工业设计中新材料与新工艺的应用分析

随着社会经济的高速发展以及城市化建设的持续深入,社会已经进入全新的发展阶段,这也为各大社会行业的发展起到了良好的促进作用,而站在工业领域发展的角度上来看,通过对各类新材料和新工艺的合理应用,不仅能够有效促进整体工业行业的稳定发展,还能够促进工业设计质量的提升。文章在面向工业设计的基础上,分析了各类新工艺与新材料的应用。     

高低温循环及湿度耦合作用对环氧树脂基碳纤维增强复合材料拉伸性能的影响

研究了环氧树脂基碳纤维增强复合材料在高低温循环(-40～40℃/-40～25℃)及湿度(有水、无水)两种环境因素耦合作用下的拉伸性能变化规律以及界面损伤机理,循环实验包括0,5,10,100,200,300周期,结合拉伸强度测试、吸湿实验及扫描电镜(SEM)分析。结果表明,不管在有水还是无水的环境下,环氧树脂基碳纤维增强复合材料的拉伸强度随高低温循环周期增大整体呈现先降低再升高再降低的变化趋势;高低温循环5周期时开裂最严重,拉伸强度到达谷点,随着循环次数的增多直至100周期左右,材料的拉伸强度达到峰值,随后下降;拉伸模量影响不大;树脂基体与纤维界面产生的微裂纹被证明是导致复合材料强度降低的主要原因;湿度的耦合作用促进裂纹的扩展,明显削弱了环氧树脂基碳纤维增强复合材料的拉伸性能。     

套管滚压整形力学分析及单次整形极限研究

滚珠整形器在变形套管修复中应用越来越广泛,而整形时常凭经验确定整形量,若单次整形量过大极易造成套管损坏。为此,给出套管单次整形极限研究方法,采用多线性等向强化模型,考虑套管的材料和接触双重非线性特性,建立了滚压整形缩径变形套管有限元模型,给出了求解策略,并采用试验研究的方法验证了数值模型的合理性。揭示了不同整形量对套管塑性位移及应力分布的影响规律,研究了不同轴向变形长度套管单次整形极限。结果表明:随着套管整形量的增大,套管最大等效应力、塑性位移和残余应力均增大;随着套管轴向变形长度的增大,单次整形极限有减小的趋势,单次整形量最大值不能超过3.6 mm。研究结果可为滚压整形变形套管现场施工提供理论指导。     

管内可控铰接柔性结构双层接触非线性力学分析

管内可控万向铰接柔性细长结构是超短半径侧钻水平井的特有结构。考虑可控万向铰结构中的机构问题、结构不连续和开槽不完整结构的三体两层接触问题,将空间梁单元、万向铰单元、刚性梁单元和梁梁接触单元相结合,建立了管内可控万向铰接柔性结构双重接触非线性有限元模型及数值计算方法。与有解析解的算例进行比对,计算结果吻合较好。通过对超短半径水平井造斜钻进时的柔性钻具进行力学分析,得到了柔性钻具受力变形状态、载荷传递规律及其与井壁之间的接触力分布规律。     

制氢转化炉内甲烷蒸汽重整模拟及影响因素分析

考虑40 000m~3/h顶烧式常压加热制氢转化炉的结构特点,建立了制氢转化炉辐射室流体的三维有限元模型,采用有限体积法计算辐射室温度场,得到了转化管外壁面轴向温度的分布规律,并以外壁面温度为边界条件,以多孔介质模型表征催化剂床层,模拟了催化剂床层在转化管内的甲烷蒸汽重整制氢过程,研究了不同入口速度、入口温度的变化对甲烷转化率的影响规律。结果表明:入口速度的下降和入口温度的增加都会提高甲烷转化率。     

储罐内爆碎片多相耦合计算方法与抛射轨迹研究

以球形储罐为研究对象,考虑罐内气体-球罐(碎片)-罐外气体的多相耦合以及爆炸载荷的传递方式,采用CEL(耦合欧拉-拉格朗日法)流固耦合算法建立储罐内爆三维有限元模型,通过粘结单元的失效间接描述球罐材料的破坏,保证了球罐材料的质量守恒,进而对内爆载荷作用下球罐的动力响应、碎片的产生以及碎片抛射轨迹开展研究。以1 600 m³球罐为例,其计算结果表明：在空罐状态下球罐产生碎片的数量为14个,碎片的速度在61.2～75.6 m/s之间分布,考虑碎片不同初始位置以及空气阻力的影响,求解得到最大抛射高度为231 m、最大抛射距离为548 m;对比蒙特卡洛方法,多相耦合计算方法得到了碎片的具体数量、形状和质量;爆炸总能量到碎片动能的能量转化效率比蒙特卡洛方法中的最小值偏小35.5%,碎片的最大抛射高度偏小12.2%,最大抛射距离偏小8.7%。该多相耦合方法可为储罐内爆破碎研究提供参考。     

污水沉降罐伴热盘管传热特性与影响因素分析

在沉降罐液位举升与收油过程中，采用稳-瞬态相结合的全过程传热计算方法，建立了污水沉降罐稳态-瞬态传热温度场分析三维有限元耦合模型，对污水沉降罐和伴热盘管全运行过程传热特性进行分析，得到沉降罐与伴热盘管的温度分布。结果显示：在收油过程中，各圈盘管温度由进水侧向出水侧逐渐降低，盘管环向温降在0.1℃/m左右，盘管同一角度径向温降在每圈1℃左右；通过研究不同影响因素可知，进口温度、环境温度的升高以及盘管直径的增大都能有效提高伴热盘管传热特性，而保温层厚度的增大和进口流速的提高对伴热盘管传热特性影响很小，影响因素敏感程度排序为进口温度>环境温度>盘管直径>保温层厚度>进口流速。     

基于多判别条件的储罐内爆弱顶性能评价分析

储罐在偶发爆炸载荷作用下易发生结构破坏，致使罐内储液流出，从而造成巨大的经济损失，但采用弱顶设计的储罐在此类事故发生时能减少损失。为此，以立式拱顶储罐为研究对象，综合考虑储罐破坏过程中内部压力、应力以及裂纹扩展等因素，建立了基于多判别条件的储罐内爆弱顶性能评价方法。同时，通过数值模拟手段，采用CEL(coupled Euler-Lagrange,耦合欧拉-拉格朗日)流固耦合算法建立了储罐内爆三维有限元模型，对内爆载荷作用下储罐的破坏过程及不同影响因素下储罐的弱顶性能开展研究。计算结果表明：在基于压力和应力的弱顶性能评价中，储罐在90°，135°，180°位置处的峰值压力比大于1，满足弱顶要求；在基于结构断裂的弱顶性能评价中，由于裂纹延伸到液位以下，2条裂纹分别穿过液位1.99 m和5.21 m，储罐不具备弱顶性能。随着储罐容积的增加、液位的升高，储罐的弱顶性能增强。根据计算所得结果，采取在液位以上设置防护圈的方法对储罐进行优化，使得非弱顶储罐满足弱顶结构设计要求。所建立的储罐弱顶性能评价条件可为储罐的弱顶设计及分析提供参考。     

短切碳纤维在混凝土中的分散性能评估与优化EI北大核心CSCD

碳纤维增强混凝土应用潜力巨大,目前由于不均匀分散的问题,限制了在工程上的应用。已有研究表明分散剂能促进纤维分散。文中较全面地对比分析了甲基纤维素(MC)、羟丙基甲基纤维素(HPMC)、羟乙基纤维素(HEC)、羧甲基纤维素钠(CMC)等纤维素类分散剂以及聚丙烯酸钠(PAAS)、聚丙烯酰胺(PAM)等聚丙烯酸类分散剂,对0.5%体积掺量的不同长度的短切碳纤维在水溶液和混凝土中的分散效果。采用图像化的数据处理方法实现了对碳纤维分散性的定量化描述,并从分散机理分析了分散剂的性质与分散效果的关联性。结果表明,碳纤维在水溶液和混凝土中的分散规律具有一致性;分散效果从低到高依次为不加分散剂相似文献   

含通电碳纤维复合板电加热过程的数值模拟及优化设计

通过对碳纤维复合板进行模拟仿真发现，其由碳纤维发热丝束与碳纤维布复合得到。利用ABAQUS软件对温度场进行分析，确定了采用复合板通电加热的数学模型和模拟方法。基于影响温度场的部分因素对模型进行了优化设计。结果表明，含通电碳纤维复合板的上表面温度升高至约35℃,最大温度差为1.97℃,测得的上表面温度与实验值能较好的吻合。对模型进行预测发现，当温度为-12℃时，该板的温度升高至0℃以上。另外，在加热功率相同的条件下，随碳纤维发热丝束间距的增加，上表面的平均温度变化较小；随碳纤维发热丝束间距的减小，上表面温度分布的均匀性得到显著提升。在碳纤维发热丝束间距相同的条件下，随碳纤维发热丝束加热功率的增大，上表面温度显著升高，但是，上表面温度分布的不均匀程度增大。当发热丝间距为8或6 mm、通电功率为45 W的条件下，复合板可正常工作。