HIAF薄壁二级铁真空室在线烘烤方案研究

针对强流重离子加速器装置小磁隙、周围磁元件温度有严格限制要求的薄壁二极铁真空室获得极高真空关键技术之一的在线烘烤方案进行研究。研究表明,烘烤系统采用加热带作为热源,纳米粉绝热材料作为主要的绝热层,镀铝聚酰亚胺薄膜作为保护层可以满足真空室在线烘烤的温度、时间和空间要求;在烘烤效果一定的情况下,烘烤的热力学温度与对数烘烤时间呈线性相关,并得到了达到预定烘烤效果选择不同的烘烤温度所需的烘烤时间;通过数值模拟得到了烘烤保温过程中的应力、变形和稳态热分布,并依此估算了烘烤功率和加热带的功率输入密度。其研究结果满足工程实际应用,证明了烘烤方案的可行性。     

烘烤工况下的ITER中子屏蔽块整体结构分析

中子屏蔽块分布于国际热核聚变实验堆(ITER)超导托卡马克真空室双层壳体内部,由多个组件装配而成,用于屏蔽核聚变产生的中子。在烘烤工况下,承受螺栓预紧力作用的中子屏蔽块受200℃烘烤温度的影响,产生热应力。为校核在烘烤温度下中子屏蔽块的应力强度,本文采用ANSYS软件对其整个装配体进行整体结构分析。分析中将螺栓预紧力导致的模型位移作为边界条件,分预紧力载荷、温度载荷、重力载荷等载荷步进行热-结构耦合分析,分析结果按照ASME评定标准可以表明,中子屏蔽块各组件的最大应力强度在许用应力之内,满足结构强度要求。该分析的类型是典型的多接触高度非线性分析,对模型网格化和接触对设置的质量要求较高,处理不当会导致分析计算不收敛,同时该分析能正确地反映各结构件之间的实际连接关系,避免零件单独分析时用刚性连接代替弹性连接的状况。该分析方法为承受预紧力的复杂模型进行接触和耦合分析提供参考。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

热声载荷作用下金属薄壁结构的振动响应与试验验证EI北大核心CSCD

针对航空航天薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应问题,基于声振耦合理论,采用耦合的有限元/边界元法对四边固支高温合金矩形薄壁结构进行了动力学响应计算。重点研究了薄壁结构在行波加载与扩散场加载条件下的振动应力/应变响应规律,讨论了温升对结构振动响应的影响规律,分析了薄壁结构热屈曲(Thermal-buckling)和跳变(Snap-through)响应特性。通过将薄壁结构在不同温度条件下的振动模态以及动态应变响应的仿真结果与热环境下的声激振试验结果进行对比,表明计算的基频量值及随温度的变化关系与试验结果获得较好的一致性,计算的应变响应与试验测试结果量值相当,验证了热声响应计算方法与模型的有效性。该研究提出的金属薄壁结构在热声载荷作用下的非线性振动响应计算方法及分析结论对进一步开展热声疲劳寿命预测及动强度设计提供依据。     

随机声载荷作用下的复杂薄壁结构Von Mises应力概率分布研究

随机声载荷作用下的某些复杂薄壁结构的振动疲劳属于多轴疲劳,Von Mises 应力准则是多轴疲劳损伤分析的一条有效途径。本文通过对有限带宽高斯白噪声载荷作用下结构Von Mises应力概率分布研究,分析提出Von Mises应力服从双参数Weibull分布或Lognormal分布,并且给出了估算这两种概率分布参数的方法,进而得到了Von Mises应力峰值概率密度函数,从而为结构的疲劳损伤寿命估算提供依据。在工程应用中采用耦合的有限元和边界元方法计算了某型航空发动机燃烧室火焰筒薄壁结构在随机声载荷作用下的振动应力响应功率谱密度,着重分析了Von Mises应力响应的概率分布特征,并对分析结果采用Kolmogorov-Smirnov (K-S)检验进行了比较验证。     

基于ANSYS Workbench的薄壁二极铁真空室优化设计

薄壁二极铁真空室由于其特殊的作用被应用在HIAF装置的部分位置, 由于真空室的壁非常薄, 在抽真空状态下易变形, 因此对其进行有限元分析明确其在抽真空状态下的应力、变形情况很有必要。本文利用ANSYS Workbench对薄壁二极铁真空室进行结构静力分析, 在静力分析的基础上对真空室进行多目标优化及结构优化得到了最佳设计点和可以减少的质量, 为薄壁二极铁真空室的后续设计提供一定的参考。     

矩形大开孔薄壁圆筒真空室的强度及屈曲分析

本文运用三维有限元分析方法，对薄壁圆筒真空室上有大面积矩形开孔和接管的一类真空室进行了应力分析，并依据第三强度理论给出了应力及变形情况。此外，本文还应用特征值法对真空室进行了屈曲分析，得到了其一阶临界载荷和波形。结果表明真空室在承受工作载荷条件下满足强度和稳定性要求。     

低温容器支承结构的装配状态对支承功能的影响

对满载液氧的35立方米高真空多层绝热低温容器的支承结构在不同接触状态下进行热-结构耦合分析,得到该容器漏热量的分布范围和支承件上的温度分布,以及温度载荷和冲击载荷共同作用下支承件各方向应力、位移分布,分析了不同装配状态下玻璃钢支承件和外罐接触界面之间间隙的变化情况和各方向应力分布情况。     

带有温度梯度的热载荷与声载荷作用下薄板动态响应

随着先进飞行器性能的提高,它们面临着日益严峻的热、噪声、机械载荷等,在这些复杂载荷的作用下,会引发非线性振动特性。特别是高超飞行器的气动加热引起的高温直接影响材料的选择并且显著地改变结构的设计实践,所形成的热梯度与内部热膨胀也会使结构产生热屈曲现象。考虑到热声载荷的影响,针对带有温度梯度的热载荷与随机声载荷作用下四边简支板振动特性进行了研究。通过各向同性矩形薄壁结构在热声载荷作用下的大挠度非线性控制方程,导出了四边简支板的模态频率以及温度梯度作用下的热屈曲温度差。采用有限元数值计算方法计算了热声载荷作用下简支板热屈曲前后的动态应力响应,并对应力的概率密度、功率谱密度、有效值进行了详细的统计分析。     

基于热-力耦合模型的纤维丝束带铺放残余应力的模拟及实验研究

采用有限元分析计算和实验测试2种方法,在热-力耦合载荷作用下,对纤维丝束带铺放成型时的残余应力进行了研究。首先,建立纤维丝束带铺放的热-力耦合模型,利用有限元分析研究了不同温度和压力参数条件下纤维丝束带铺放残余应力的模拟结果。其次,对结果进行分析比较得到各个因素对纤维丝束带铺放残余应力的基本影响规律;最后进行不同温度和压力等铺放参数对纤维丝束带铺放成型时残余应力影响的实验测试研究,以验证热-力耦合有限元模型计算结果的正确性。结果表明:2种方法得到的残余应力分布基本一致,只是残余应力的最大值之间存在着差别。      

HL-2A托卡马克真空烘烤除气性能研究

120℃过热水循环系统对HL-2A主机真空室进行烘烤除气,温升梯度为±1.5℃,持续时间302 h。烘烤过程包含两个恒温阶段,90℃热平衡后真空度达到4.8×10-4Pa,120℃热平衡后真空度达到2.3×10-4Pa。真空室经过烘烤除气后真空度为2.2×10-5Pa。结合实验数据,通过拟合函数建立数学模型对真空度变化规律进行趋势分析,验证了过热水烘烤除气在HL-2A装置真空系统运行中的合理性和重要性,为300℃以上高温烘烤除气方案的制定提供依据。     

基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法研究

针对航空发动机燃烧室火焰筒结构的声疲劳问题,研究了一种用于随机载荷下结构疲劳寿命预估的有效方法。首先,对薄壁结构在随机载荷作用下的Von Mises应力过程的概率分布作了研究,给出了应力峰值概率密度函数的表达式。基于Miner线性理论,提出了基于应力概率密度和功率谱密度法的随机声疲劳寿命预估方法,并建立了疲劳寿命预估模型。以某型航空发动机燃烧室火焰筒结构为例,在采用耦合的有限元和边界元方法计算出随机声疲劳应力基础上,应用所建立的模型进行了疲劳寿命估算,并对计算结果进行了宽带修正。结果表明,该方法对航空薄壁结构随机疲劳寿命分析具有实用性。     

基于流固耦合的离心泵启动过程瞬态叶片动应力特性

为研究离心泵启动过程的叶片的应力和变形情况,针对IS65-50-160的离心泵启动过程瞬态内部流场和结构场进行了双向流固耦合联合求解。其中流场计算基于RANS方程与SST湍流模型;结构场计算基于弹性体结构动力学方程;对叶轮叶片在双向流固耦合作用下的变形和应力分布进行了计算,获得了离心泵启动过程中瞬时效应对叶片应力和应变的影响规律。研究结果表明:叶片的最大等效应力和应变呈振荡上升趋势,振动强度先减小后增大;在离心泵启动过程中,叶片进口与后盖板的交界处出现应力集中,叶片的变形量从后盖板到前盖板呈递增的趋势;叶片的最大等效应力和应变量都大于稳态工况下的最大等效应力和应变量。     

热声载荷下C/SiC薄壁层合板结构动力学响应计算与寿命分析

高超音速飞行器薄壁结构在工作环境下承受着复杂的高温强噪声载荷，高温会使材料性能发生变化，导致局部区域出现热声疲劳破坏，影响结构的耐久性和完整性。针对此类问题，基于薄壁结构大挠度非线性振动理论，构建热声载荷下四边固支C/SiC薄壁层合板结构的数值仿真模型，并对其进行了动力学响应计算，研究了不同热声载荷组合下的振动响应规律，并采用线性累计损伤理论对结构进行疲劳寿命的预估和分析。结果表明，热声载荷对碳/碳化硅薄壁层合板的非线性响应影响不同，热载荷通过改变结构基频来影响结构非线性响应。四边固支C/SiC薄壁层合板在热声载荷作用下表现出非线性随机振动特性，并且呈现在平衡位置随机振动、随机跳变等多种运动状态，跳变运动给结构造成更大的的损伤更大。     

铝合金薄壁构件应力继承机制与分布特征研究

为获得厚板-薄壁构件成形过程中应力演变对变形的影响规律,运用铣削加工有限元应力仿真和实验应力测试技术,研究了厚板到薄壁构件阶段应力演变的规律,阐述了应力分布特征.结果表明:薄壁件应力特征分为两部分,一部分以构件变形机制驱动的继承了原有应力分布特征的底部应力场,另一部分则是可进行变形控制的对原有应力分布兼有继承和释放效果的薄壁应力场;加工应力固然影响构件变形,但初始应力和构件形状分布对其影响更显著,并在此基础上提出了薄壁构件变形的控制策略.     

含半椭圆表面裂纹圆柱壳体的三维热弹性动态断裂

研究了含轴向半椭圆表面裂纹的圆柱壳体在热应力与冲击载荷作用下的动态断裂情况,并应用所研制的三维动态断裂有限元程序进行了大规模的数值计算,确定了圆柱壳体的三维温度分布及热-力耦合下的动态应力强度因子,所得结果在一定程度上揭示了热-力作用下圆柱壳体的边界表面、裂纹面、物质惯性和弹性波的相互作用在结构动态断裂中的重要性。     

铝合金薄壁框架件加工变形的应力分布研究

7075航空铝合金薄壁框架件加工变形的预测是构件形变控制领域的技术难题,掌握铝合金薄壁框架件上的加工应力分布对预测构件变形有着重要的作用.本文运用弹性力学理论,在实验基础上,利用层削法和X射线衍射应力测试技术,建立了薄壁框架件的应力与弯曲变形的力学模型.模型反映了加工应力和初始应力对构件实际变形的影响机制,在此基础上,再通过数学解析方法,以这两种应力场分布为主变量,构建了薄壁框架构件应力与变形的函数,完成了对构件最大变形挠度的计算.通过比较实验所测构件变形值与计算得到的变形结果发现:构件实际测量最大变形量基本处于数学解析函数计算变形区间内,数据偏差在20~50μm.研究结果表明:在已知初始应力、结构尺寸、加工参数条件下,解析函数能有效地预测出薄壁框架件加工后的变形,可为薄壁构件加工变形控制提供工艺指导.     

SiCp/Al复合材料薄壁回转体变形的仿真分析

运用有限元仿真软件ABAQUS对体积分数为56%的SiCp/Al复合材料薄壁回转体在静载荷作用下的应力、变形及应变进行了仿真研究,研究了载荷施加位置、外径和壁厚对SiCp/Al复合材料圆筒薄壁件的应力、变形及应变的影响规律。结果表明:在其他条件一致的情况下,回转体的外径越小、壁厚越大、受力点距离施加全约束的一端越近,回转体受到外载荷引起的最大应力、最大变形及最大应变越小。薄壁回转体工件的壁厚对工件最大应力、最大变形及最大应变的影响最为显著。当壁厚增加到1mm以上时,最大应力、最大变形及最大应变的变化不明显。     

薄壁板在随机声载荷作用下的振动响应谱估算

针对飞行器薄壁结构声疲劳问题，研究了具有多模态的薄壁板结构在声载荷作用下振动响应谱的估算方法。基于正交模态法，采用结合受纳函数描述结构模态和声场空间压力分布的耦合关系，建立动态响应计算模型。为与试验结果进行对比，选取具有固支边界的金属薄壁板作为研究对象，以试验测得的噪声载荷作输入，计算了该结构的振动响应谱，估算了均方应力，并将计算结果与试验数据进行比较和讨论。     

基于热固耦合的双螺杆挤压机机筒有限元分析

目的 研究双螺杆挤压机在食品加工过程中出现卡顿、抱死的原因,为双螺杆挤压机设计及应用提供理论指导。方法 应用ABAQUS软件构建双螺杆挤压机仿真模型,通过传感器反馈的温度值设定温度载荷,同时以双螺杆挤压机运转时的低压工况、正常工况、极限工况分别设定压力载荷,运用热固耦合理论对机筒的温度分布、应力和变形进行仿真分析。结果 在最大温度工况条件下,机筒轴向热变形量为2.356 mm,总热变形量为2.358 mm,x方向上的热变形量为0.1324 mm,y方向上的热变形量为0.1592mm;在最大温度工况和极限压力耦合作用下,机筒总变形量为2.088 mm。温度引起的热膨胀是机筒变形的主要原因,机筒的轴向热变形量与总热变形量相当,并且远大于其他两方向的热变形量;与常温环境相比,在加热温度工况条件下机筒的变形量随着压力的增大而减小。结论 要充分考虑温度对挤压机性能的影响,应用过程中要合理的设置温度参数。