利用有限元方法模拟微裂纹在强超声作用下的摩擦发热现象

采用有限元方法,对强超声作用下金属板中裂纹面的动接触行为以及摩擦发热现象进行了三维热力耦合模拟。在有限元模型中,利用压电-热弹类比方法模拟功率超声换能器激励,而采用基于罚函数方法的接触-碰撞算法模拟裂纹面之间的动接触相互作用。通过有限元模拟,定量计算了裂纹面上的摩擦发热现象,对功率超声换能器激励下裂纹板的振动特性、裂纹面的动态接触过程以及裂纹处的温度分布进行了分析。有限元仿真结果可以合理解释在超声红外热像技术中观察到的现象。     

圆锯片–花岗石切割系统仿真研究

基于ANSYS/LS-DYNA建立圆锯片–花岗石切割系统的仿真模型,动态模拟锯切过程,并通过LS-PREPOST后处理获得锯切力、应力、位移等数据,将时域Z-加速度曲线经过FFT变换进行频谱分析。研究表明:锯切过程中,锯齿冲击力主要集中在X和Y方向,且锯切分力中,径向力贡献最大,轴向力贡献最小,越接近激励点应力水平越高,但远离激励点的应力交替变化更频繁,更易产生疲劳裂纹;其中,锯片轴向位移按正弦规律变化,且振动能量主要集中在齿通频率fz与高次谐波频率N×fz处。     

超声表面滚压对管线钢裂纹尖端应力场的影响分析

建立含裂纹缺陷四点弯和超声表面滚压加工的耦合三维有限元模型,使用有限元软件ABAQUS模拟了四点弯及超声表面滚压加工过程.分析了超声滚压加工前后四点弯试样三维静态裂纹的张开角度、位移、裂纹尖端应力场和J积分变化规律,讨论了超声表面滚压加工抑制裂纹扩展的机理.结果表明,超声滚压处理后,四点弯试样表层裂纹发生闭合,内部裂纹张开角度和位移明显小于未进行超声滚压处理的试样;USRP处理后裂纹尖端的拉应力降低,且距离超过裂纹尖端0.06 mm的应力由拉应力转变为压应力;USRP处理的位置处J积分数值显著减小,裂纹扩展倾向降低.     

超声表面滚压对管线钢裂纹尖端应力场的影响

建立含裂纹缺陷四点弯和超声表面滚压加工的耦合三维有限元模型,使用有限元软件ABAQUS模拟了四点弯及超声表面滚压加工过程.分析了超声滚压加工前后四点弯试样三维静态裂纹的张开角度、位移、裂纹尖端应力场和J积分变化规律,讨论了超声表面滚压加工抑制裂纹扩展的机理.结果表明,超声滚压处理后,四点弯试样表层裂纹发生闭合,内部裂纹张开角度和位移明显小于未进行超声滚压处理的试样;USRP处理后裂纹尖端的拉应力降低,且距离超过裂纹尖端0.06 mm的应力由拉应力转变为压应力;USRP处理的位置处J积分数值显著减小,裂纹扩展倾向降低.     

基于S构型内检式EMAT的管道裂纹电磁超声螺旋导波定量检测

为了解决传统轴向导波对管道斜向裂纹检测灵敏度低的缺点，基于电磁超声螺旋导波检测机理，提出了一种适用于管道斜向裂纹检测的S构型内检式EMAT(电磁超声换能器)。针对所提换能器，建立金属管道电磁超声螺旋导波检测有限元模型，探究不同螺旋角螺旋导波在管道上的传播过程和回波信号特征。搭建了电磁超声螺旋导波检测试验系统，采用所提EMAT和L(0,2)轴向导波EMAT对斜向裂纹进行检测。试验结果表明，S构型内检式EMAT对于斜向裂纹具有更高的检测灵敏度，对于裂纹的高分辨率检测具有重要意义。     

含能材料柱状近净成形退模工艺仿真优化分析

近净成形工艺是含能材料的主要成形方式之一,当原料通过近净成形工艺成形后,为了保证退模过程中冲头受力均匀和退模过程顺利,需要对退模过程进行研究。采用通用有限元分析软件ABAQUS建立含能材料柱状近净成形有限元模型,对其退模工艺全过程进行仿真分析,得到了退模过程中模具和冲头的最大应力,并且给出退模过程中的退模力-冲头位移曲线。进一步分析了退模加载速度对退模力的影响,分析了两种典型的加载速度工况下的退模力。结果表明,本文建立的有限元仿真模型能够有效地模拟近净成形退模工艺,为退模工艺的相关参数设计和工程实践提供指导。     

热超声键合压电换能器的动力学特性

基于有限元方法和试验测试,研究了芯片封装用压电超声换能器的动力学特忡。借助ANSYS压电耦合和非线性接触分析功能,对换能器自由和约束状态下的振动特性进行了分析。探讨了超声能量在空间域、时域和频域的传递规律。由模态分析得到换能器的振动形式,通过谐响应分析提取其在正弦电压激励下的振动信息,经瞬态分析获得换能器的瞬态响应。结果表明,螺栓径向尺寸和预紧力影响换能器的模态分布和动态特性,压电晶堆加载电压的频率影响超声能量传递特性。通过键合试验考察了焊点质量与螺栓径向尺寸的关系。分析和试验结果为换能器设计和键合工艺优化提供了指导。     

奥氏体不锈钢焊缝裂纹的超声红外热像检测

基于ANSYS有限元软件模拟了焊缝裂纹在超声激励作用下的升温现象,定性分析了超声激励幅值、频率、方向和焊缝余高4个参数对裂纹升温的影响。此外,通过对比有限元模拟下的超声红外热像法的检测结果与渗透检测结果,验证了超声红外检测焊缝裂纹的可行性,并通过试验验证了有限元分析的准确性。研究表明,超声红外热像法在奥氏体不锈钢焊缝裂纹无损检测方面具有潜在的应用价值。     

超声-电弧复合焊接系统换能器优化设计

研究了超声-电弧复合焊接系统中超声换能器的优化设计方法.根据超声-电弧复合焊接系统工作条件确定了超声换能器整体形式和各部分材料.通过传统解析法推导了超声换能器整体谐振频率方程,求解各部分基础尺寸.利用有限元分析软件ANSYS对解析法设计的超声换能器结构进行了模态分析,研究了前后盖板尺寸对于超声换能器谐振频率的影响并优化...     

电磁超声表面波换能器发射过程的精确建模与分析

针对具有曲折线圈结构的电磁超声表面波换能器模型精度较低问题,以铝合金板材表层缺陷检测为背景,在考虑交变磁场影响前提下,通过将有限元方法与解析法相结合,建立了一个精确描述电磁超声表面波换能器发射过程的三维模型。仿真分析表明,换能器在发射过程中产生的交变磁场可激发出两倍频率成分的表面波;该表面波分量能够有效提高换能器的缺陷敏感度;增加发射电流、降低提离距离均可显著增强该分量。试验验证了所建模型的有效性和精确性。     

基于内聚力模型的γ-Ti Al合金中γ/γ界面裂纹扩展的多尺度模型（英文）

通过建立多尺度模型预测γ-TiAl合金中裂纹的扩展行为。利用分子动力学(MD)建立了真孪晶(TT)γ/γ界面模型,得到了界面内聚力区域(CZM)的本构参数;采用Voronoi方法生成了多晶γ-Ti Al合金介观模型,将CZM本构参数耦合到该模型中,得到了对应的不含缺陷、含钝裂纹和钝裂纹+中心空洞缺陷的临界应力断裂云图,利用几何相似性平均了多晶模型和整体裂纹拉伸关系曲线并分析了γ-Ti Al合金的损伤机理;根据连续介质假说建立了宏观有限元模型(FEM),通过对紧凑拉伸试样模拟给出了力-位移曲线并得到了材料的断裂韧性。最后,将宏观有限元模拟得到的裂纹扩展行为与实验结果进行比较,验证了该模型的有效性。结果表明:在晶粒数比例相同的情况下,缺陷对整个近γ结构的强度有着显著的敏感性,同时该多尺度方法可以有效地连接不同尺度并预测裂纹的扩展。     

含多裂纹的金属凹模脉冲放电止裂瞬间绕流屏蔽效应的数值模拟

采用热-电耦合有限元分析方法,对含多裂纹的金属凹模在脉冲放电瞬间电流的绕流屏蔽效应进行了研究,建立带有3个半埋藏弧形裂纹的有限元模型,模拟分析了在脉冲放电瞬间整个凹模温度场的分布状态。计算结果表明,在对含有多个裂纹的金属凹模进行脉冲放电止裂时,各个裂纹之间没有明显的绕流屏蔽效应。     

强度失配焊接接头的裂纹尖端张开位移数值分析

采用有限元方法对平面应变条件下含裂纹不同强度失配的平板拉伸焊接接头进行了弹塑性分析,研究了焊缝与母材强度失配、裂纹长度、母材应力应变曲线类型等因素对焊接接头裂纹尖端张开位移的影响.结果表明,强度失配系数增大,焊接接头裂纹尖端张开位移值降低,裂纹长度越短,强度失配的影响越显著.母材无屈服平台时,裂纹尖端张开位移随外加应变的增大呈单调上升趋势,母材有屈服平台时,在高匹配或者裂纹长度较短时,裂纹尖端张开位移曲线会出现阶段性变化,这主要是由于母材形变硬化滞后焊缝变形所产生的.     

基于电磁超声的金属板测厚技术仿真研究

针对金属板厚度测量问题,研究了电磁超声波在金属板中的传播特性,根据有限元理论,利用ANSYS有限元分析软件对金属板测厚换能器进行了仿真分析。建立了测厚换能器的三维模型,对模型进行了电磁分析和电磁结构耦合分析。分别得出了被测试件内感生出的涡流和受到的洛伦兹力以及被测试件内部受到的位移情况。仿真结果表明,被测试件内质点受到的洛伦兹力方向为向下,且线圈正下方的洛伦兹力最大;通过不同时刻质点位移的变化可以直观地观察出电磁超声波在板中的传播状况;通过对单个质点位移的分析得出了该模型产生的电磁超声波的质点位移最大方向是向下的;该模型产生的超声波是向下的,可用于模拟电磁超声的测厚情况。     

基于谐响应的弹性悬臂梁裂纹识别分析

针对弹性悬臂梁的裂纹识别问题,探讨了谐响应分析在含裂纹梁损伤识别中的应用。首先结合连续介质弹性梁动力学方程和有限元方法,建立了含裂纹梁的受迫振动方程。然后,基于Abaqus平台建立了若干种含V型表面裂纹的悬臂梁有限元模型,在此基础上通过施加外部激励进行谐响应理论分析。最后,探讨了裂纹几何参数和加载位置对谐振频率及谐响应幅值的影响。结果表明,裂纹深度、裂纹位置、裂纹数量以及加载位置对谐响应变化规律有明显影响,为悬臂梁的裂纹识别提供了思路。     

多层金属平板模具热-力载荷分析方法的对比研究

在功能梯度材料板结构理论及均质热锻模热-力载荷解析计算方法的基础上,根据多金属平板模具各覆层材料的物性参数沿厚度方向规律,结合热锻过程中多层金属平板模具与金属坯料之间存在热传递现象,建立了多层金属平板模具热-力载荷的解析计算模型,获得了多层金属平板模具温度及应力的解析值。建立了多层金属平板镦粗模具的热-力耦合有限元模型,获得了多层金属平板模具在热态镦锻下的应力分布。在多层金属平板模具上完成了圆柱体镦粗试验,获得了模具关键位置温度变化的实测值。在以上研究的基础上,将解析值、模拟值和实测值进行了对比,验证了多层金属平板模具热-力载荷分析方法的正确性。     

圆柱磁致伸缩棒在交变磁场中的力学行为研究

以设计的超磁致伸缩换能器的实物模型为基础,建立了换能器的轴对称的有限元模型,对主要在磁-机耦合场作用下,其中的超磁致伸缩棒在交变磁场中的力学行为进行有限元分析,从而为超磁致伸缩换能器的深入研究提供了依据.     

超声热成像对含曲率TC4结构表面裂纹的检测仿真

目的 针对含曲率TC4结构的表面裂纹,在分析超声红外热成像检测原理的基础上,进行有限元仿真模拟,研究激励条件对检测效果的影响规律,得到最佳激励参数。方法 首先,设置不同激励幅值、激励频率、激励时间及激励位置等多组方案进行仿真计算。然后基于仿真优化出的最佳激励方案,对含表面裂纹的某航空发动机叶片进行检测,证明仿真结果的准确性。结果 在超声激励过程中,裂纹缺陷区域与非缺陷区域的温差逐渐上升,并在激励结束时达到最大表面温差。随着激励幅值的增加,最大表面温差逐渐上升,上升速率逐渐减小;随着激励频率的增加,最大表面温差逐渐上升,上升速率逐渐增大;随着激励时间的增加,最大表面温差逐渐上升,80 ms后逐渐趋于定值。在裂纹扩展方向上,超声激励施加在构件中央时,检测效果最佳;在垂直于裂纹扩展方向上,超声激励施加在裂纹正下方时,检测效果较差,激励源向两侧移动10~20 mm时,检测效果最佳。通过对含表面裂纹的某航空发动机叶片进行检测试验,可以清晰地看到裂纹信息,检测效果较好,表明仿真结果可靠。结论 研究成果有效地揭示了激励幅值、激励频率、激励时间及激励位置对检测效果的影响规律,为超声红外热成像技术检测含曲率结构表面裂纹的优化奠定了理论基础。     

安装端面对换能器谐振性能的影响

在换能器的设计过程中,用来安装换能器的端面往往被设计者忽视.文章从半波长换能器的等效电路出发,利用机电类比方法,推导出带安装端面换能器四分之一波长振子的输入电导纳的表达式和频率方程,并讨论了安装端面对换能器谐振性能的影响:即随着安装端面长度和直径的减小,换能器的谐振频率下降,要使换能器处在最佳的谐振状态,应根据安装端面的尺寸相应调整前端盖长度;同时按照功率超声振动系统的原理和要求,设计了一套复合纵向换能振动装置,并依据研究结果设计制作了超声换能器,结果表明换能器在设计频率下工作正常,验证了设计的正确性.该研究结果为换能器优化设计和使用提供了理论依据.     

超声导波管道表面激励接收的仿真分析

目前已有的超声导波激励模型均是在管道端部截面处施加瞬时载荷。然而,实际检测中,导波探头一般安装在管道外表面。为此,本文使用Ansys LS-DYNA显性动力学模块建立管道3-D模型,分别在管道表面施加汉宁窗调制的位移荷载和力载荷,可以成功地激励出轴对称纵向模态导波。仿真信号的波速接近理论值,缺陷定位准确。该方法很好地从声场角度对压电导波和电磁超声导波进行仿真分析,也为非轴对称局部加载激励导波的数值模拟提供了方法。