面特征长度破坏了几何相似,另一方面其破坏前的能量释放是与均匀材料构件完全不同的.本文运用RFPA2D软件研究了由于具有特征长度的材料本身的非均匀性引起的尺度效应以及能量释放规律.同时,对河北省井陉地区石灰岩进行了单轴压缩试验,结果与数值模拟取得了很好的一致性.研究认为(1)对于无宏观裂纹、均质度为2的岩石材料结构,临界尺度随材料特征长度的增大而增大.在临界尺度范嗣内,材料单轴抗压强度随尺度的增加呈幂函数减小;(2)对于无宏观裂纹、均质度为100的岩石材料结构,不同特征长度的材料临界尺度几乎相同,均为100mm;(3)岩样声发射能量随尺度的增加而增加,是解释准确性脆性材料尺度效应的重要研究思路.     

基于聚氨酯弹性体位移传感器的有限元分析及实验

为揭示聚氨酯弹性体位移传感器固定端应变与运动端位移、扭转之间的关系,课题组基于橡胶类材料单轴拉伸实验得到的应力应变关系,通过数据拟合后确定最适合聚氨酯弹性体材料的Ogden本构模型及参数。用ABAQUS软件建立了聚氨酯弹性体位移传感器的非线性有限元模型,分析运动端位移和扭转情况下传感器的应力、应变和位移变化规律。研究表明：随着运动端位移和扭转的加载,固定端的应变随之增加,当位移达到30 mm时,最大应变出现在距离固定端4 mm处;当扭转达到15°时,最大切应变区域为整个弹性体发生扭转变形部分;此分布规律指导了传感器设计中应变片布置方案。将传感器仿真与测量实验数据对比,误差在10%以内,符合传感器要求。     

裸眼完井下的大位移井裂缝起裂研究

随着大位移井数量的增加,大位移井压裂逐渐成为油气藏的一种重要增产技术手段。大位移井水力压裂裂缝起裂与直井、普通定向井有显著差别,其起裂模式不仅与井眼轨迹(井斜角、方位角等) 有关,而且还与地应力方位密切相关。以往的斜井裂缝起裂模式已经不能满足大位移井压裂设计的需要。考虑作业条件、压裂液渗滤效应和孔隙压力的影响,建立了大位移井井筒周围应力场分布模型,提出了裂缝起裂压力和起裂方位预测模型,并分析了不同构造应力范围对大位移井压裂裂缝起裂的影响。计算结果表明,建立的模型完全适用于大位移井压裂设计的需要。     

钻孔间距对岩石静态破碎效果影响的数值模拟研究

运用岩石破裂系统RFPA~(2D),基于静态破碎膨胀力增长曲线,模拟不同间距条件下双孔模型的破裂过程,探究不同钻孔间距在静态破碎作用下的岩石破裂贯通过程的声发射规律、钻孔间应力分布变化,研究不同间距钻孔之间裂纹生长、发育和破裂机制.研究结果表明:岩石破裂阶段产生少量的声发射事件,声发射累计能量较多,而裂纹贯通阶段正好相反;随着预制孔间距的加大,开裂破碎需要更多的载荷步,裂纹贯通阶段的声发射数量分布趋于平缓,同时裂纹发展方向不再沿着最短路径延伸且会产生较多的岩石碎块,运用孔间最小主应力曲线对裂纹扩展过程进行解释,以为不同工程条件下合理布置岩石钻孔提供新的研究方法和途径.     

高速铣削淬硬H13钢表面粗糙度及残余应力实验研究

为了获得淬硬H13模具钢在高速铣削后的高质量表面,基于单因素实验设计法,采用TiAlN涂层硬质合金立铣刀对其进行高速铣削实验。通过使用NPFLEX白光干涉仪和PROTO X射线衍射仪对加工后工件表面粗糙度、表面形貌以及表面残余应力进行测试,同时分析了切削速度、每齿进给量和轴向切深对测试结果的影响规律。研究结果表明：当切削速度为150 m/min时,表面粗糙度Ra值最小;当每齿进给量为0.06 mm/z时,Ra值最佳;而当轴向切深为0.06 mm时,Ra值最大。随着切削速度的增大,表面残余压应力呈现先减小后增大再减小的变化趋势,随着每齿进给量的增加,表面残余压应力变化并不显著,而随着轴向切深的增加,表面残余压应力增大;最大表面残余压应力和最小表面粗糙度的组合并不在相同的切削参数下获得。     

分支管气固两相流动阻力性能的研究

在水平T型分支管道中,用压缩空气对平均粒径分别为0.25 mm和0.5 mm的砂石进行气力输送试验,对气固两相流动的阻力性能进行研究.试验结果表明,在发送压力保持不变的情况下,当输送气速逐渐下降时,分支管的单位长度压差在开始时减小,但当输送气速下降到一定程度后,单位长度压差下降趋势减缓,有时甚至转而增大;当分支管路流量控制阀开度差值由小变大时,两分支管路中颗粒产生沉积时的临界速度发生相反方向的变化,且平均粒径较小的颗粒临界速度相对较大.     

甘肃东乡族刑事习惯法特征变迁的实证分析——以当代国家刑事立法进程为参照

采用数值模拟的方法建立三维模型,探讨在加预应力锚索情况下软弱面的剪切特性。通过改变锚索单元的参数,讨论软弱面变形特性以及剪切强度的变化规律。研究表明：在加预应力锚索后软弱面的剪切强度有所提高,并且加预应力锚索主要影响软弱面的粘聚力,而对内摩擦角的影响不大;当锚索倾角增大时,软弱面的粘聚力先增大而后减小。预应力锚索长度增加会导致软弱面粘聚力增大,但是存在一临界锚索长,当预应力锚索长大于此临界长度后,预应力锚索长对软弱面粘聚力的影响逐渐变小。在锚索无预应力情况下,软弱面的剪切应力位移曲线主要呈现出应变软化特性,在锚索有预应力情况下,则呈现出应变强化特性。     

振动频率对消失模铸造AlSi9Mg组织及性能影响

采用自制的三维振动台,将砂箱固定于振动台上,实现共振,研究一维振动(垂直振动)时,振动频率对AlSi9Mg合金组织及性能的影响.实验结果表明:振动凝固技术对细化合金组织和提高力学性能有很大帮助.一维垂直振动,振幅为0.11 mm,随着振动频率的增大,晶粒尺寸先减小后增大,当振动频率为36 Hz时,金相组织均匀细小,趋向于球状或蔷薇状,晶粒尺寸为80μm.振动频率对抗拉强度及伸长率影响较大,随着振动频率的增加,抗拉强度、布氏硬度及伸长率均先增大后减小.振动频率为36 Hz时,抗拉强度较普通铸态提高了16.5%,布氏硬度提高了23%,伸长率提高了35%.     

刚性圆柱形平压头作用下的梯度夹层界面应力场

本文主要研究均匀涂层-功能梯度材料界面层-均匀半空间三层结构模型中均匀涂层与功能梯度材料层之间界面处的无摩擦轴对称接触问题的界面应力场。文中建立三层结构的理论计算模型,利用积分变换技术将数学模型转化为奇异积分方程,得到梯度材料夹层轴对称接触问题的表面位移解,再通过数值方法,得到梯度材料夹层的界面应力场。文中分析讨论了刚性圆柱形平压头作用下的均匀涂层与梯度材料夹层界面处的应力分布情况,探讨了剪切弹性模量比值、接触半径对界面处正应力、剪切应力分布的影响。研究表明,剪切弹性模量比值对界面处应力均产生重要的影响,随着剪切弹性模量比值的递增,界面层正应力呈递减趋势,而界面层剪切应力呈递增趋势,且接触半径的不同,也会改变影响的幅度。调整剪切弹性模量,是实现抑制裂纹萌生的一种有效途径。此外,作者主要从事新型功能材料接触力学的研究工作。     

中心雾化孔压力对成膜特性的影响

研究空气喷涂过程中中心雾化孔压力变化对喷雾流场和涂层厚度分布的影响。针对计算流体动力学中欧拉-拉格朗日方法建模的不足,采用欧拉-欧拉法建立中心雾化孔压力影响模型,对喷涂过程和成膜情况进行仿真计算,对比分析不同中心雾化孔压力下的喷雾流场和涂层厚度分布情况,并利用实验进行验证。结果表明:当中心雾化孔压力逐渐增大时,喷雾流场长轴喷幅变小,短轴喷幅逐渐增大,长短轴喷幅差距逐渐缩小直至近似;喷雾图形形状由椭圆形逐渐趋于圆形,成膜面积趋于稳定;涂层中心厚度显著增大,厚度分布趋于不均匀。     

土壤中氯离子对X70钢腐蚀影响的电化学研究

利用极化曲线技术和电化学阻抗测试技术,研究了X70钢在含不同浓度氯离子土壤中的腐蚀行为.实验结果表明:氯离子对X70钢腐蚀的影响显著.随着土壤中氯离子浓度的增加,X70钢的腐蚀速率也增加.当土壤中氯离子增大到0.3%时,腐蚀速率最大,而后X70钢的腐蚀速率随着氯离子浓度的增大而减小.     

单纤维段试验中载荷传递机理的微观力学分析

提出了一种新的、单纤维段埋入法(SFFM)试验中载荷传递机理的微观力学模型。当纤维/树脂界面所受到的剪切应力超过了界面的粘结剪切强度后,界面将发生脱粘,并且脱粘裂纹将沿着界面扩展。以Weibull模型来模拟纤维轴向拉伸强度的统计分布。讨论了纤维轴向拉伸强度以及界面粘结剪切强度对复合材料各组分内部应力分布的影响。认为在给定复合材料各相的弹性常数和几何参数后,根据不同的纤维轴向拉伸强度以及界面性能(包括界面粘结剪切强度、界面的摩擦系数和基体的径向压力),可以将单纤维段试验中纤维/树脂界面的状态清楚地分为三类:1)完全粘结界面;2)部分粘结界面;3)完全摩擦界面。给出了单纤维段试验过程中界面处于上述三种状态下时,所必须满足的一些条件。最后,还给出了极限纤维段长度的一个合理的定义,并说明该长度是由粘结纤维长度和脱粘纤维段长度所构成。     

淹没状态下超高压磨料水射流切割实验研究

利用水射流切割实验系统,在80～240 MPa压力范围内对完全淹没状态下磨料水射流切割岩石的性能进行了实验研究.通过实验及数据分析,得出了磨料粒径和质量流量、射流压力、靶距、切割横移速度等参数对射流切割性能的影响规律.结果表明,在实验给出的工况条件下,磨料流量存在最佳值,在一定范围内切割深度随磨料流量增加而增加,当磨料流量达到一定值后,切割深度随流量增加反而下降;切割深度与射流压力基本呈线性增长关系;随着靶距的增大,切割深度逐渐减小;切割深度随切割速度的增加呈指数衰减趋势.     

型壳表面铺覆纤维的分布及分散性表征

采用图像分析法,研究了气流铺覆到型壳表面聚丙烯纤维的分散性和分布特征.结果表明:纤维加入量分别为0.2%、0.4%和0.6%时,纤维分散系数均接近于1,其中纤维加入0.6%时的分散系数最高为0.913;纤维在X轴和Y轴方向的取向系数均处于0.60～0.68之间,取向角度接近45°.这表明纤维分散性较好,在二维平面上取向均匀,方向乱向分布.     

冲击碾压作用下路基填土动应力分布有限元模拟

冲击碾压技术是20世纪80年代新型浅层地基处理方法,已在公路工程、机场工程等行业中得到广泛应用.通过冲击轮与土体的相互作用过程的有限元模拟,研究了冲击碾压过程中冲击作用产生的土中动应力分布及衰减变化规律.结果表明:(1)土中动应力沿土层深度方向的分布范围在3.0 m左右,冲击作用中心位置的动应力沿深度呈负幂函数形式衰减;(2)在平行冲击轮运动方向上,动应力的分布范围在2 m左右,而沿垂直冲击轮运动方向上的动应力分布范围在1.0 m左右.     

灰岩三轴循环力学特性及能量演化特征试验研究

岩石的三轴力学特性及变形破坏特征对于指导地下工程稳定具有重要的意义。针对徐州地铁地层中灰岩开展了常规三轴和三轴循环加卸载试验,基于围压变化,分析其应力应变曲线、强度特征、破坏模式和能量演化特征,确定了灰岩力学特性及能量演化特征。具体结论如下,围压的升高会造成灰岩的弹性模量、变形模量、峰值强度和损伤阈值均逐渐增大,破坏模式由拉伸破坏转变为剪切破坏;三轴循环加卸载下灰岩的材料属性劣化程度要低于常规三轴,裂纹的贯通网络要比常规三轴的更为复杂;循环加卸载过程中能量演化呈现不同趋势,可依据单个循环内弹性能快速降低和耗散能快速升高作为岩石破坏的前兆信息。研究结果可为徐州地铁隧道和硐室的开挖及支护提供一定的指导。     

基于FGM copula下应力强度模型可靠性的极大似然估计

针对应力强度模型可靠性估计问题,对变量间具有相关性的情况进行了研究.假设应力强度分别服从不同失效率的指数分布,选用FGM copula度量变量间的相依关系,构造联合分布,计算未知参数和可靠度的极大似然估计(MLEs)和近似置信区间(ACIs).通过Monte Carlo模拟方法,获得不同样本量下估计值的具体数值结果.通过比较各估计的相对偏差,均方误差和95%置信区间覆盖率来评价估计效果.结果表明估计效果良好.随着样本量的增加,均方误差逐渐减小,说明提出方法可以应用到相依应力强度可靠性模型中.     

高速胶乳分离机转鼓体结构优化

针对高速胶乳离心机转鼓体受载大,应力分布不均,局部应力值大等问题,运用多目标优化设计方法,改善其结 构及应力分布。建立转鼓有限元计算模型,分析转鼓的受力和约束条件,得到转鼓体的应力和应变云图;以转鼓体外径 R1、高度H1、筒体壁厚D1和底面厚度D2作为目标参数,进行结构优化。优化结果：R1,H1和D1分别减少了4.180, 3. 640,2.353 mm,D2增加了1.518 mm;最大等效应力减小了21.09 MPa,下降率为4.29%,最大局部应力减小;总质量减 小了1. 042 kg,下降率为5.85%;最大变形量相对减小0.001 35 mm,下降率为0.65%,基本达到了优化目标。研究结果 及分析方法对碟式分离机结构优化具有参考价值和借鉴意义。