钢丝缠绕予应力高压容器和冷挤压凹模在内压作用下内壁不出现拉应力的设计原理

钢丝或钢带缠绕予以应力高压容器或模具由芯筒和缠绕层两部分组成。缠绕层采用等剪应力方法充分利用了钢丝的强度,比采用等张或等切应力方法能承载更大的工作内压。芯筒多采用高强材料。为使芯筒不易开裂并提高疲劳寿命,要求在工作内压载荷下内壁不出现拉应力。本文提出满足这一要求的最佳设计方法和计算公式。     

柔性球轴承

美国的北美洛克韦尔公司在1968年首次提出“柔性球轴承”的概念,随后MPB（微型精密轴承公司）和其它一些公司都在研究它的实用问题。 滚动轴承发生疲劳损坏的平均寿命与滚道接触区下面的交变剪应力成正比,而后者又与最大压应力成正比。因此在不考虑其他因素,而仅降低压应力,就会延长轴承的使用寿命。理论上,轴承寿命是与应力的九次幂成反比的。 所谓柔性球轴承,就是从上述理论出发,把“支承”钢球的刚性梁（内圈）改为弹性梁（内圈改进）（如图1所示）。具体作法是在内圈的内表面上沿内圈的整个圆周     

轧机轴承内圈受力分析

应用材料力学的基本理论,对四列短圆柱滚子轴承内圈的受力作了定量分析,认为:轧机轴承在工作过程中内圈的受力以轴承负荷分配到内圈的应力和内圈与轴过盈配合产生的应力为主.摩擦力、旋转离心力可忽略不计.从对套圈产生破坏作用的角度出发,外壁应力大于内壁应力,因此套圈破坏始于外壁.附图5幅,参考文献2篇.     

湿式摩擦离合器摩擦片的热力耦合分析

在湿式摩擦离合器动力学研究的基础上,采用摩擦功率法对离合器接合过程的热流密度进行了计算。并讨论了摩擦片的对流换热问题,运用有限元技术建立摩擦片模型,对其温度场和应力场耦合情况进行了分析。研究结果表明,摩擦片径向温度随着半径逐渐增大,厚度方向温度升高主要位于摩擦片表面区域。摩擦片外圈区域出现周向拉应力,内圈区域为周向压应力;而摩擦表面出现径向压应力,摩擦片内部出现径向拉应力。该结论为摩擦离合器热失效分析提供了一定的理论基础。     

带挡边关节轴承静力学有限元分析

为研究KF11028型外圈带挡边的向心关节轴承的静力学特性,用Solidworks建立轴承三维模型,基于ANSYS Workbench对轴承在正常和偏斜2种工况下承受1 575 kN径向载荷的静力学特性进行有限元分析。分析结果表明:正常工况下,内圈等效应力最大值出现在油孔处,外圈的等效应力最大值出现在内球面边缘,均小于屈服强度,接触应力最大值出现在接触面边缘;偏斜工况下,内圈等效应力最大值出现在油孔处,外圈等效应力最大值出现在内球面位于挡边一侧的边缘处,均大于屈服强度,接触应力最大值出现在接触面边缘;内圈的偏斜会导致关节轴承受力不均匀,从而造成部分部位产生应力集中。因此带挡边向心关节轴承不宜长期工作在载荷和偏斜角度都比较大的工况下。     

核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁的焊接残余应力分布

采用自行搭建的管道内壁残余应力测试平台,通过切割法测得核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁的焊接残余应力,结合有限元模拟,研究了传热管内壁焊接残余应力的分布规律。结果表明:试验测得传热管/管板接头中传热管内壁近焊缝处的轴向和周向残余应力均为拉应力,随着距焊缝中心线距离的增加,残余拉应力减小并变为压应力,在距离焊缝中心线12mm处,残余压应力最大,在距离焊缝中心线21mm处残余应力减小至焊前初始应力;传热管内壁焊接残余应力分布的模拟结果和试验结果基本吻合,该有限元模型可以准确模拟核电蒸汽发生器传热管/管板接头传热管内壁焊接残余应力的分布规律。     

轴承套圈的预应力硬态切削分析

通过对轴承套圈工作状态的运动学和力学分析,明确了轴承工作时内圈先于静止外圈表面产生疲劳剥落的原因;阐述了轴承外圈外圆表面出现的残余拉应力现象和原因,并提出一种可改善轴承零件加工表面残余应力状态的预应力硬态切削方法。理论分析和实验结果证明,该方法可使轴承零件加工表面产生残余压应力,提高轴承的接触疲劳寿命。     

内压作用下异径管的应力分析及验证

利用有限元方法分析了内压作用下异径管的应力分布，结果表明：同心异径管大端向外的弯曲应力与薄膜应力叠加后使外壁组合应力下降、内壁组合应力上升，小端连接处直管内外壁均为轴向压应力；内压在非轴对称结构的偏心异径管的偏心侧大端和中部引起的环向应力最大，且偏心侧外壁的环向应力较内壁的环向应力大。实验结果与有限元分析结果一致，但存在一定误差，主要是与工程管件不均匀的力学性能及壁厚有关，因此，将直管的应力理论直接套用到异径管是不恰当的。     

自增强高压缸精加工残余应力及强度数值分析

基于弹塑性理论和材料的实际拉/压性能,用有限元软件ANSYS命令流及APDL语言建立了高压缸体的三维模型,将多载荷步分析及单元生死技术相结合,研究了缸体内外表面加工余量对其残余应力分布及弹性强度的影响。研究表明:当内壁发生反向屈服时,加工顺序影响残余应力的分布,这时先加工外圆,后加工内孔,有利于提高缸体的强度;精加工内孔,内壁处残余压应力增大,精加工外圆,内壁处残余压应力减小,应力变化量都与加工余量呈线性关系。以上方法及结论,可为自增强结构的设计加工提供依据。     

阀门用波纹管的应力分析

基于有限元方法建立了阀门用波纹管的应力分析方法,通过对波纹管进行有限元分析。结果表明,无论何种工况,波纹管各层的应力分布规律基本相同,其分布规律是波峰与波谷部位应力较大,其余部位应力较小;在位移载荷(拉或者压)作用下,波纹管的最大等效应力均发生在波谷位置;在拉伸位移-内压联合作用下,结构最大应力发生在波峰,在压缩位移-内压联合作用下,结构最大应力发生在波谷;在工作状态下,波纹管的应力主要是由位移载荷引起,因此,在使用过程中应严格控制位移的大小。     

Calibration of hoop stress in ring tensile test with Zircaloy-4 tube

Since Zirconium (Zr) alloys have been widely used as cladding material in a nuclear fuel rod, material properties of Zr are essential in prediction of failure and undesirable deformation. This paper mainly concerns calibration procedure to obtain the hoop stress of Zircaloy-4 tube with a simple ring tensile (RTT) test linking with a Digital image correlation (DIC) technique since it is substantially difficult to obtain, directly, with specialized experiment such as burst test with internal pressure. The uniaxial tensile tests along the axial and RTT along the hoop directions were conducted with Zircaloy-4 tube in which anisotropic stains were analyzed with a DIC technique to validate appropriate deformation history. Anisotropic yield criterion based on the measured R-values (R _θ = 1.88 and R _z = 0.814) is able to capture the precise deformation mode in the ring tensile test. The flow curve along the hoop direction is calibrated by converting F, G, and H material parameters based on the R-values to the function of stress ratios.     

A study of stresses in alumina universal heads of femoral prostheses

Three-dimensional, frozen-stress photoelasticity was used to study the best shape for a proposed alumina universal head loaded on to a Vitallium cone taper spigot with a 30 degrees inclined force, as in vivo. Typical cone taper friction values were reproduced in the photoelastic models. The location of the highest tensile stresses in the Mark I shape with a flat crown was found to be on the inner surface of the crown. Changing to a torispherical surface in the Mark II shape reduced this magnitude. However, the Mark III shape with a hemispherical inner crown surface gave even lower stress there, equal to the maximum value of the hoop stress at the taper, which was measured to be fairly uniform both around and along the taper except at the ends where contact pressure concentrations were found to occur and it became reduced. Lamé axisymmetric cylinder stress predictions were found to be useful approximations to measured values and were generally overestimates of the tensile hoop stress at the head taper surface.     

Structural analysis and testing of a miniature flexible joint under pressure and vector loading

The structural characteristics of a miniature tactical motor flexible joint subjected to pressure and vector loading were investigated using finite element analysis and bench test. Three-dimensional non-linear finite element analysis was conducted using ANSYS Code Version 11.0. The axial deflection, vectoring torque, and stress distributions in elastomeric and reinforcement rings were presented. The predicted values were consistent with the test data. Results indicate that the axial compressive stiffness increased gradually and nonlinearly with pressure, while the angular stiffness remained nearly constant in the vectoring angle range from 0° to 6°. Under pressure loading, the elastomeric shear stress was negative, high at both sides, and low at the center of the cross-section, while the reinforcement hoop stress was compressive at the inner radius and tensile at the outer radius. The compressive stress was also high. The flexible joint exhibited higher stress level with altered stress distribution when subjected to additional vector loading. Existing empirical formulas for reinforcement hoop compressive stress were determined to be not applicable to the miniature flexible joint, which significantly overestimated the stress caused by pressure and underestimated the stress caused by vectoring.     

基于有限元分析的三通接箍设计优化

三通接箍是工业管道中的上常用结构,用来在主管道上接出分支.研究的三通接箍为采油地面设备使用,由于现场发现接箍位置经常发生管道破漏的情况,希望通过力学计算分析,找出原因,并改进设计.所采用的具体方法是:通过CATIA软件建立结构的三维模型,通过ABAQUS软件计算结构承受内压时的应力分布.通过这些有限元分析,计算结构的应...     

聚乙烯管韧性破坏寿命预测方法研究

聚乙烯管在静液压作用下有3种失效模式：蠕变韧性破坏、慢速裂纹脆性破坏和材料劣化破坏。提出基于粘弹性应力分析模型的聚乙烯管材蠕变韧性破坏寿命预测方法。在内压作用下,聚乙烯管材的蠕变导致其壁厚不断减薄,环向应力逐渐增大。同时,基于粘弹性应力分析模型得到管材蠕变的应变率逐渐减小,由于聚乙烯的屈服应力具有明显的率相关性,屈服应力也随之逐渐减小。当增加后的环向应力值与管材瞬时屈服应力相等时,聚乙烯管材发生韧性失效,从而得到韧性失效寿命与内压载荷之间的关系。     

循环热-机械双轴载荷下薄壁圆筒的热棘轮极限

热棘轮失效是薄壁圆筒的主要失效模式之一,现有ASME锅炉及压力容器规范和EN13445等设计标准主要考虑环向应力,而未考虑轴向应力条件,使得设计结果可能偏于不安全。针对循环热-机械双轴载荷下薄壁圆筒热棘轮设计理论的不足,采用非循环分析方法系统研究双轴应力状态下薄壁圆筒热棘轮极限的解析解,重点考虑轴向压缩应力对循环温度梯度和稳定内压组合载荷下薄壁圆筒热棘轮极限的影响,并提出相应的设计方法,并采用有限元法对理论结果进行验证。结果表明,循环热-机械载荷下轴向压缩应力会显著降低薄壁圆筒的热棘轮极限,且理论解与有限元分析结果吻合良好,这说明此方法可用于循环热-机械双轴载荷及类似工况下薄壁圆筒的热棘轮设计限,具有良好的工程价值。     

含环向减薄缺陷主蒸汽管道蠕变应力变化规律研究

厚壁耐热钢广泛应用于高温电厂的主蒸汽管道。局部减薄缺陷是高温压力管道常见的体积型缺陷,局部减薄缺陷的存在对高温环境下运行的管道应力重分布会产生较大的影响,降低管道的承载能力。采用大型有限元分析软件ABAQUS对在蠕变条件下运行、受内压作用含环向减薄缺陷主蒸汽管的蠕变应力进行了有限元数值模拟,获得了应力重分布的变化过程。结果表明,含环向减薄缺陷直管,由于存在结构不连续,导致应力水平提高。在高温环境下,应力最大位置和应力集中系数最大位置可能会随蠕变时间的变化而改变,给出了含环向减薄管道应该主要关注的位置。研究结果可为高温含环向减薄缺陷管道的安全评定和完整性分析提供依据。     

超高压管式反应器端部结构应力场的数值模拟

基于大型通用有限元软件ANSYS,对发生疲劳断裂的超高压管式反应器的端部结构进行数值模拟,分析了其在过盈套合、自增强处理以及服役期间开停工循环载荷三种工况下的局部应力场.结果表明:三种工况下,端部结构在过盈套合边缘局部范围内均存在较高的轴向拉应力,且大于环向应力;局部轴向应力随套合过盈量和自增强压力的增加而增大;半径过盈量为0.05 mm时,开停工循环载荷下的局部轴向平均应力最大值可达86.71 MPa,轴向交变应力幅值最大值达到62.2 MPa,裂纹垂直于轴向扩展的推动力较大.模拟分析结果对端部结构失效破坏原因的分析及其设计改进有一定的指导意义.     

卡箍式快开门压力容器的有限元接触分析

采用ANSYS软件提供的接触单元,运用整体有限元应力分析方法,对卡箍式快开门压力容器进行了详细的应力计算。通过对整体应力分布以及接触应力的具体分析,得到了卡箍式快开门结构的受力特点及应力分布规律,同时对各危险截面进行了强度评定。结果表明,卡箍式快开门压力容器满足相应压力容器分析设计标准的强度要求。