螺栓法兰连接系统的热应力场

利用有限元软件ABAQUS建立了螺栓法兰连接系统的实体模型,采用热结构耦合分析方法,研究了法兰公称直径为100 mm的螺栓法兰系统的温度场及其应力场,以及在预紧力和温度梯度操作条件下螺栓等效应力、轴向应力、径向应力和切向应力的变化关系.结果表明,温度场对螺栓轴向两端的应力影响较大,当内壁温度为100 ℃时螺栓头靠近法兰一侧的等效应力增加了250 MPa,螺栓上靠近法兰一侧的螺纹的等效应力增加100 MPa,而温度场对螺栓远离法兰一侧的螺纹的应力影响很小,说明设计时应重点考虑热应力对靠近法兰一侧的螺纹与螺栓头的影响.     

采用BNi-2钎料真空钎焊0Cr18Ni9不锈钢管材

针对实际应用中常需要获得异型接头这一目的,采用BNi82CrSiB(BNi-2)钎料钎焊套接0Cr18Ni9不锈钢管材,研究了冷却方式、钎焊温度、保温时间和装配间隙对接头组织结构和力学性能的影响.结果表明:管材套接的特殊结构,填缝间隙对接头影响较大,当间隙过小为5~10μm时,易出现填缝不足导致无法形成完整接头,接头强度下降;但间隙过大为250~300μm,钎缝中形成大量脆性相并产生微裂纹;冷却方式对组织影响较小,但15℃/min的冷却速度所得接头强度较低;钎焊温度升高或保温时间延长,最大间隙值增大,母材出现溶蚀,性能影响较小.钎焊温度为1 050℃,保温时间为10 min,装配间隙为20~50μm,随炉冷却所得钎焊接头显微组织结构中未出现共晶组织和金属间化合物,接头性能最高.     

间歇与持续加热下含承台能量桩基础现场试验

能量桩基础兼具承担上部荷载和浅层地温能利用的双重功能,基础埋深条件和运行模式对能量桩的换热性能及热力响应均有一定影响.依托中国三峡大学水科学与工程楼桩基础工程,针对3.0 m埋深条件下含承台能量桩基础,开展时长各16 d的两组现场对比试验,每日对应的运行模式分别为16 h加热-8 h自冷的间歇循环加热(IH-16)和持续24 h加热(CH-24),实测能量桩及承台的温度、热致应变等的变化.结果表明,该试验条件下,CH-24和IH-16试验加热稳定阶段的换热效率值分别约为5.32 kW和5.38 kW,中性点均出现在距桩顶0.78倍桩长处,桩顶位移分别为0.38 mm及0.19 mm,对应的桩身平均温度升幅分别为8.9℃和4.7℃,热扰动范围约1.7 m;CH-24试验桩身最大约束应力为-3.01 MPa,比IH-16试验的最大约束应力-1.68 MPa提升了79%. IH-16试验在非运行对角桩对应的承台部位产生了约1.75 MPa的附加拉应力,约为C40混凝土抗拉强度值的73.2%.两组运行模式下承台均出现了细微的差异变形,在设计运行时应予以考虑.     

40Cr／T10A钢激光预处理后固相焊接工艺优化

进行了40Cr／T10A钢激光表面淬火预处理后实施等温固相焊接的工艺优化试验。结果表明，40Cr／T10A钢待焊接面经激光淬火预处理后，在750～780℃、预压应力20～56．6MPa的条件下，仅需2．5～7．5min短时保温就可实现两种钢的异材固相焊接，接头强度达母材强度，且焊接变形很小。其中以780℃、20MPa预压应力下保温7．5min为较适宜的固相焊接工艺参数，焊后接头强度达母材强度，试样轴向变形仅1．2％。     

列车制动过程踏面温度场及应力-应变分布特性

对Abaqus软件进行二次开发,采用旋转载荷法设置热流密度、法向载荷、切向载荷以及轮轨间的接触传热作用,在车轮表面设置对流换热和热辐射作用,基于热-机械耦合仿真得到了不同制动规程条件下踏面温度、应力和应变的动态变化及其分布特性,在此基础上回归得到了车轮踏面最高温度及制动结束温度与制动工况参数之间定量关系,并给出了制动过程踏面温度最高点温度变化曲线模型以及热应力预测模型。结果表明：轴重、制动初速度和减速度每增加5 t、20 km/h和0.1 m/s²,踏面的最高温度分别增加约90℃、120℃和26℃;25 t、100 km/h、0.7 m/s²制动工况下,径向应力辐达625 MPa,切向应力最大值为-713 MPa,最大径向、切向塑性应变分别为-5.47‰和-3.37‰,最大热应变为5.178‰,热应力范围为433 MPa。     

空间曲线蝶形拱桥顶推施工的多尺度模拟分析

采用实体退化单元精确描述构件几何特征,结合多尺度建模的思想建立杭州钱江八桥全桥精细有限元模型进行施工过程仿真分析.施工阶段仅考虑自重荷载,约束条件为多跨连续梁,最大顶推跨径为94 m.分析结果表明：最大拉应力约为307.2 MPa,最大压应力约为306.7 MPa,均位于前导梁箱型截面段与双工字钢截面段的交接处,在施工过程中主桥结构未出现应力过大情形;主、副拱肋应力及变形呈现空间变化特性,截面角点应力的变化规律具有一定的对称性;主、副拱连杆对结构的受力有明显影响;主梁最大应力为-280.4 MPa,施工中主梁未出现屈服现象.     

高温螺栓法兰连接结构及风险分析

利用Ansys-Workbench,对400.00℃下的螺栓法兰连接系统进行热-结构耦合分析,研究了高温条件下螺栓法兰连接系统的密封性能。结果表明,温度从法兰内壁由内至外逐渐降低,最大应力出现在螺母与法兰盘的接触面上,最大应变出现在垫片上。对常温及400.00℃的垫片进行了密封评定,同时针对高温下连接系统中垫片易密封失效的问题,通过建立垫片强度失效的贝叶斯网络,基于专家评估等一系列方法计算得到先验概率,再利用贝叶斯网络反向推理计算根节点的后验概率并排序,找出导致垫片失效的主要因素,从而提高了垫片在使用过程中的可靠性。     

连铸辊硬面层工作状态有限元分析

根据连铸辊尺寸建立有限元模型,测定其工作周期及表面温度,确定20 s为1个工作循环周期。采用ANSYS软件计算连铸辊硬面层工作状态下的温度场、应力及应变场,分析多次循环周期中硬面层温度、应力和应变变化规律及失效风险,提出延长连铸辊硬面层使用寿命的措施。结果显示：连铸辊1个工作周期内,硬面层最高和最低温度分别为742,132℃,最大温差为610℃;硬面层的表面层最大应力可达1 030 MPa,表面层先后产生弹性变形和塑性变形,应变随循环次数的增加而增大,50次循环形变量可达0.007 mm;近表面层产生弹性变形和塑性变形晚于表面层,50次循环最大形变量可达0.004 7 mm;硬面层的表面层与近表面层在50次循环中均受到较大应力,产生较大应变,但表面层受到的应力和产生的应变程度更大,失效风险较大。建议从材料本身入手如通过添加Nb,Ti,V等元素改善硬面层的综合性能,延长硬面层使用寿命。     

北方某高铁客运站钢筋直螺纹套筒连接低温疲劳试验

目的 验证北方某高铁客运站轨道层结构中钢筋直螺纹套筒连接在动力荷载下的疲劳性能,以保证施工工期、质量和结构运营的安全可靠.方法 进行了低温下钢筋接头的常幅疲劳试验.制备强度等级为HRB400、直径为28 mm和32 mm的钢筋直螺纹套筒连接接头共13个;疲劳试验加载由常应力幅100 MPa控制,采用专门设计的低温控制设备实现-10℃和-20℃的低温环境.结果 13个钢筋接头试样中,4个在200万次循环前发生疲劳断裂,其余9个均满足200万次循环的耐疲劳性能要求.结论 根据《钢筋机械连接技术规程》(JGJ 107-2010),钢筋直螺纹套筒连接接头基本满足了工程所需的低温疲劳性能要求,为其在铁路站房轨道层等直接承受动载的结构构件中的应用提供了重要试验基础.     

大口径等厚异径焊接斜三通有限元强度分析

应用workbench对内压与外载联合作用下的大口径等厚异径焊接斜三通进行了有限元建模和分析,按照ASME规范应力分析法分析了其应力类别及应力组合.在设计载荷下的冯米塞斯等效应力显示,最大应力为234.89 MPa,出现在外侧腹部(管口向左);在操作载荷下最大应力为228.56 MPa,出现在相贯区肩部锐角处,均高于材...     

高温法兰连接系统温度场的有限元分析

利用有限元软件ANSYS创建法兰连接系统的三维温度场模型,建立螺栓、法兰、垫片间的接触对.设置边界条件及对流传热系数,研究了500 ℃高温条件下炼化装置中法兰连接系统的温度场及热流,并分析了法兰、螺栓、螺纹、螺母、垫片、空气柱的温度分布规律及具体温度值.结果表明:法兰温度从内壁面到外壁面逐渐降低,靠近螺母端外侧温度最低为334.952 ℃;螺栓温度从两端到中间呈现为先增大后减小的规律,螺栓内外侧温差最大值在螺栓的两端;垫片温度沿周向变化很小,垫片温度沿径向由内到外呈线性减小;上、下两段空气柱的温度关于垫片中面对称分布,靠近垫片端内侧温度最高.     

不同保温形式墙体温度场数值模拟与分析

基于有限差分方法,建立了考虑太阳辐射和环境温度变化的建筑外墙实时温度场数值计算模型.利用该模型,计算了北京地区典型内外保温墙体的温度场.计算结果表明,建筑外墙温度分布受太阳辐射影响显著,影响程度与季节、朝向密切相关.墙体保温后外表面温度升高明显;保温层内温度变化剧烈,其中外保温比内保温保温层温度变化幅度更大.外保温墙体结构层温度均在零度以上,而内保温墙体结构层温度有时处于零度以下且承受正负循环.外保温墙体外防护层一年四季温度变化明显,年温度变化可达67℃.     

Thermal Stress and Assembling Parameters Evolution of CMC Bolted Joint under Transient Thermal Loads

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

赵淑媛¹,李正禹¹,蒲泽良¹,孙新杨²,张文娇³

（1哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;

2哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;

3东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

采用有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行热力耦合分析,分析了瞬态热载荷作用下热应力及装配参数的变化,为避免连接结构的早期破坏提供理论基础。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。当这种类型的结构件被用于高温瞬态热载荷状态下时,由于陶瓷基复合材料与金属的热膨胀不匹配,会导致连接部位产生额外的热应力,并改变接头的连接参数,从而使结构提前发生破坏。因此,研究瞬态热加载对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,使用有限元软件ABAQUS建立单钉单搭接螺栓连接结构的热分析模型。通过计算得到模型在给定的热边界载荷作用下的瞬态温度场,将温度场结果导入到应力场分析中,结合材料模型的UMAT程序,实现了模型的热力耦合分析。通过研究连接结构在高温热载荷作用下产生的热应力场,讨论了瞬态升温过程对连接结构预紧力、钉孔配合精度产生的影响

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构在受到温度载荷作用而产生温度变化后,装配时施加的预紧力会发生松弛现象,并且螺栓钉孔间的间隙也会缩小,预紧力下降值与温度载荷值呈现线性关系,钉孔间隙的减小值与温度载荷值呈现二次曲线的关系。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了瞬态热加载条件下结构热应力及螺栓预紧力和钉孔间隙等装配参数的演化,所得结果将用以指导工程实践中陶瓷基复合材料连接件的设计和使用。

关键词：陶瓷基复合材料;热分析;热应力;预紧力;钉孔间隙

     

装炉温度对大板坯加热过程热应力的影响

针对大板坯的加热过程,建立铸坯的热弹塑性模型,研究不同装炉温度条件下铸坯热应力分布的变化规律。研究表明:冷装和400℃装炉的铸坯,表面和心部分别受到压应力和拉应力作用,热应力随加热过程的进行逐渐减小;600,800℃热装铸坯入炉后,表面所受拉应力迅速转变成压应力,峰值最高达37 MPa,心部所受压应力迅速转变为拉应力;出炉之前,热装和冷装铸坯内外的热应力都趋于零。     

焊接空心球节点恒温加载试验

基于火灾高温下网格结构的性能和受力特征,根据欧洲规范的钢材高温性能对焊接空心球节点的极限承载力进行了高温加载试验,分别在500℃、600℃、700℃三种温度下对节点进行加载,直至节点破坏,得到了在恒定温度下,节点的温度场分布和荷载位移曲线,并确定了高温下节点的破坏模式,为今后球节点的抗火设计提供理论依据.     

高温下高强混凝土导热系数反演及其变异性

为研究高温下高强混凝土（HSC ）的导热系数,对6种工况下的高强混凝土试件进行了高温试验,得到不同高温下高强混凝土的内部温度场。基于一维热传导理论和实测温度,利用差分原理推导的离散温度点表示的导热系数计算公式,反演分析了高温下高强混凝土的导热系数,并分析了高温下导热系数的变化规律及变异性;最后建立了高温下高强混凝土导热系数的计算公式。研究结果表明：高温下高强混凝土内部的温度变化可以分为3个阶段,高温下高强混凝土的导热系数随着温度的升高而逐渐降低,但是在200℃～400℃时出现反弹现象,500℃后趋于稳定;利用所建立的导热系数公式计算的温度场与相关文献中试验结果吻合较好。     

单搭胶/螺栓混合连接结构的应力分布与载荷分配

针对平衡单搭胶/螺栓混合连接结构及其对应胶连接、螺栓连接结构,通过逐步构建其各自对应的精确三维有限元分析模型的方法对比分析了三种连接结构的应力分布。首先构建了胶连接分析模型,其胶层应力计算结果与采用已有文献理论分析模型计算结果比较吻合,验证了计算模型的准确性;在上述模型基础上继而构建了胶/螺栓混合连接分析模型,对比分析了采用两种胶材料的混合连接相对于对应单种胶连接层应力分布的变化,并计算了混合连接胶层与螺栓的承载比例,发现采用酚醛树脂胶的混合连接与对应胶连接胶层应力分布几近一致,螺栓分载很少,而采用丙烯酸酯胶的混合连接胶层剪切应力得到极大程度降低且螺栓得到了较大分载;最后构建了混合连接对应的螺栓连接分析模型,比较了两者应力水平和应力集中程度,发现前者明显低于后者,混合连接胶层的加入有缓解连接孔边应力集中的作用。提出混合连接可采用低模量胶材料以使胶层与螺栓共同分载,从而达到比传统连接方式更好的连接性能。     

Bolt Design of Ceramic Matrix Composite and Superalloy Bolted Joint Based on Damage Failure Load

瞬态热载荷下陶瓷基复合材料螺栓连接结构热应力及装配参数演化

吕超¹,赵淑媛^2*,李正禹²,蒲泽良²,董江龙²,孙新杨³,张文娇⁴

（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2．哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080; 3．哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001;4．东北农业大学 工程学院,哈尔滨 150030）

创新点说明：

基于有限元软件ABAQUS对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构的单轴拉伸性能进行渐进损伤分析,研究了螺钉几何参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能及失效行为的影响规律,并给出了连接结构失效载荷最大时的螺钉尺寸参数。

研究目的：

陶瓷基复合材料由于其耐高温、耐磨、抗高温蠕变、导热系数和热膨胀系数较低等特点,逐渐在飞行器热结构上得到广泛的应用。在飞行器结构中,陶瓷基复合材料常常不可避免的与金属件组成连接结构。螺钉的尺寸参数显著影响陶瓷基复合材料螺栓连接结构承载能力,对螺钉的几何尺寸进行设计对提高陶瓷基复合材料-金属螺栓连接结构的承载能力具有重要意义。

研究方法：

针对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的螺栓连接结构,利用UMAT子程序将材料模型嵌入到ABAQUS有限元模型中建立了单钉单搭接螺栓连接结构的渐进损伤分析方法。基于已建立的C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的有限元模型,研究六角凸头螺钉的螺钉直径、钉头直径及钉头高度对于连接结构孔周应力分布、拉伸强度以及破坏方式的影响情况,讨论给出承载能力最大的螺钉最优几何参数。

研究结果：

C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构的刚度随螺钉直径的增加小幅下降,受钉头直径与厚度的影响较小。在给定的螺钉直径、钉头直径及钉头厚度参数范围内,连接结构的拉伸强度均先随各参数的增加而增大而后降低,当螺钉直径为5mm,钉头直径为9.5mm,钉头厚度为2.8mm时室温最终失效载荷达到最大。

结论：

本研究基于ABAQUS有限元软件对2D编织C/SiC陶瓷基复合材料-高温合金进行有限元渐进损伤模拟分析,讨论螺钉尺寸参数对于连接结构拉伸性能的影响规律,为陶瓷基复合材料机械连接结构的工程应用提供设计分析基础及指导。

关键词：2D C/SiC陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;螺钉连接;螺钉参数