HT-7U真空室支撑结构的数值模拟与实验研究

结合HT-7U超导托卡马克装置真空室的实际运行工况，首先提出一种低刚度柔性支撑结构，这种结构不仅有足够的强度，抵抗由于等离子体突然破裂产生的巨大电磁力，而且还有一定的弹性，吸收真空室在250℃壁处理烘烤时所产生的热变形。然后运用有限元分析方法对该结构的力学性能进行数值模拟分析，获得HT-7U真空室支撑结构的应力云图，最大应力为97MPa，小于结构基体材料316L不锈钢的许用应力。同时还专门设计一套真空室支撑结构力学实验测试平台，利用光弹贴片法和电阻应变计测量法，对该结构进行全面的力学性能测试，不仅验证有限元分析结果的可信件，而且还寸步证实HT-7U真空室支撑结构设计的合理性和安全性。     

基于有限元的挠性光电互联印制板内光纤热应力分析

针对玻璃光纤埋入挠性光电印制板光纤的热应力问题。建立了挠性光电印制板三维有限元分析模型,在SnAgCu无铅焊料回流焊接工艺条件下,采用有限元热力学分析方法,利用Comsol软件分别对挠性光电印制板内部光纤埋入矩形、U型、梯形三种槽型结构时光纤的热应力值进行了研究。分析结果表明,光纤最大热应力出现在光纤两端区域;埋入无涂覆层玻璃光纤时,采用U型槽埋入光纤,光纤所受最大热应力值是116. 8 MPa,为三种结构中的最小;埋入涂覆层玻璃光纤时,采用矩形槽埋入光纤,光纤所受最大热应力值最小为100. 99 MPa;三种槽型结构内光纤端面在X、Y、Z三个方向的最大位置偏移量均小于1μm。研究结论对设计挠性光电印制板光纤埋入结构具有一定的参考价值和指导意义。     

Cartwheel型双轴柔性铰链设计

针对精密光学仪器对光学元件柔性支撑的需求,提出了由带圆角的短直梁复合组成的Cartwheel型双轴柔性铰链,并利用无量纲设计图研究了设计方法.首先,基于对Cartwheel双轴柔性铰链的参数化有限元分析进行多项式拟合,建立了其刚度、应力等力学指标的无量纲设计图.针对光学仪器的工程需要,利用该无量纲设计图进行了实例设计,并利用有限元分析对其进行了实验验证.搭建了光学测试平台,对设计实例的转动刚度进行了测量.结果显示:有限元分析结果、实验测量数据与设计结果符合得较好,最大相对误差为10.1％.使用无量纲设计图方法作为设计工具,设计者可根据对带圆角短直梁复合组成的Cartwheel型双轴柔性铰链的刚度、转角行程、最大应力与结构重量等要求,确定其几何尺寸,从而方便、快速、准确地满足设计要求.     

基于ABAQUS的开卷机外支撑结构优化

某型开卷机外支撑底板附近在生产实际中存在压溃现象。为解决该问题,用有限元软件ABAQUS对其进行静态结构分析,发现底板与侧板连接处存在应力集中,前隔板和侧板大部分材料Mises应力小于40 MPa。在此基础上,提出了改善应力集中的结构优化方案,及去除前隔板和在侧板上开孔的减重优化方案,最后采用试验设计法优选孔尺寸参数组合。优化后开卷机外支撑的最大Mises应力刚好达到许用应力,且质量减轻15%。     

基于随机振动仿真分析的阵列天线结构改进

某型阵列天线属于机载设备,在做完随机振动试验后,第2个天线单元的一个辐射板被振裂.为了快速找到断裂原因,改进天线结构,利用有限元仿真软件ANSYS Workbench进行随机振动仿真分析.分析结果表明:原天线单元辐射板根部圆角太小,产生较大应力集中,最大3σ应力为102.74 MPa,超过材料疲劳极限应力87 MPa;改进后的天线结构,最大3σ应力降低24.2％,其数值为77.85 MPa,小于疲劳极限应力,满足设计要求.最终,改进后的天线结构顺利通过振动试验,有效验证了仿真分析与结构改进的合理性.     

柔性变形机翼设计及其结构力学性能分析

为提高小型无人机飞行效率,提出一种柔性变形机翼设计方法。基于机翼弦向弯度调节原理,采用柔性肋结构设计了面向小型(10Kg)无人机(UAV)的柔性变形机翼;采用计算流体动力学方法,分析了柔性变形机翼的升力系数变化和升阻比等空气动力学特性;采用有限元结构静力学方法,分析了柔性变形机翼的柔性肋结构在气动载荷下的应力变化,在风载下所受最大应力为5.3MPa,小于柔性肋的屈服强度11.65MPa。柔性肋组件设计可承受空气载荷,验证了柔性变形机翼的有效性和结构完整性。研究结果表明:设计的柔性变形机翼可以有效改善实际飞行中的气动特性,机翼最大升阻比可从60提高到110,在提升小型变体无人机飞行效率方面具有应用前景。     

基于ANSYS Workbench的包装机导向零件失效研究

研究在长期导向作业下导向零件的断裂失效。根据导向零件的工作原理和结构特点,建立三维数字化模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对导向零件进行静力分析,在静力分析基础之上进一步研对导向零件进行疲劳分析,将理论分析结果与实际断裂失效进行对比分析。静力分析结果显示导向零件的最大应力为223.73 MPa,导向槽底面的应力分布为24.56～174.01 MPa;疲劳分析结果显示其最大应力提高了25%,导向槽底面的应力分布提高了25%～26.55%。反复作用的交变应力是导致断裂失效的主要原因,导向槽底面为导向零件的危险截面,危险截面与实际发生断裂失效的曲线具有一致性。     

卡瓦式套管头可靠性分析

卡瓦悬挂系统是套管头的核心,卡瓦能否安全可靠地悬挂套管是其关键。对卡瓦悬挂套管进行了力学分析,并采用有限元法进行了模拟,结果表明,当壳体内部受液态压力时,应力随厚度的减小而不断增大,最大应力为220MPa;卡瓦的最大应力在齿的根部,为366MPa,悬挂体主要承受卡瓦的挤压载荷,其最大载荷为200MPa。经过校核,壳体、卡瓦和悬挂均符合设计要求,同时也指出了危险应力位置,以期为后续套管头的设计提供理论依据。     

航空发动机U形金属密封环的设计与优化

针对某型发动机高压转子连接结构的密封问题,设计一种U形金属密封环,分析研究密封环的密封和强度性能,探究结构参数(包括根部倒圆、壁厚、环高、接触面曲率半径、密封环接触面角度、密封环配合件角度)对密封环最大等效应力、最大接触应力的影响,基于ANSYS Workbench优化设计模块,采用代理模型结合遗传算法的优化技术对密封环结构进行优化。结果表明:安装压缩率范围为3.56%～6.33%时,可保证安装和工作2种工况下密封和强度的要求;最大等效应力与壁厚成正比关系,而与根部倒圆和环高成反比关系;接触面曲率半径对最大等效应力影响较小,但最大接触应力随着接触面曲率半径的增加而增加;选择合适的角度范围时,密封环接触面角度和密封环配合件角度对最大等效应力、最大接触应力影响均较小。密封环结构优化后,最大等效应力在安装和工作2种工况下分别减小了34.3%和30.4%,同时密封环质量减少了6.1%。对设计的U形金属密封环随整机进行了试验,结果表明U形金属密封环密封性能良好,验证了设计的合理性。     

快速控制反射镜两轴柔性支撑平台刚度优化设计

基于椭圆弧柔性铰链兼顾了直梁型柔性铰链运动范围大和圆弧型柔性铰链运动精度高的特点,设计了基于椭圆弧柔性铰链的二维快速控制反射镜系统两轴柔性支撑平台。为使柔性支撑平台快速响应性好,即使其低阶固有频率最大化,对该柔性支撑平台进行了结构优化设计。理论推导了单个柔性铰链最大刚度与许用应力、转角和铰链参数的理论计算公式。然后,采用集总参数的分析方法,得出了两轴柔性支撑平台低阶最大固有频率的理论计算公式。由公式可知:在转动惯量一定的情况下,低阶固有频率最大化即为工作方向刚度最大化。最后,通过有限元仿真和实验检测验证了理论计算的准确性,得到的结果显示:柔性支撑平台的最大固有频率和最大应力的理论值与仿真值的相对误差小于5%,平台工作刚度的理论值与仿真值、实测值的相对误差分别为3.86%和5.75%。仿真和实验结果表明:利用本文推导的理论公式进行柔性支撑平台刚度优化设计,既可以满足工程设计要求,又能省去繁杂的有限元计算。     

Mechanical behaviour of shape memory alloys for seismic applications 2. Austenite NiTi wires subjected to tension

The results of cyclic tensile tests on superelastic NiTi shape memory alloy (SMA) wires are presented and discussed. The tests were carried out within a large experimental test programme for the MANSIDE Project, with the scope of verifying the suitability of SMA superelastic wires as kernel components for seismic protection devices.The mechanical behaviour is described by means of four fundamental quantities, namely: secant stiffness, energy loss per cycle, equivalent damping and residual strain. The sensitivity to temperature and strain rate, as well as the influence of strain amplitude and the effects due to repeated cyclic deformation, are analysed in detail.The experimental results show that the characteristics of the superelastic wires are well suited for seismic applications, as both the recentring and the energy dissipating features of the devices can be easily obtained. Moreover, the influence of the investigated parameters, within their usual range of variation in seismic protection devices, is compatible with the use of superelastic wires for practical applications.     

镍钛形状记忆合金冲蚀磨损研究进展

介绍了材料的冲蚀磨损理论,主要包括微切削理论、薄片剥落磨损理论、变形磨损理论和二次冲蚀理论,分析了冲蚀磨损的影响因素。在综述N iTi合金冲蚀性能研究现状的基础上,对N iTi合金的冲蚀机制进行了分析,认为超弹性及超塑性(形状记忆效应)起到了决定性的作用,除此之外,加工硬化性能、耐疲劳性、马氏体变体的择优取向及自适应性对N iTi合金的冲蚀性能也起到了很大作用。总结了N iTi合金作为耐冲蚀材料在实际应用中存在的问题,为N iTi合金冲蚀性能的研究方向提出了建议。     

循环加载下热处理对NiTi记忆合金丝超弹性变形行为和寿命的影响

通过循环加载试验,研究了不同热处理工艺下NiTi形状记忆合金丝超弹性的变形行为和寿命特征,得到了试样应力和寿命间的疲劳曲线。结果表明,不同的退火温度和退火时间对合金的超弹性性能具有不同程度的影响。     

自蔓延燃烧合成多孔NiTi形状记忆合金的显微组织和孔隙结构

以镍粉和钛粉为原料,采用自蔓延燃烧合成技术制备了多孔NiTi形状记忆合金,研究了压坯压力、镍含量、钛粉粒径等参数对合金孔隙尺寸、孔隙均匀性和显微组织的影响。结果表明:自蔓延燃烧合成的NiTi合金为螺旋分层结构;压坯压力在100~200 MPa范围内再经自蔓延燃烧合成的NiTi合金的孔隙均匀,且为三维连通结构,比较理想;镍质量分数为40%左右时,孔隙的分布和三维贯通性均较理想;当钛粉粒径较大时,出现了大量的液相和NiTi2、Ni3Ti等杂质相,反应很不充分,钛粉粒径在50~100μm之间为好。     

沉积不连续NiTi形状记忆合金薄膜PZT的阻尼性能

在铁电陶瓷锆钛酸铅(PZT)表面沉积不连续的NiTi形状记忆合金(SMA)薄膜,运用XRD、SEM和动态弹性模量测试仪研究了其显微组织及阻尼特性。结果表明:与PZT相比,NiTiSMA薄膜/PZT复合材料的阻尼性能下降;原因是PZT基体与NiTi SMA薄膜在晶化冷却时的收缩不一致导致在PZT基体中靠近薄膜的区域形成了组织异常区,限制了电偶极子的运动,在外界应力作用下薄膜与基体两者的应变不协调加强了异常区对电偶极子运动的限制。     

形状记忆合金线性驱动器的设计及位移特性分析

为克服传统带有偏置装置形状记忆合金驱动器结构复杂、响应速度慢的缺点,利用形状记忆合金(Shape memory alloy,SMA)的单程形状记忆效应,设计并制造一种不带偏置装置且可实现双程运动的线性驱动器,该驱动器由两根形状记忆合金丝、滑轮、部件、导轨、支座及固定螺钉组成。接着基于Brinson一维本构方程及转换方程,推导出两根SMA丝在不同条件下的应变表达式;提出将马氏体相变应力看作体力,分析温度变化与驱动器位移的关系及外载荷变化对驱动器最大位移的影响。对计算结果进行试验验证,结果表明,所设计驱动器可实现往复双程运动;随着SMA丝温度的升高所获得的位移呈非线性增大,当温度超过奥氏体转变结束温度Af,位移达到最大,而初始化过程获得的最大位移为正常运动的一半;增大载荷,驱动器的最大位移逐渐减小,当载荷达到51.0 N时,驱动器停止运动,即位移减小为零。     

形状记忆合金的研究现状

形状记忆合金是一种重要的智能材料,对其近年来的技术发展进行了综述,着重对形状记忆材料NiTi合金的研究成果及其疲劳性能测试方法和存在的问题进行了讨论,并指出了今后的发展方向。何子淑,高军成,梁益龙     

STRUCTURAL HEALTH MONITORING IN COMPOSITE MATERIALS USING EMBEDDED SHAPE MEMORY ALLOY（SMA） WIRE SENSORS

Shape memory alloy (SMA) materials possess completely superelasticity or pseudoelasticity above the austenite finish temperature and many unique mechanical, thermal, thermal-mechanical and electrical properties compared with other conventional materials. Many studies have reported that the superelastic and hysteresis properties of the SMA materials can absorb energies coming from external excitations or sudden impacts. In addition, due to the special electrical properties of NiTi superelastic wires, they can also be used as strain-sensing element to monitor structural health conditions. Composite laminated specimens embedded with SMA wire sensors are fabricated and detailed testing system is designed such as multi-parameters measuring for impact and weak signal processing for SMA sensor. Low velocity impact test shows that SMA wire sensors embedded in fiber-reinforced plastic (FRP) laminate can be well used to monitor impact responses, such as the location of impact damage, impact degree, and strain distribution. Experimental results and theoretical predictions reveal almost the same. Comparing with other method, a simple, economic and reliable technique method monitoring important engineering structures on line is provided.     

某机载雷达静压腔应力仿真与多目标优化

某机载雷达正常工作时,应力仿真结果显示其静压腔焊缝位置的最大应力为133.62 MPa,不满足强度要求,需要对其结构进行优化。综合比较构造拱形结构和局部加强这两种常见优化方案,选择在静压腔前后两面各增加一条加强筋。借助ANSYS WorkBench求解加强筋的最优宽度和厚度时,依据各位置强度要求之间的关系,建立一个直接描述优化效果的输出参数,用于定义优化模型,开展多目标优化。优化后,静压腔焊缝位置的最大应力为82.821 MPa,其余位置的最大应力为59.921 MPa,均满足强度要求。结构的不同位置通常具有不同的指标要求,文中据此建立输出参数进而求解优化模型的处理方法在此类问题中具有借鉴意义。     

The role of shape memory alloy on impact response of glass/epoxy laminates under low temperature

The paper aims to evaluate the impact response of glass/epoxy laminates with embedded shape memory alloy (SMA) subject to low velocity impact at various temperatures. For the goal, the impact tests were performed by using an instrumented impact-testing machine at three temperatures: 293K, 263K and 233K for the baseline (laminates without SMA wires) and SMA laminates (laminates with embedded SMA wires). And the resultant damages were inspected through the scanning acoustic microscope (SAM). Also, based on the impact force history and the damage configuration, the impact resistance parameters were employed to evaluate damage resistance of laminates with embedded SMA wires. As a result, it was observed that the damage resistance of glass/epoxy laminates is influenced by embedded SMA wires and embedding SMA wires into laminates does not compromise the structure any differently to laminates without wires. In fact, it has been shown that under lower temperature, the SMA laminates have a little superior damage resistance compared with the baseline laminates.