风力发电行星齿轮传动基本构件的有限元分析

以功率为3兆瓦的风力发电增速箱为例,利用PRO／E建立行星架及齿轮等基本构件的分析简化模型,利用ANSYS软件生成齿轮啮合的三维有限元接触模型,通过对模型进行网格划分、加载和求解,求得其在额定载荷作用下的弹性变形数据。结果表明：行星架在额定载荷的作用下出现应力集中现象,应力主要集中在行星架功率输入端的传动轴部分,并且传动轴部分在载荷的作用下发生了最大位移;行星齿轮传动中各基本构件经过分析计算与校核得出其受到的最大应力均小于材料的屈服极限,符合材料的强度要求。     

高压输电钢管塔柔性法兰承载性能的有限元分析

以某500 k V大跨越输电钢管塔用柔性法兰为研究对象,采用ANSYS软件建立了柔性法兰的三维有限元模型,考虑螺栓、法兰盘接触非线性,获得了轴向载荷下柔性法兰的应力和位移分布情况。通过分析载荷-位移曲线得到了法兰节点的承载力,并与试验结果进行对比,验证了有限元模型的正确性。改变柔性法兰的设计参数再进行有限元计算,得到了各设计参数对法兰节点承载力的影响规律,并据此给出了提高钢管塔柔性法兰承载力的有效措施。     

上颌中切牙在不同角度载荷下牙本质应力分布的三维有限元研究

本研究以上颌中切牙天然牙为解剖学基础建立了三维有限元模型。分别以生理载荷、垂直载荷、４５°载荷及水平载荷作用于牙体,通过计算得到了不同载荷作用下牙本质的应力分布并进行了比较。     

沥青路面二维和三维结构分析模型的比较

为量化二维与三维沥青路面有限元模型之间的差异,应用ABAQUS建立二维及三维模型,考虑单次静力荷载与动态荷载作用,研究刚性、半刚性和柔性3种典型沥青路面的位移及应力空间分布特性,结合双尾显著性检验,对比分析二维与三维建模方法对位移及应力的影响.结果表明,静力荷载作用下二维模型的位移是三维模型的15倍以上,动态荷载作用下二维模型的位移是三维模型的22倍以上;静力荷载作用下二维模型不同类型应力为三维模型的1.2~5.1倍,动态荷载作用下二维模型不同类型应力为三维模型的2.6~11.9倍.结合双尾显著性水平得到,静力荷载作用下横断面上垂直应力和切应力无显著性差异,可将三维路面结构简化为二维平面.     

正畸中牙根形态对牙根应力分布的影响

对比分析正常形态和牙根弯曲的牙齿在正畸力作用下牙根及牙周膜的应力分布,为临床上不同形态牙齿的正畸方案提供参考.选用正常形态和牙根弯曲的上颌侧切牙,考虑相同的牙槽骨,基于CT扫描分别建立三维有限元模型,施加与整体移动、倾斜移动和压入移动相对应的载荷,对两个模型在相同载荷作用下牙根和牙周膜的von Mises应力进行比较.结果表明,3种载荷工况下,两种形态牙根的应力分布规律相似,整体移动和倾斜移动的载荷作用下,应力都是自根尖向牙槽骨嵴顶处逐渐增大;压入移动的载荷作用下,在远中根尖附近都出现一个应力集中区,牙根应力的最大值就在这个区域.然而,各载荷工况下,弯曲牙根模型的牙根和牙周膜的应力值都明显高于正常形态牙根模型,特别是压入移动,很可能导致牙根吸收.牙根弯曲会导致牙根及牙周膜应力的增高,正畸治_疗中应考虑牙根形态异常对某些移动方式不利的情况,以采取相应的措施.     

基于有限元的角焊缝建模的探讨

利用有限元软件ANSYS,采用实体单元、壳单元、壳与梁单元组合等方法建立有限元模型计算箱形梁在均布载荷和集中载荷作用下的应力分布情况.通过计算结果比较分析各种建模方法的优缺点,提出针对不同的结构和载荷情况,选择合适的建模形式.     

一体化小腿假肢在不同步态时相的应力分布

在典型步态时相对一体化假肢进行应力分析,为一体化假肢的设计提供参考。采用一实验阶段的内骨架一体化小腿假肢的真实几何构型,并考虑残端软组织和骨,建立三维有限元模型,分别施加HeelStrike、FootFlat、Mid Stance、HeelOff和ToeOff5个典型步态时相的载荷,计算假肢内的应力分布,采用VonMises应力为分析指标。结果表明:一体化假肢和软组织各区域的应力在HeelOff步态时相均为最大,假腿、接受腔、交界区域的最大VonMises应力分别为30MPa、18MPa、32.1MPa,软组织表面最大正应力为703.8kPa。HeelOff为步态周期中最不利的步态时相,一体化假肢的设计应该重点考虑满足该步态时相的强度要求。     

多段式骨植入体周围骨应力分布的三维有限元分析

针对植入性下肢假肢采用传统的一段式骨植入体,长期植入下由于对植入体周围的骨产生应力屏蔽效应继而引起骨质疏松,从而导致植入体松动、脱落而失效的问题,设计了一种新型的多段式结构的植入体。基于人体CT扫描数据建立了相关股骨和骨内植入体模型,针对低、中和高位下肢截肢步行最大生理载荷情况下,采用三维有限元分析方法,对新设计周围骨应力进行了分析研究,并与传统一段式骨植入体和健康自然骨的应力分布情况进行了比较。结果表明新型植入体植入后相比于一段式应力屏蔽和集中的程度得到了有效减轻,与自然状态下骨的应力较为接近,低、中位截肢下应用较好,高位下应力集中较明显,并能保持其在体内的稳定性。     

风力发电机组叶片有限元建模及静力学探析

以1.5 MW风力发电机组复合材料叶片为研究对象,采用三维建模软件SolidWorks建立复合材料叶片三维几何模型,依据相关标准计算叶片在额定风速10.4 m/s下的外界载荷,并对复合材料叶片4个部位施加远端力和力矩模拟风力载荷,准确分析复合材料叶片在额定风速下各轴向上的应力和位移,并对其材料强度和位移与安全许用规范进行对比分析。结果表明：复合材料叶片各个轴向上的位移和应力均符合工程规范标准及设计要求。可为风力发电机组叶片设计、制造提供参考。     

基于ANSYS的埋地套管力学分析

运用ANSYS软件,建立了埋地套管的三维有限元模型。通过室内实验,分析了埋地套管管中心应力与地面施加载荷之间的关系,以及不同载荷下套管长度方向上的应力分布规律,并与有限元模拟结果进行对比,验证了模型的可靠性。最后结合油田几种套管案例建立了三维有限元模型,分析了套管达到屈服强度后的地面施加载荷的临界值,研究结果可为管道与套管的安全防护提供一定的参考。     

Influences of Tool Wear on Residual Stress and Fatigue Life of Workpiece in Hard Cutting Process

硬态车削过程刀具磨损对残余应力和工件寿命的影响

岳彩旭,朱磊,冯磊,刘俊,郝胜宇,任广旭

（1. 哈尔滨工程大学 机电工程学院, 哈尔滨 150001;

2. 哈尔滨理工大学 机械与动力工程学院,哈尔滨 150080）

创新点说明：

本文主要研究淬硬钢Cr12MoV车削加工刀具磨损对加工表面残余应力和疲劳寿命的影响,研究结果为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

研究目的：

疲劳在金属零部件所有的失效形式中占有很大比例。特别是轴类零件,由于这类零件大多承受着不同的外载荷甚至多种载荷的交加,这种实际工况下的部件的意外事故多数是由于疲劳失效。由于疲劳失效给国家财产以及人身安全造成了巨大的隐患,因此有效的精确的预测与延长疲劳寿命成为制造工作者的一种使命。

残余应力是影响零部件疲劳性能最关键的因素之一,同时也是作为加工参数与表面性能中连接的桥梁。在传统的研究工作中达成的共识是残余压应力在延迟疲劳裂纹扩展与延长疲劳寿命中起着积极作用,但是没有整体的考虑残余应力的波动性与压应力分布模式在加工参数与疲劳性能中扮演的角色。

故本文主要研究硬态车削过程刀具磨损对残余应力和工件寿命的影响,研究结果为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

研究方法：

（1）采用不同磨损量的PCBN刀具,对淬硬模具钢Cr12MoV硬态车削过程展开实验研究。通过对残余应力离散度进行分析,拟合不同刀具磨损下的离散度指标与分布曲线,进而分析了刀具磨损对已加工表面残余应力分布的影响机制。

（2）结合疲劳力学与数理统计理论建立了应力离散度-疲劳寿命差异的数学模型,对切削后的标准试件进行了旋转弯曲实验研究,通过工件断口形貌和疲劳寿命的研究揭示了刀具磨损这一关键切削条件对工件疲劳寿命的影响。

（3）主要设备或仪器：大连机床厂生产的型号为CK6150的机床、株钻石公司牌号为MVJNR2020K16的PCBN刀具、加拿大PROTO公司的iXRD型X射线衍射应力测试系统和螺旋测微仪。

结果：

（1）残余应力离散度随着刀具磨损的增加而增大;同理,当刀具磨损在一定限度内,残余应力也随着刀具磨损的增加而增大,刀具磨损的增加会引起已加工表面压应力面积的增大和压应力层深度的增加;

（2）提出并建立了应力离散度-疲劳寿命差异数学模型,分析出残余应力引起应力幅值的波动与疲劳呈线性关系,通过疲劳弯曲试验验证了该模型的科学性和准确性。

（3）通过旋转弯曲疲劳断口裂纹特征分析,得到本文试件断口裂纹源区为半圆形,扩展区域类似沙滩粒;并且随着残余压应力面积增大,裂纹扩展距离增大,疲劳寿命越长。

（4）旋转弯曲疲劳实验结果表明刀具磨损量越大,疲劳寿命越长;反之,试件寿命越短。

结论：

（1）当刀具磨损在一定限度内,残余应力离散度和残余应力都随着刀具磨损的增加而增大,并且两者机理相同,主要是因为刀具磨损的增加会引起已加工表面压应力面积的增大和压应力层深度的增加;

（2）旋转弯曲疲劳试件断口的裂纹源区为半圆形,裂纹源区呈现的特点是较为光亮与平滑,这是由于其最先断裂扩展速度较为迟缓。随着旋转弯曲疲劳实验的进行,试件裂纹由裂纹源不断扩展,进而形成扩展速率较慢的裂纹扩展区,这里与裂纹扩展方向垂直的弧形线为该区域的重要标志,因为可以从其形状的变化来观察线端处所受应力的大小和组织形态。

（3）在刀具磨损在合理的范围内,当刀具磨损量增加时,使表面残余压应力面积越大,进而使得疲劳寿命越长;反之,试件寿命越短。为实际工况下工件已加工表面应力状态的控制和疲劳性能的控制提供了理论支持。

关键词：硬态车削,刀具磨损,表面残余应力,残余应力离散度,疲劳寿命

     

软岩巷道锚注支护结构蠕变分析

对锚注前软岩巷道围岩应力状态进行弹塑性分析,计算出锚注前围岩残余强度区半径;在此残余强度区内进行注浆,并将注浆区再细化为弹性区和塑性区,引入岩石蠕变的鲍尔丁-汤姆逊模型,建立了软岩巷道锚注支护结构的蠕变分析模型,采用塑性区岩体体积不变的假设,对锚注支护结构进行了黏弹性分析和黏塑性分析,推导出软岩巷道锚注支护结构应力及位移的蠕变公式.理论分析与相似模拟结果表明:软岩巷道锚注支护结构弹性区应力与时间无关,塑性区应力随时间而变化;弹性区、塑性区位移随时间的推移而不断增大,最后趋于一定值,且塑性区位移与半径成反比关系.     

Nonlinear Elastic Constitutive Model of Soil-Structure Interfaces Under Relatively High Normal Stress

The shear characteristics of soil-structure interfaces with different roughness are studied systematically by using the DRS-1 high normal stress and residual shear apparatus. The experimental results indicate that, under a relatively high normal stress, normal stress and the coefficient of structural roughness are the most important factors affecting the mechanical interface characteristics. The relationship between shear stress and shear displacement of the soil-structure interface is a hyperbolic curve with high regression accuracy. Based on our experimental results, a nonlinear elastic constitutive model of the soil-structure interface under relatively high normal stress is established with a definite physical meaning for its parameters. The model can predict the strain hardening behavior of the soil during the shearing process. The results show an encouraging agreement with experimental data from direct shear tests.     

采空区剩余变形对运煤隧道稳定性数值模拟

运煤隧道经过采空区受到剩余变形而产生附加应力的影响,而附加应力的大小又与剩余变形的量值有关.通过理论分析与计算,得出了采空区产生的剩余变形量,并把剩余变形量按边界条件加载到三维数值模型上,按照隧道稳定验算的弹性梁理论,计算隧道的稳定性;得出了在剩余变形作用下,运煤隧道经过采空区稳定的结论.     

负载下钢结构工字形压弯构件焊接加固试验

为研究钢结构压弯构件在负载下焊接加固过程的热影响以及不同初始负载对焊接加固后受力特性的影响,进行了压弯钢柱的静力试验.被加固钢柱均为工字形双轴对称截面,置于顶端面内自由面外平动约束、底端固接的边界条件下,柱顶固定面内偏心距按四档不同初始负载分别进行.采用翼缘外对称贴焊钢板加固方案,材料类型均为Q345B级普通碳素钢.研究了负载下焊接加固过程构件的位移变化、腹板焊接应力应变重分布、加固后失稳破坏模式及稳定承载力.结果表明:加固焊接次序决定了焊接残余变形及焊接应变重分布的发展机理;初始负载影响焊接残余变形大小;而焊接热输入和初始负载大小共同影响荷载-位移曲线的焊接平台段宽.较小的初始负载几乎不影响承载力,而较大的初始负载明显对承载力不利.此外,初始几何缺陷也影响加固后承载力.     

桩承式加筋路堤中土工格栅加筋效应的室内试验研究

基于室内模型槽试验,开展了考虑土工格栅的桩承式路堤变形和填土应力分布规律研究,重点研究了土工格栅抗拉强度和土工格栅层数对软土竖向位移、填土竖向应力分布和桩土应力比的影响。研究结果表明:软土竖向位移随土工格栅抗拉强度和土工格栅层数增加而减小;不同层数土工格栅作用下填土竖向应力随路堤高度的分布规律差异较大。综合考虑桩承式路堤软土变形和填土荷载向桩顶转移程度,了解研究工况下土工格栅的作用效果,可为现场路堤工程中如何选用合适土工格栅抗拉强度和层数提供依据。     

焊接加固热作用对工形截面压弯钢构件承载性能的影响

为研究焊接加固热作用及不同初始负载对工字形压弯钢柱承载性能的影响,基于考虑热影响的热结构耦合分析方法进行了热源模型热输入改进,并考虑初始几何缺陷、初始残余应力及摩擦等,完成了不同负载下焊接加固的3个工字形压弯钢柱的模拟分析。研究了焊接位移时程、腹板应力应变重分布及荷载位移关系,通过有限元分析与相应试验结果对比验证,进而获得了试验无法获得的焊接温度场、翼缘与加固板间的焊接应力应变重分布以及翼缘边缘屈服承载力等结果,并将承载力结果与规范计算结果对比,考察了现有设计方法。结果表明,焊接顺序决定焊接变形的发展过程,焊接热输入和初始负载共同决定持载焊接的位移变化范围和焊接残余变形的大小;初始负载越大,应力应变重分布往偏心受力方向发展更多,承载力越低,而初始残余应力不影响极限承载力;采用考虑热影响的有限元方法具有一定可行性和总体安全性,规范设计方法仍有可提升空间。     

车削加工残余应力分布规律的实验研究

为了解决X射线车削剥层法残余应力测试中剥层方案的选择和抛光深度的确定的问题,应用单因素实验法研究了φ120低碳钢圆筒在不同车削条件下的残余应力分布状态,分析了进给量、车削速度和车削深度3个参量的变化对车削加工残余应力分布的影响规律.结果表明:车削参量对残余应力的分布影响很大,随车削深度的增加,残余应力影响层深度明显增加,当车削深度为0.25、0.75mm时,应力影响层深度分别为0.2、0.8mm;进给量和车削速度对表面残余应力影响较大,随进给量和车削速度的增大.表面残余拉应力增大.     

Determination of residual stress distribution combining slot milling method and finite element approach

Residual stress plays a vital role in the structural strength and stability. The determination of residual stress at single-point has become mature at present. However, the method to determine residual stress distribution is still in shortage. For this problem, a finite element approach combined with slot milling method was developed in this study. In the method, firstly a slot is milled on the specimen surface to release the residual stress and then the released displacement field is measured by optical method, such as digital image correlation (DIC), finally the finite element approach is used to determine the residual stress distribution along the slot. In order to verify the feasibility of the method, it was applied to study the residual stress introduced by shot peening, mainly about the stress distribution along the direction vertical to the shot peened surface. Since the influence depth of shot peening was too small, we utilized focused ion beam (FIB) to determine the microscale residual stress distribution. The result measured by X-ray diffraction (XRD) demonstrated that the method was feasible to determine the residual stress distribution.     

Influences of strain softening and seepage on elastic and plastic solutions of circular openings in nonlinear rock masses

Considering the influence of strain softening, the solutions of stress, displacement, plastic softening region radius and plastic residual region radius were derived for circular openings in nonlinear rock masses subjected to seepage. The radial stress distribution curve, ground reaction curve, and relation curve between plastic softening region radius and supporting force in three different conditions were drawn respectively. From the comparisons among these results for different conditions, it is found that when the supporting force is the same, the displacement of tunnel wall considering both seepage and strain softening is 85.71% greater than that only considering seepage. The increase values of radial displacement at 0.95 m and plastic softening region radius at 6.6 m show that the seepage and strain softening have the most unfavorable effects on circular opening stability in strain softening rock masses.