几何非线性假设下温度大范围变化瞬态热力耦合问题研究

传统的基于几何非线性假设的瞬态热力耦合计算方法由于忽略了几何非线性对耦合项的影响,在温度随时间剧烈变化的情况下结构传热与变形之间存在的耦合关系不能被真实的反映。针对上述问题,采用Galerkin和Newmark算法建立了一种能够在几何非线性假设下精确反映温度剧烈变化情况下结构传热与变形间耦合效应的瞬态热力耦合有限元方法。通过对各向正交异性材料薄板在热环境下的动力学问题的求解验证了该方法的准确性,并基于该方法对某型高超声速飞行器热防护系统的蜂窝结构进行了瞬态热力耦合计算。结果表明：热力耦合项使温度变化产生很小的波动,导致温度变化率发生震荡,其振动幅值与耦合项相关;热力耦合项对结构振动起到衰减作用,使结构形变速度趋于衰减,其衰减程度与结构温度成正比;几何非线性假设对增大结构温度变化率振幅作用显著,并且能够增大结构振动速度,影响热结构变形大小。     

聚乙烯准静态拉伸下的热力耦合特性

结合材料试验机和高速红外热像仪进行聚乙烯的准静态单轴拉伸和同步测温实验,获得了材料的真实应力-应变和表面温升-应变曲线。实验结果表明,聚乙烯是应变率敏感材料,其屈服应力随着应变率的提高而增大。聚乙烯变形的弹性阶段出现"热弹转变现象",试件温度较环境温度略有下降;塑性阶段由于外加塑性功的耗散效应,温度转而上升。通过Kelvin公式的计算验证了红外测温方法的可行性与准确性,说明红外热像仪与通用材料试验机的结合能有效地对高聚物的热力耦合行为进行分析。     

国家大剧院壳体钢结构火灾危险性研究

研究火灾烟气对国家大剧院壳体钢结构的影响。运用场模拟和经验公式相结合的方法，计算了火灾时公共大厅的温度场分布，验算钢结构的温度低于250℃时，不会被火灾破坏。     

火灾高温作用下钢结构倒塌分析

为了研究结构在油气火灾条件下的连续倒塌行为,该文采用碳氢化合物燃烧的升温曲线,通过显式动力分析,对三层抗弯钢框架的完整失效过程进行了分析。给出了结构内部不同位置处构件内力、变形等随温度的变化情况。同时,采用标准升温曲线对结构进行加热,对比分析不同升温速度和最高温度对结构火灾行为产生的影响。分析结果表明,初始升温速率越快,达到的温度越高,结构就会越快的进入到失效状态,在分析研究中应注意对这两个因素加以考虑。     

高层建筑火灾污染物下风向扩散规律研究

利用FDS软件建立模型,设置不同的火灾场景,研究风速对高层建筑火灾污染物下风向扩散的影响规律.实验测定了不同场景中烟气扩散、能见度、温度以及烟气运动速度的变化情况.结果表明,风速小于临界速度(临界速度约为10m/s)时,对下风向建筑的影响较小;风速大于临界速度,随着风速的增大,烟气接近下风向墙面并沿着下风向建筑墙面向下运动,下风向建筑附近能见度降低,温度未见变化.     

汽车空调橡胶管在热力耦合作用下的强度分析

本文以某型汽车空调橡胶管为研究对象,利用三维建模软件UG和有限元前处理软件Hypermesh建立了橡胶管的有限元模型,通过试验模态方法验证了有限元模型建立的准确性。利用有限元软件Abaqus分析了橡胶管在承受高温高压双重作用下的强度特性。研究结果表明,橡胶管在热力耦合工况下的受载未超出材料的屈服极限,并且考虑温度影响下的橡胶管的强度特性更加符合实际工作情况。本文选题来自企业工程项目,研究成果具有实际工程意义。     

304不锈钢管TIG焊接头凝固行为及热力耦合研究

目的 对2mm厚不锈钢管的焊接工艺参数进行优化,并基于模拟仿真软件对接头的热应力场进行模拟,以解决薄壁管件接头应力测试不方便的问题。方法 以TIG焊对2 mm不锈钢管进行焊接,通过对接头宏观形貌、微观组织、显微硬度等结果进行优化进而得到最佳焊接工艺参数,采用双椭球热源和温度-位移耦合方法结合最优工艺参数进行数值模拟。结果 当焊接电流为150 A、焊接速度为66 cm/min时,焊接接头全部熔透,且正面及背面焊道均匀致密,成形良好。焊缝中心上部区域和下部区域均呈现等轴晶形貌,下部区域尺寸较上部区域尺寸略大,熔合线附近为柱状晶组织。焊接接头显微硬度整体分布呈现U形,其中热影响区显微硬度（197HV）大于焊缝区域硬度（162HV）,熔合线附近显微硬度达到最低值（145HV）。模拟结果显示,在焊接过程中,当纵向残余应力从母材向焊缝中心过渡时,由压应力逐步转化为拉应力;焊缝中心横向应力呈现为压应力,向两侧母材过渡时应力值逐渐趋近于0,径向应力值变化幅度较小,模拟数据变化趋势与实测数据变化趋势接近。     

高强钢板热冲压成形热力耦合数值模拟

为研究高强钢板的热冲压成形性,采用ABAQUS软件对高温下22MnB5高强钢板沟槽形件冲压成形进行了数值模拟研究.建立了基于热力耦合的弹塑性有限元模型和热成形下的材料模型,通过对沟槽形件热成形进行数值模拟,考察了压边力、模具间隙和凹模圆角半径等工艺参数对热成形时温度分布和回弹的影响,给出了热成形中产生回弹的机理,确定了合适的工艺参数,通过热成形试验验证了数值结果的可靠性.     

异型坯结晶器与铸坯热力耦合数值模拟

为研究异型坯连铸结晶器内铸坯凝固和变形过程,采用ABAQUS软件建立了异型坯连铸结晶器和铸坯的二维瞬态热力耦合有限元模型,编制ABAQUS用户自定义子程序GAPCON实现结晶器内壁和铸坯之间的传热模拟.计算模型中考虑了铸坯的凝固和热变形、气隙对传热的影响以及铸坯与结晶器之间的接触应力.分别对2种不同水缝设计结晶器进行了数值模拟,数值分析结果表明,小孔水缝设计的结晶器温度峰值较低、热面温度分布更均匀,因而比大孔水缝设计结晶器具有更长的使用寿命和更优的铸坯质量,这一结论与现场试验结果一致.     

钢管穿轧过程的三维热力耦合模拟

描述了使用有限元方法(FEM)模拟钢管在曼内斯曼式穿轧机上的穿孔过程,建立了三维有限元模型,并考虑了在金属成形过程中出现的热力学现象。模拟的结果动态地显示了在工件内部等效应变、等效应变率和温度的分布。基于这些参数,分析了钢管的穿孔过程,同时通过实验测试与有限元模拟的结果进行对比。结果表明,测试的结果与有限元模拟的结果比较吻合。     

火灾场冲击波荷载作用下简支钢梁动力响应

根据火灾场不同时刻温度的变化,考虑火灾高温对结构钢弹性模量、屈服强度和钢梁塑性弯矩的影响,分析了火灾场中冲击波荷载作用下简支钢梁各个阶段不同时刻的动力响应,通过具体算例计算了火灾场工字形简支钢梁在冲击波荷载作用下弹性阶段和塑性阶段的变形,分析表明在计算火灾场冲击波荷载作用下简支钢梁的动力响应时,火灾高温对结构钢的弹性模量、屈服强度以及梁的塑性弯矩和动力响应有显著的影响。     

整体结构中两跨钢梁火灾变形性能的试验研究

为研究整体结构中钢梁的抗火性能,利用自行研制的试验炉和相关测试装置,对三层三跨足尺钢框架楼中三层顶一两跨连续梁进行受火试验研究,试验中钢梁受火,钢柱和节点不受火。试验量测了炉体内烟气温度、钢梁和混凝土楼板四等分点处截面沿厚度不同点的温度场、位于炉体外钢梁接点温度、钢梁和楼板四等分点处的竖向变形。结果表明:未进行防火保护的钢梁温度与烟气温度基本一致;升温阶段混凝土板温度滞后于钢梁的温度,停止升温后钢梁温度迅速降低,混凝土板温度仍会升高直至两者温度趋于一致。在整个试验过程中,沿混凝土板截面高度存在较大温度梯度;整体结构中未进行防火保护的钢梁具有很好的变形性能,可以考虑减少防火保护;不同位置的构件由于受到相临构件的约束程度不同,在火灾中的变形性能不同,在抗火设计时应进行区别对待;钢柱虽不受火,在整个试验过程中产生轴向膨胀。     

基于能量的局部火灾引起钢结构连续倒塌简化分析方法

为研究局部火灾引起多高层钢结构倒塌的破坏机理以及多高层钢结构在火灾下的抗倒塌性能,基于结构初始倒塌破坏机制,建立了单柱受火的火灾引起多高层钢结构倒塌分析的单自由度简化分析模型,模型将受火柱上部结构简化为三折线弹塑性弹簧模型,将受火柱简化为集中塑性铰模型,并推导了基于能量的结构反应计算公式,建立了能量的计算方法。最后通过整体结构的数值对比分析,验证了此方法用于火灾引起钢结构连续倒塌分析与计算的合理性与可行性。     

基于多尺度建模的钢管混凝土组合框架耐火性能数值模拟

钢管混凝土组合框架在局部火灾作用下可能会出现由于受火柱破坏而引发的结构连续性倒塌破坏。在合理选取钢材与混凝土的热-力本构模型的基础上,合理选取了组合框架中梁柱构件单元模型及其相互作用模型,基于ABAQUS软件用多尺度建模方法建立了局部火灾作用下三层三跨钢管混凝土平面组合框架的数值模型,对4种典型火灾工况下结构整体变形、内力分布、破坏机制等进行了分析研究,并在此基础上进行了不同火灾工况下组合框架的耐火极限计算。结果表明:框架中间层受火时,由于周围构件的约束作用明显而使得其耐火极限最大。     

钢索在火灾升温历程中瞬态张力的解析计算方法

该文根据常温下单索的基本平衡微分方程,建立了钢索在高温材性非线性衰减、非线性热应变以及几何形变耦合状态下的微分方程组;分别求解出受均布荷载和集中荷载作用的钢索,在均匀和非均匀温度场中其水平张力的非线性瞬时计算式,并提出了判断钢索高温极限承载力的力学计算方法;同时用解析计算方法验证了基于非线性有限元方法建立的单索热力耦合计算模型的精确性,为进一步研究索网结构的整体抗火性能奠定了理论 基础。     

考虑系缆拉伸-弯曲-扭转变形的浮式风力机动力响应研究

考虑系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形产生的非线性系泊力,研究海上浮式风力机系统的动力响应。考虑系缆非线性几何变形,建立系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形的动力学分析模型。建模过程中,采用了四元数方法进行局部坐标系与全局坐标系之间的旋转,避免了旋转过程中奇点的产生。综合考虑系缆非线性系泊力、水动力、空气动力及风力机结构系统,建立了系统动力学分析模型,开发了考虑系泊系统非线性系泊力的系统动力响应计算程序。针对OC3 Hywind Spar型5 MW浮式风力机,分析额定作业海况与极限海况下风力机系统的动力响应,并将结果与系泊系统采用准静态悬链线方法的模拟结果进行了对比。结果表明,考虑拉伸-弯曲-扭转变形效应后,系泊缆张力的波频响应被放大,同时还出现了多个高频峰值,将对系泊缆的疲劳寿命计算产生影响。     

钢结构火灾反应相似模型及试验研究与分析

为采用缩尺模型研究火灾下整体钢结构的火灾反应,首先基于火场相似关系以及热传导分析理论推导了钢结构火灾反应相似关系模型,其次根据建立的火场与结构相似关系模型分别设计了1/4和1/8缩尺火场试验模型与钢框架结构试验模型,并对其进行了缩尺火灾试验研究,对比分析了空气温度、结构温度、结构变形与结构破坏规律。结果表明：烟气温度、结构温度、结构变形表明结构火灾反应相似模型具有较好的合理性和准确性,承载力与稳定性也满足相似模型;温度相似比为1以及相同的火场和结构时间相似比可以简化相似模型;缩尺模型试验需要严格控制火场维护结构的变形以及外界通风条件,才能保证结构在高温破坏阶段后的相似性。     

弹性轴向约束平面钢梁火灾下非线性分析的弧线坐标法

以变形后构件的弧线长度和截面转角为基本未知量,提出了一种火灾升温下弹性轴向约束平面钢梁的非线性分析方法。以节点的内力和外力平衡为条件建立基本方程,可方便考虑几何非线性和材料的非线性。节点仅包含弧线长度和截面转角两个自由度,计算效率优于常规有限元法的梁单元。以承受均布荷载的梁为例,分析了荷载、轴向约束刚度、沿截面和纵向不均匀分布温度的影响,给出了梁跨中的挠度、轴力和弯矩随温度的变化关系,并分析了在不同温度下跨中截面应变和应力的分布。算例表明,该方法有足够的精度。     

钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响研究

“9·11”事件发生后,火灾下钢结构倒塌研究得到了世界各国学者的广泛关注。钢材的物理、力学性能在高温下会显著降低,从而钢结构极易发生倒塌。因此,该文基于平面钢框架在单柱受火条件下的倒塌试验,应用大型商业有限元软件ABAQUS的显式动力分析模块,并采用梁单元对试验进行数值模拟,重点研究了钢材高温材性模型对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响,提出了适用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的钢材高温应力-应变本构模型和热膨胀系数模型的建议。该文列举了常用的三种高温应力-应变本构模型,同时考虑应变率效应的影响,通过模拟结果与试验结果的差异对比,分析了各个模型应用于火灾下钢框架结构倒塌模拟的有效性。理想高温应力-应变本构模型,会导致临界温度与失效模式模拟不准确,应用存在一定局限性;EC3高温应力-应变本构模型可较为准确地模拟准静态失效模式,但对于动力失效模式的模拟存在一定局限性;因此,对于准静态失效模式倒塌模拟,建议采用EC3或改进的EC3高温应力-应变本构模型;对于动力失效模式的倒塌模拟,建议采用改进的EC3高温应力-应变本构模型,并采用应变率效应增大系数（DIF）的方法以考虑应变率效应的影响。此外,通过四种钢材热膨胀系数模型的对比,进一步研究了钢材“相位变换”现象对火灾下钢框架结构倒塌模拟的影响。结果表明,虽然欧洲规范EC3给出了精细的热膨胀系数模型,但采用GB 51249取值的计算结果与试验符合更好,建议采用中国规范GB 51249的相关规定。     

基于格子Boltzmann方法非饱和土体水热耦合模型研究

考虑热源作用下非饱和土体水热耦合作用机制,基于格子Boltzmann方法,采用双分布函数分别描述温度场及水分场的演化过程,建立了相应的水热耦合模型。同时,编制了计算程序,并结合半无限空间的水热耦合算例,验证了该计算模型的正确性。最后考虑水热耦合作用模式、热源温度以及土体孔隙率等因素的影响,讨论了非饱和土体温度场及水分场的演化规律。研究结果表明：传统的单向耦合模式无法表征水分迁移对土体导热特性的影响,从而导致温度场的演化规律有所偏差,而所提出的双向耦合模式更具合理性。在恒温热源作用下,不同热源温度对土体温度场及水分场的演化均会产生较大影响,且在非饱和土体温度升高速率较快的位置,体积含水率也相应的变化较快。在相同热源作用下,当初始体积含水率一定时,孔隙率较小的土体,温度升高速度较快,但总体差别不大,从而使得体积含水率分布也较为接近。