矿用可远观变色压力监测装置研究

根据现有的煤矿综采方式,提出一种单体立柱和支架压力监测新方法,通过显示6种不同颜色来指示6个压力阶段。在试验测定显示材料应力-变色特性基础上,利用ANSYS有限元分析软件和LS-DYNA模块分别对监测传感器进行了灵敏度和60 MPa冲击载荷下的特性分析,结果表明设计满足要求,冲击载荷下响应速度快;最后分析得到观测角度范围为0~100°。     

光学法锚杆轴力监测装置的研究

针对矿用锚杆的轴力监测问题提出一种光学监测方法。利用光学膜应力与应变之间的线性关系,在光源垂直照射下光学膜厚度的变化会引起干涉图案颜色的变化,并由此判断锚杆的安全状态。经ANSYS有限元分析和MATLAB仿真分析可知,监测装置承受载荷从0变化到126k N时光学膜先后出现了三种颜色,在对光学膜的宽度、干涉条纹的可见度及光学膜材料的选择进行分析后,证明该监测装置具有一定的可行性。     

基于周期对称模型的MW级风电机组变桨轴承连接螺栓强度计算

针对MW级风机变桨轴承连接螺栓的强度分析问题,采用周期性建模的方式建立了螺栓的有限元分析模型,并基于GL规范计算了螺栓的极限强度及疲劳强度。首先在最大预紧力工况下基于最大极限载荷计算得到了螺栓的最小极限安全系数。然后通过比较3个叶片的极限疲劳载荷得到了最大的极限疲劳载荷,在最小预紧力工况下基于该载荷得到了螺栓的载荷-应力非线性曲线,构建了新的载荷谱并根据载荷-应力曲线将该载荷谱转化为应力谱,利用雨流统计和Palmgren-Miner准则得到了螺栓的最小疲劳安全系数。计算结果表明,变桨轴承与轮毂连接螺栓和变桨轴承与叶片连接螺栓的极限、疲劳强度满足设计要求;该方法减少了有限元的计算量,为螺栓的强度分析提供了新的思路。     

基于紧密度要求的非金属垫片应力场数值模拟

针对密封垫片的实际工作情况,将螺栓-法兰-垫片连接系统看成一个整体进行分析研究,并考虑系统中各元件之间的相互作用。以ASME B16.5标准中的NPS4 Class150法兰为例,建立螺栓-法兰-垫片连接系统的参数化三维有限元模型,模拟垫片材料的非线性行为。采用预紧单元模拟螺栓的预紧作用,研究了在不同预紧力和内压载荷的作用下,垫片应力的变化规律。研究结果表明:垫片应力的大小随着螺栓预紧力的增加而增大;随着内压载荷的升高,垫片的应力沿径向和周向分布更加不均匀。研究结果为螺栓-法兰-垫片连接系统的密封性能分析以及有限元法在该领域的应用提供了依据。     

考虑螺纹柔性的螺栓连接临界松动载荷计算方法

螺栓连接松动是螺栓失效的一种重要形式。工程中,螺栓连接节点常常会受到交替变化的横向动态载荷作用,由于螺栓轴线与受力方向垂直,螺栓容易因预紧力降低而发生松动,从而改变螺栓连接节点乃至整个结构的固有力学特性。为研究横向载荷作用下螺栓连接的临界松动载荷,通过建立螺栓连接的力学模型对螺纹的受力情况进行分析,并在此基础上考虑螺纹柔性提出一种螺栓连接临界松动载荷的计算方法。设计并加工了螺栓连接横向振动试验装置,对螺栓连接的临界松动载荷进行了试验研究,通过对比理论计算结果和试验结果,验证了计算方法的准确性。基于提出的理论计算方法,给出了横向载荷作用下螺纹应力的分布规律,对比了刚性螺纹模型和柔性螺纹模型的应力分布特点,结果发现柔性螺纹模型可以很好地反映螺纹应力的整体变化情况。     

切向加载下螺栓连接复合板的失效分析*

极限载荷和孔周应力是导致螺栓连接复合板失效的主要因素。基于Hashin失效准则和有限元模型建立螺栓连接复合板的渐进损伤有限元模型,通过位移载荷响应讨论预紧力、界面摩擦因数和孔隙变化对极限载荷的影响,分析不同铺层角下孔周应力分布规律。结果表明：随预紧力增大,螺栓连接复合板极限载荷先增大后减小,随摩擦因数增大,螺栓连接复合板极限载荷逐渐增大;不同孔隙下准线性阶段位移载荷响应基本一致,孔隙对极限载荷的影响主要体现在滑移阶段及剪切变形阶段;孔隙增大会减小螺栓与螺孔间的有效接触面积,影响螺栓连接的压力分布和强度;纤维铺层方向与应力分量同向时可有效减少外载荷导致的该方向应力分量的变化,且主应力分量皆在承压区域达到其最小值;应力分量方向与纤维铺层方向相同且该方向无外载荷作用时,应力分量随着角度从承压区到非承压区递增变化。     

多轴非比例载荷谱条件下高强度螺栓疲劳强度分析

以风机主齿轮箱的箱体连接螺栓疲劳强度分析为研究背景,提出一种在多轴非比例载荷谱作用下高强度螺栓连接疲劳强度的分析方法。该方法基于多轴疲劳理论,将外部多轴非比例的风力载荷谱通过连接箱体模型有限元应力计算及雨流计数处理,转化为螺栓各对应载荷方向上的应力雨流谱,然后在螺栓各计算点处进行各载荷方向上的应力合成,按照德国VDI2230标准的计算方法,结合螺栓材料的应力寿命(S-N)曲线,计算得到螺栓各计算点的疲劳损伤率,最后依据线性损伤累计理论,得出连接螺栓的疲劳安全系数。依据本文中的分析方法编制螺栓疲劳强度计算程序,再以某一型号风机齿轮箱的扭力臂与齿圈连接螺栓为例,计算得到该螺栓在风机20年工作寿命内的疲劳安全系数为1. 819。提出的方法为今后计算复杂载荷工况下的螺栓疲劳强度提供了一个新方向。     

基于加速度信号的悬置螺栓疲劳寿命研究

零件在实验工况下所受应力数据对预测其疲劳寿命至关重要。针对发动机悬置螺栓等无法通过应变片传感器直接得到载荷数据的部位,提出一种基于加速度信号的悬置螺栓疲劳寿命估计方法。通过宏观断口及力学模型分析,明确了在不同工况下造成悬置螺栓疲劳失效的主要矢量载荷与加速度载荷的转换关系。结合悬置螺栓S-N曲线,计算出不同工况下由加速度引起的弯矩和拉压波动载荷的时间历程,并进行了发动机悬置螺栓的疲劳损伤计算,从而形成了一种复杂载荷下的发动机悬置螺栓疲劳寿命分析方法。最后基于悬置螺栓在两种道路的应力载荷谱所分别对应的疲劳寿命,建立起了针对悬置螺栓的道路间的当量关系。     

加载方式对垫片应力的影响及其泄漏率预测

垫片是螺栓法兰连接系统中的关键密封元件，在实验室对其进行泄漏率测量时，多采用刚性法兰通过试验机进行均匀加载，而忽略了生产实际中螺栓加载方式对泄漏率的影响。采用数值模拟方法研究实际操作常用的交叉加载、顺次加载和ASME PCC-1-2013标准中传统星形加载方式对垫片应力的影响，并将这3种加载方式与均匀加载方式进行比较。结果表明：3种加载方式都存在着螺栓预紧载荷不均匀的情况，但相比之下传统星形加载方式的预紧效果最佳，最接近均匀加载时的预紧效果；在相同载荷下，不同加载方式所得垫片上的应力不同。考虑垫片应力分布的不均匀性，对现有泄漏率预测公式进行了修正，并通过试验对修正后的公式进行验证。结果表明：修正后的公式所预测的泄漏率与试验结果更为接近。研究工作对提高螺栓法兰连接系统泄漏率预测的准确性具有重要意义。     

四代核电高温螺栓松弛设计方法

针对四代核电螺栓高温、重载、长期的设计需求,提出一种基于Norton-Bailey本构的四代核电高温螺栓松弛设计方法 (N-BBD)。该方法基于Norton-Bailey蠕变本构,推导螺栓的应力松弛模型,并以两端取对数法对Norton-Bailey本构参数进行识别,从而建立起螺栓应力松弛模型。以某螺栓设计方案为例,对不同预紧载荷的影响进行分析。结果表明,基于Norton-Bailey本构的松弛模型可有效预测高温、应力等长期作用下螺栓的剩余应力,施加不同初始预紧载荷,经过长时间使用剩余应力值相同,其松弛极限应力与初应力无关。