纤维缠绕GRP内压容器在非稳定温度场工况下的优化设计

讨论了纤维缠绕玻璃钢压力容器在内压和法向一维非稳定温度场同时作用下的优化设计，以各层缠绕角为设计变量，壳壁厚度为目标函数，对压力容器内部介质温度突变到稳定温度场全过程逐时刻的不同工况，进行优化设计。     

静水压力下纤维缠绕圆柱壳体的稳定性分析

为更清楚地认识静水压力作用下纤维缠绕圆柱壳体的耐压特性、解决深海耐压舱体的结构稳定性问题以及给工程设计提供参考,有必要对纤维缠绕圆柱壳体的结构稳定性进行深入研究。在弹性薄壳理论的基础上,推导出纤维缠绕圆柱壳体稳定性控制方程,采用Galerkin方法求解纤维缠绕圆柱壳体受静水压力作用下的临界失稳载荷。以正交缠绕、金属-纤维缠绕复合结构、斜交缠绕等几种形式的壳体结构为对象进行解析,并与实验结果对比,验证了求解的有效性和正确性。在此基础上,建立了基于遗传算法与解析方案一体式的优化平台,对[(±θ)12],[(±θ1)x/(±θ2)12-x]及[(±θ1)4/(±θ2)4/(±θ3)4]缠绕形式的圆柱壳体进行优化设计,研究纤维缠绕角度、对应层数及设计变量个数对临界失稳载荷的影响。结果表明,纤维缠绕角度对临界失稳载荷有显著影响,通过数值优化稳定性分别提高31.31%,43.25%及57.17%;随着角度变量的增加,优化得到的临界失稳载荷越大,最优可提高57.17%。     

纤维缠绕回转壳内压容器应力分析

本文是从连续介质复合材料层合壳理论,用有限元法对变厚度、正交各向异性的纤维缠绕回转壳进行应力分析的。采用的是截锥壳单元,通过假定位移场建立单元刚度,用直接刚皮法首先求出各节圆的位移,然后求出各节圆的内力、内力矩、应变、曲率变化、应力合力和应力合力矩这种方法也可直接用于变厚度、各向同性任意形状回转壳的应力分析,程序可以通用。从几个例子的实际计算结果来看,这种分析方法可以达到较高的精度。     

纤维缠绕复合材料壳体起伏区域刚度的研究

文章针对起伏区域纤维束的非正交交织的特点,提出一种计算缠绕复合材料的起伏区域内各点刚度的方法。通过算例,计算了整个起伏区域内不同点在不同缠绕角时的各项刚度系数值,给出了各项刚度系数随起伏区域的位置改变以及随着缠绕角变化的三维曲线,分析讨论了各项刚度系数在整个起伏区域内的变化规律,为纤维缠绕复合材料气瓶等高压密封容器的提前泄露问题的有限元分析提供了理论依据。     

受内压P作用的纤维正交缠绕玻璃钢弯管结构设计和强度计算

为适应纤维经、纬向缠绕,本文研究由4个90°弯管组成的环。由于90°弯管中圆弧段应力比直管段大,因而取环壳为力学模型进行纤维缠绕玻璃钢弯管结构设计和强度计算。本文研究的玻璃钢环壳之纤维是弹性主方向、正交缠绕的。该壳的特点是正交异性、变厚度、无耦合效应。由线性弯曲理论推出了受内压P作用的缠绕玻璃钢环壳极限方程,它是含两个变量的二阶微分方程组。引入复变量后,得到一个二阶复变量微分方程,用三角级数解该方程,导出了内力、应力和变形计算式。比较了有矩理论和无矩理论解之后,指出:在工程实用中可用无矩理论近似求解,误差不大于5％。缠绕玻璃钢90°弯管采用复合结构。本文指出可用网络理论进行增强层结构设计。给出了经、纬向正交缠绕玻璃钢环壳平衡型设计时纤维用量比公式,还给出了强度计算式,最小壁厚h_0、额定工作压力P_B的设计计算式。本文介绍了实验方法,用实验验证了上述公式的正确性,为缠绕玻璃钢90°弯管设计提供了理论依据。本文还分析了受内压P作用时截面是椭圆的环壳,给出了长、短轴在对称轴上的内力和应力计算式。     

非测地线稳定缠绕的边界条件及稳定方程

依据微分几何理论推导出非测地线缠绕的纤维稳定方程，给出了稳定的边界条件。对几种典型芯模的稳定缠绕进行了讨论。为编制缠绕软件奠定了理论基础。     

内压卧式容器的优化设计

本文在考虑影响卧式容器设计诸因素的基础上,用数学规划方法进行优化设计,并编制了电算程序。通过大量计算表明,本文提出的方法能自动快速地进行多种方案计算,比较和寻优,并具有一定的经济效果。     

考虑非设计工况的螺旋桨优化设计方法

为提高螺旋桨的性能,研究了考虑非设计工况时螺旋桨效率的优化设计方法。以母型桨设计进速周围多个进速点对应的敞水效率为目标函数,以螺距比的径向分布为优化变量,以推力、扭矩和空泡性能为约束条件建立优化数学模型。通过对不同工况的效率值设置权重并进行加权求和的方法,将多目标优化模型转变为单目标优化模型,利用面元法求解螺旋桨的水动力性能,应用柏利尔商船限界线表达空泡性能,基于简单遗传算法对模型进行求解,得到了优化后的螺旋桨螺距比的径向分布,将考虑非设计工况与考虑设计工况下的优化结果进行了对比。对比结果表明,由于船舶航行时航速的变化,仅考虑设计工况下进行螺旋桨优化往往达不到预期的节能效果,需要综合考虑设计航速周围多个工况点对应的效率。     

装用液力自动变速器的车辆在非稳定工况下燃料经济性和动力性的研究

本文研究了非稳定工况下发动机—液力自动变速器系统的工作,推导该系统的特性参数以及回转质量转换系数的公式,提出用解析法研究非稳态下动力性与经济性表达式,论述了影响燃料经济性与动力性的因素及其评价方法:分析了一些提高性能的措施。它旣用于分析评价现有汽车的性能,又可在开发新产品时进行性能预測,以便从多方案组合匹配的系统中选优。     

缠绕角对复合材料内压管强度的影响

基于Hoffman复合材料失效准则,考察了缠绕角对两端封闭的纤维缠绕复合材料内压管道(环向/轴向应力比为2∶1)强度的影响。分析表明,纤维缠绕角的变化对复合材料内压管强度的影响显著,不合理的缠绕角将明显增加成本。对该文考察的碳纤维/环氧、玻璃纤维/环氧、硼纤维/环氧复合材料而言,内压管最佳的缠绕角位于45°~55°的范围内。偏离该范围会导致管材失效的可能性大大提高。分析还表明,对于该类内压管材,其失效主要取决于垂直于纤维方向的强度和应力,因而可以对Hoffman准则予以简化。     

发动机不同工况下三效催化器的温度场和转化效率试验

在发动机台架上,通过研究在发动机不同工况下催化器内部温度场的分布及由此得到的载体平均温度对转化效率的影响,揭示了催化器的工作机理,并得到如下结论:在催化器工作时,内部由于存在化学反应放热、热质输运等,造成载体内部不同部位存在温差,最大可达82℃;由于决定整个催化进程的因素不同,催化器的转化效率随不同的载体平均温度的变化趋势也显著不同,这些均为催化器的设计及其与发动机的有效匹配提供了试验依据。     

汽车发动机连杆在拉压工况下的可靠性分析

利用ANSYS有限元软件对连杆结构进行应力分析,获得了连杆结构在拉压工况下的应力强度分布, 结果表明:该连杆在受拉压两种工况下最大等效应力出现在连杆小头孔的内表面上,拉压工况下其值分别为15.1 MPa和161.0MPa。然后利用ANSYS有限元软件中的蒙特卡罗法来分析连杆结构的可靠性,经过分析获得了连杆 结构在置信度为95%的情形下,初值极限状态Z<0(Z=σs-σmax,其中σmax为容器在使用过程中出现的最大应力, σs 为材料的屈服强度)的概率平均值为2.62% ,即说明连杆的可靠度为97.38%,以及获得了该连杆结构的载荷分布 柱状图和屈服极限抽样过程图,通过分析可知:该连杆结构是安全可靠的。     

薄板非稳定温度场的一种边界元解法

论述了用拉氏变换和边界元法相结合求解薄板非稳定温度场的方法。为了避免逆变换中方程组出现病态,通过D-S曲线找出变换参量S的有效范围。对拉氏变换中级数项数的选择进行了探讨。通过将计算结果与有限元结果和精确解的比较说明了用这种方法可获得相当好的计算精度。     

非均匀温度边界条件下圆环通道横截面内温度场的解析解

对圆环通道的导热问题,利用直接代入法推导得到壁面周向非均匀温度分布条件下圆环通道横截面内温度分布的通用解析解.结合工程实际,以太阳能高温吸热管壁面温度实测分布函数为例,利用上述通用解析解,获得吸热管横截面内温度分布的解析解.利用COMSOL Multiphysics软件开展有限元数值模拟,结果表明该解析解与有限元数值解吻合良好.基于该解析解开展参数研究,分析各参数对温度分布的影响.结果表明:圆环通道内横截面温度随圆心角呈周期性变化,越接近管外壁处,温差越大,越接近管内壁处,温差越小;内外径之比越大,导热效果越明显;温度分布与热流密度呈线性关系,且低导热系数材料有较好的导热效果.     

内压载荷下复杂薄壁箱形结构数值模拟与优化设计

基于有限元软件MSC. Marc/Patran，考虑材料非线性和几何非线性，对装配式不锈钢水箱这种以
内压载荷为主的复杂薄壁箱形结构的力学响应进行了数值分析.得到了箱体在内压载荷下的应力和位移变
化特性，箱体各模压板块中与加强槽毗邻的球冠边缘区域的应力始终占控制地位；获取了箱体的屈曲失
效模式，基准模型箱体底板的屈曲临界载荷为0.080 MPa；分析了屈曲临界载荷数值模拟值与经典理论值
之间存在较大差异的原因.通过对模压板块的球冠高度与直径、加强槽的位置和尺寸以及强化拉筋的布置
方式等参数进行优化，提高了箱体的承载能力.数值模拟结果与试验数据较为一致，表明了所用数值方法
的有效性.     

堵塞工况下工艺泄压系统的动态分析

以国内某海上油田中心平台原油处理一级分离器(CEPA-V-2001A/B)为依托,建立符合实际情况的工艺泄压模型,用于单体设备和多体设备在堵塞工况下,紧急关断阀SDV 和安全泄压阀PSV 的泄放过程计算与分析。结果表明,单体一级分离器气相或油相出口发生堵塞时,系统压力均会超过SDV 联锁关断压力和PSV 设定压力,需考虑设置SDV和/或PSV安全保护装置;水相出口发生堵塞时,本由水相出口排出的水量在油相液位控制器的作用下,通过增大油相出口阀门开度实现油、水同时排出,不会引起系统的超压;对于给定的单体一级分离器,可选取口径为324.5mm 的G型PSV阀用于堵塞工况的泄压保护;当两分离器并联工作时,其中某一分离器的气相、油相或水相出口发生堵塞,不会引起系统超压。     

内压等径大开孔壳体应力集中的有限元分析

应用ANSYS有限元程序,选取空间壳体单元SHELL63,对内压容器壳体上的等径大开孔接管结构进行应力分析,得到接管部位的应力分布规律和孔边应力集中系数方程式.讨论SCF,结果表明仅用SCF来判断最大应力值不合理.工程应用表明:采用有限元分析软件能够很好地解决设备大开孔问题,为合理设计和类似结构在一定条件下能否安全使用提供了重要参考依据.     

非人工干预条件下粮堆温度场的研究

为了研究地上仓和地下仓储粮期间粮堆温度场和微气流场的变化,基于多物理场数值模拟软件COMSOL,通过修改内置材料方程、质量守恒方程、能量守恒方程和动量守恒控制方程,对非人工干预条件下模型仓进行为期1年的模拟研究.改变边界条件模拟地上仓和地下仓两种不同储粮方式下仓内温度场和微气流场的变化.结果表明:地上仓受外界环境温度影...     

一种多工况下桁架结构的拓扑优化设计方法

论文提出了一种桁架结构在多工况作用下满足平衡条件的拓扑优化设计方法。在该方法中,以杆件内力为设计变量,结构重量为目标函数,将拓扑优化模型描述为一个非光滑的数学规划问题,而后通过变量代换将其转化为光滑的非线性规划问题,进而将原问题的解转化为几个线性规划问题的解。方法保证得到两工况下的精确最优解,多工况(大于等于3)下的近似最优解。几个工程算例结果说明了该方法的合理性与有效性。