[110]方向作用下单晶镍基高温合金γ′相定向筏化的有限元分析

采用三维各向异性有限单元法分析了外载荷沿[110]方向作用时,镍基高温合金单晶的von Mises应力分布特征.von Mises应力的不对称性可以用来预测正错配或副错配合金的筏化形貌.同时运用原子扩散的原理详细地讨论了定向筏化原因.     

镍基高温合金定向粗化行为的有限元分析

镍基高温合金广泛应用于燃气轮机的叶片、涡轮盘和燃烧室等高温部件．针对镍基单晶高温合金的服役条件和结构特点,采用有限元方法建立数学模型,有限元分析时用热膨胀系数代替正负错配的选择,用柔度矩阵的计算表达单元各向异性,并计算静水压力（hydrostatic pressure）及等效应力（von Mises stress）分布,研究负错配的情况下镍基高温合金在[111]取向上受载时γ’颗粒的定向粗化行为,结果表明γ’颗粒的粗化方向及形态依赖于应力轴取向．     

镍基单晶合金[011]取向γ′相筏形化的有限元分析

研究1 040℃、137 MPa拉伸蠕变期间[011]取向镍基单晶高温合金中γ′相的演化方式.采用三维有限元方法计算单晶合金在有/无外加载荷时von Mises应力及弹性应变能密度在γ和γ′两相中的分布.结果表明:沿[011]取向施加拉伸应力时,(001)晶面的von Mises应力远大于(001)晶面的Von Mises应力,3个晶面的应变能密度差异驱动γ′相形成元素从变形较大的(001)晶面向变形较小的(010)和(100)晶面扩散,而γ相形成元素反向扩散,导致γ′相沿[010]和[100]取向扩散生长,形成垂直于[001]方向且与应力轴倾斜成45°角的层片状筏形组织.     

单晶镍基合金[001]取向拉伸蠕变期间的有限元分析

通过[001]取向的镍基单晶合金拉伸蠕变期间的组织形貌观察,确定合金的组织演化特征;采用三维应力应变有限元方法计算立方γ/γ′两相共格界面的von Mises应力分布,研究施加应力对合金中γ/γ′两相应力分布及γ′相定向粗化规律的影响.结果表明:施加拉应力可改变立方γ/γ′两相的应力分布,使不同晶面发生晶格收缩与扩张应变,其中,(100)和(010)晶面沿平行于应力轴方向产生晶格扩张应变,可诱捕较大半径的Al、Ti原子,是使其γ′相沿扩张晶格的法线定向生长成为类似筛网层状结构的组织演化规律.并进一步提出拉应力蠕变期间,发生元素扩散和γ′相定向生长的驱动力.     

纳米圆柱体与平面粘着接触的分子动力学模拟

用分子动力学方法模拟了不同半径的刚性圆柱体压头与弹性基体的粘着接触过程。给出了接触力、静态结构因子及压头与基体最小间隙随压头位移的变化关系,以及接触区域的von Mises应力分布。结果表明,在突跳接触与接触分离时,随着压头尺寸的增大,粘着滞后现象越明显。高应力区出现在接触区域两边,且当压头半径减小时,von Mises应力随着压入深度的增大而迅速增大,说明粘着力对小尺寸压头的接触过程影响较大。     

HGIS模块化装配式混凝土蜂窝型基础设计及有限元分析

基于HGIS设备的特点和目前GIS设备装配式基础的研究成果,提出HGIS模块化装配式混凝土蜂窝型基础,由装配式筏板和预制支墩现场通过螺栓组装而成。以220 kV变电站为例,给出HGIS模块化装配式混凝土蜂窝型基础初步设计方案。采用ABAQUS软件对基础的装配式筏板进行了有限元分析,结果表明：装配式筏板混凝土的最大主拉、主压应力均位于螺栓节点附近,筏板混凝土、连接螺栓和钢筋的最大主拉应力、主压应力和Mises应力均小于标准值,沉降差也在许可范围内,可以在工程中试用。     

Cosserat连续介质的Mohr-Coulomb屈服准则及其应用

Cosserat连续介质下的应力、应变张量具有不对称性,经典连续介质的屈服准则无法直接用于Cosserat连续介质. 将应变、应力张量分解为对称和反对称两部分,修正了经典连续介质下三个应力不变量的表达式,建立适用于Cosserat连续介质弹塑性有限元分析的Mohr-Coulomb屈服准则,给出了Cosserat连续介质下von Mises、Tresca和Drucker-Prager屈服准则的表达式. 自然边坡数值算例表明了修正Mohr-Coulomb屈服准则的有效性,验证了Cosserat连续介质理论通过引入材料特征长度可以解决经典连续介质理论分析应变局部化问题时遇到的网格敏感性问题.     

温度对考虑黏弹性的钢-橡胶对滚结构动态力学特性的影响

为研究温度对考虑黏弹性的钢-橡胶对滚结构的动态力学特性的影响,通过钢-橡胶对滚结构实验平台进行钢-橡胶对滚结构动态力学特性实验,测得在连续转动过程中橡胶辊的温度变化以及压深变形量、接触宽度等,分析温度对橡胶辊压深变形量及接触宽度的影响.采用与实验平台橡胶辊相同材料的圆盘形试样进行动态热分析实验,得到不同温度下的橡胶应力松弛曲线以及不同频率下的损耗因子;基于此实验数据,对橡胶材料进行本构模型参数辨识,得到不同温度下超弹、黏弹参数;最后对钢-橡胶对滚结构进行不同温度下的瞬态动力学仿真,讨论橡胶辊的黏弹性强弱与温度的关系,分析不同温度下橡胶辊的压深变形量、接触宽度、von Mises应力应变、接触压力以及接触刚度等特性.结果表明:橡胶辊的黏弹性程度随温度的升高而减弱;温度对橡胶辊动态力学特性的显著影响表现在von Mises应力、接触压力及接触刚度随温度的升高而减小,von Mises应变、压深变形量及接触宽度随温度的升高而增大.     

Re对镍基合金晶格错配度的影响

通过对不同Re含量镍基合金进行室温、高温X射线衍射谱线测定及持久性能测定,研究了Re含量及温度对镍基合金中γ、γ两相晶格错配度及持久寿命的影响规律．结果表明：随Re含量增加,合金中γ、γ两相的晶格常数增大,两相界面的晶格错配度及错配应力减小,致使蠕变期间合金中γ相的筏形化速率降低,并可较大幅度地提高合金在高温区间的持久寿命．与Y有序相比较,无序的γ相原子结合力较弱,且热容较大,致使其有较大的膨胀系数,故随温度提高,合金中两相的晶格错配度绝对值增大．合金中γ、γ两相的晶格常数、热膨胀系数随温度变化服从指数规律;在试验的温度范围内,提出的数学表达式在高温区间,可较好地模拟γ、γ两相的膨张特性．     

枝晶间距对镍基单晶合金蠕变性能的影响

为了研究枝晶间距对镍基单晶合金组织与蠕变性能的影响,采用不同抽拉速率制备出两种不同枝晶间距的单晶镍基合金.通过蠕变性能测试及组织形貌观察,研究了枝晶间距对合金成分偏析及蠕变性能的影响.结果表明,随着合金枝晶间距的减小,元素成分偏析程度降低,且在相同热处理条件下,枝晶间距较小的合金具有较好的蠕变性能.合金在稳态蠕变期间的变形机制是位错攀移越过筏状γ′相,而蠕变后期的变形机制是位错在基体中滑移和切入筏状γ′相.蠕变断裂后,在试样不同区域筏状γ′相具有不同的形貌,在远离断口区域,筏状γ′相与应力轴方向垂直,而在近断口区域,筏状γ′相尺寸及扭曲程度均增加.     

自锚式悬索桥主缆锚固区空间应力分析

目的对典型的锚固区局部节段进行分析,以解决自锚式悬索桥主缆锚固区结构复杂,平面杆系程序无法把握锚固区复杂受力状态的问题,为桥梁设计和施工提供参考依据．方法运用MIDAS／FEA建立浑河景观桥锚固区局部有限元模型,分析最不利索力设计值下的局部应力状态及不同荷载下的极限承载力．结果锚固区在主缆索力T=50000kN作用下,产生的最大位移为4．91mm;锚垫板的索孔周围的von Mises应力在110MPa左右．随着荷载的增加,锚固区von Mises应力不断增大．当索力为设计荷载的3．5倍时,锚固区各板件的应力均达到了468MPa以上,位移最大值为24mm．结论主缆锚固区各构件的刚度和强度均满足要求,锚固区的极限承载力为设计荷载的3．5倍,结构的安全系数较高．     

三角型和圆型钢丝绳股弯曲性能有限元比较研究

基于绳股结构特点、钢丝材料弹塑性及钢丝间的摩擦接触等因素,对三角型及圆型钢丝绳股弯曲力学性能进行分析,建立了上述两种类型钢丝绳股的有限元计算模型,并对具有相同捻角及总钢丝截面积的两类绳股的弯曲力学性能进行了对比分析.结果表明:纯弯曲载荷作用下,三角型和圆型钢丝绳股均表现出弹塑性力学特征,且弯矩对曲率的响应存在滞后现象;二者抗弯刚度分别以0.2%/(°)和0.8%/(°)的速率随捻角的增大而减小,且分别以22.3%/mm和15.5%/mm的速率随侧丝直径的增大而增大;二者von Mises应力分别以0.9%/mm和0.6%/mm的速率随侧丝直径的增大而增大,二者塑性变形分别以5.8%/mm和2.3%/mm的速率随侧丝直径的增大而增大;三角股的抗弯刚度、von Mises应力、总变形和塑性变形分别约为圆股的88.0%,89.3%,67.9%和74.6%.     

股骨有限元建模及相应的生物力学分析

对建立的完整股骨三维有限元模型进行了有限元静态分析.选取新鲜猪股骨上3个点贴应变片,并获得实验应变值;然后用有限元法计算获得对应测试点的模拟应变值,并与实验数据进行了对照;最后进行了人体股骨三维有限元建模,获得了准静态下的应力分布.猪股骨有限元模型所得不同载荷下指定位置的模拟数据与实验数据吻合,建模的方法可信;所建人体股骨有限元模型通过模拟计算获得了不同载荷下股骨的von Mises(等效)应力.用灰度值与材料属性关系所建立的人体股骨有限元模型能模拟真实情况,可用于股骨治疗的临床模拟.     

316L不锈钢多轴载荷下弹塑性有限元分析

针对316L奥氏体不锈钢进行了一系列非比例载荷下应变控制低周疲劳试验.采用ANSYS软件进行模拟计算,材料弹塑性特性采用多线性随动硬化模型和von Mises屈服准则,分别采用单轴循环应力应变曲线和圆路径循环应力应变曲线来描述材料属性.在柱坐标系下进行分析,一端固定,另一端施加轴向及周向位移来实现拉扭应变加载.模拟结果表明:针对单轴路径模拟得到的应力与试验值相差仅为3.6%,扭转路径下差值为5.1%;而在比例路径和阶梯路径下,模拟得到正应力和剪应力与试验值的差约为12%及14%;虽然采用圆路径下循环应力应变关系表征材料属性,但该路径下最大应力误差达到了近12.9%及14.2%.     

单晶合金中孑L洞对蠕变行为的三维有限元模拟

通过对有/无缺陷单晶镍基合金蠕变性能测试、组织形貌观察及采用三维有限元对近孔洞区域的应力场分析,研究组织缺陷对单晶合金蠕变行为及组织演化的影响.结果表明:组织缺陷可明显降低单晶镍基合金的塑性和蠕变寿命.在高温蠕变期间,近孔洞区域的应力等值线具有磲形分布特征,并沿与施加应力轴成45°角方向有较大值,该应力分布特征可使合金中γ′相转变成与施加应力轴成45°角的筏状结构,并使圆形孔洞沿应力轴方向伸长成椭圆状.蠕变期间,在合金圆形孔洞缺陷的上、下区域具有较小的应力值,而在圆形孔洞的两侧极点处具有最大应力值;随蠕变时间延长,应力值增大,促使裂纹在该处萌生,并沿垂直于应力轴方向扩展,这是降低舍金蠕变寿命的主要原因.     

对称成分Zn-Al合金失稳分解组织的稳定性

利用光学显微镱、扫描电镜和透射电镜对Zn-38％Al（质量分数）二元合金300℃的失稳分解组织进行了研究．结果表明,对称成分Zn-Al二元合金的失稳分解组织呈筏状．且随着保温时间的延长,只发生连续粗化,而不发生不连续粗化,不同于Cu-Ni-Fe合金的失稳分解组织特征及演变过程．连续粗化组织中的fcc富zn相尺寸与时间的1／2次方成正比,意味着粗化过程是由体扩散控制．     

一种镍基单晶合金的拉伸蠕变特征

研究了[001]取向镍基单晶高温合金的高温拉伸蠕变性能,通过SEM、TEM观察分析了相的形貌演化及合金的变形机理．结果表明：在980～10200C／200～280MPa条件下蠕变曲线均由初始、稳态及加速蠕变阶段组成;在拉伸蠕变期间γ’强化相由初始的立方体形态演化为与应力轴垂直的N-型筏形状;初始阶段位错在基体的八面体滑移系中运动,稳态阶段不同柏氏矢量的位错相遇,发生反应形成位错网;蠕变末期,应力集中致使大量位错在位错网破损处切入筏状γ’相是合金发生蠕变断裂的主要原因．     

卡箍快开卧式深海模拟舱的径向密封结构及其密封可靠性评价

针对卡箍快开盖结构的卧式深海模拟舱在深海高背压环境下存在密封可靠性不足问题,提出了一种深海模拟舱O形圈径向密封结构,建立了该结构的非线性有限元模型. 通过O形圈的密封面接触应力与内部Von Mises应力评价该结构的密封可靠性,讨论了舱内介质压力、O形圈预压缩率、槽口倒圆、配合间隙对深海模拟舱密封性能的影响. 仿真结果表明:加压过程中接触应力峰区位置显著改变,舱内水压由0 MPa加至25 MPa时,橡胶圈形状及Von Mises应力分布急剧变化,由25 MPa加至45 MPa时,橡胶圈形状及Von Mises应力峰区位置基本不变,该结构能够实现45 MPa压力下的有效密封. 预压缩率的增加会显著增加主接触面密封带宽度,增大槽口倒圆有助于降低Von Mises应力,Von Mises应力峰值随配合间隙的增加先增大后减小,增大配合间隙有助于提高密封带宽度. 试验结果证明:当O形圈的预压缩率为10℅、槽口倒圆为0. 4 mm、配合间隙为0. 7 mm时,利用该密封结构所研制的深海高压舱在40、45、50 MPa水压时均能保证有效密封.     

Mg-Gd-Y合金中与β'相粗化相关的析出结构

为了研究Mg97Gd2Y1合金中β'相的粗化过程以及相关析出结构的形成和演变机制,使用原子分辨的高角度环形暗场-扫描透射电子显微镜(high angle annular dark field scanning transmission electron microscope,HAADF-STEM)成像技术表征了合金不同时效阶段形成的析出结构,并结合第一性原理计算的方法分析了它们的稳定性.结果表明,相关的β'F、βM和β"相主要在β'相粗化过程的早期形成,它们的形成与β'相相界面周围存在较高的错配应变场密切相关;随着β'相粗化过程的进行,βM和β"相的尺寸和数量逐渐减少,而由β'与β'F相交替组成的竹节状析出物增多,成为合金基体中主要的析出结构;当错配应变足够大时,β'F相内部出现位错,β相在位错处可以形核,并逐渐长大成为基体中主要的平衡析出结构.     

光滑薄壁管件的多轴循环弹塑性有限元分析

为数值模拟构件在多轴循环加载下的应力应变响应,利用ANSYS分析软件对承受高温2轴比例与非比例循环拉扭加载下的光滑薄壁管件进行了弹塑性有限元分析．分析模拟过程中,采用von Mises屈服准则、多线性随动强化准则和高温单轴循环加载的应力应变数据来描述材料高温弹塑性特性．采用柱坐标系下在试样一端加轴向位移和周向位移来实现拉扭应变加载．通过对光滑薄壁管件的后处理结果与试验比较表明,采用的循环弹塑性有限元分析得到的结果与试验结果相吻合．