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Q690高强钢焊接截面热-结构耦合分析及纵向残余应力分布模型研究

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Q690高强钢焊接截面热-结构耦合分析及纵向残余应力分布模型研究

作者：卢梦丹河南工业大学

学位级别：硕士

近年来,高强度钢材凭借其在结构受力性能、使用功能以及经济效益等方面展现的显著优势,已在多个建设项目中得到成功应用。相较于低强钢,高强度钢材在化学成分和力学性能等方面发生了较大的变化,从而导致低强钢的残余应力分布模型已不再... 详细信息

近年来,高强度钢材凭借其在结构受力性能、使用功能以及经济效益等方面展现的显著优势,已在多个建设项目中得到成功应用。相较于低强钢,高强度钢材在化学成分和力学性能等方面发生了较大的变化,从而导致低强钢的残余应力分布模型已不再适用于高强钢。我国新的《钢结构设计标准》(GB50017-2017)已经将屈服强度为460MPa高强钢材纳入其中,并直接沿用了原有普通钢构件的设计计算方法,在后续的设计及研究中发现这样做是不太妥当的。因此,对于具有更高屈服强度的690MPa高强钢构件而言,包括残余应力分布研究在内的整体稳定性能研究尚不全面,还需做进一步的探索。本文借助ANSYS软件,对Q690高强钢多种焊接截面纵向残余应力情况进行数值模拟分析,首先将所需要的数据提取出来之后进行整理;然后探讨纵向残余应力受相关参数(板件宽厚比、板件厚度)的影响;最终提出多种焊接截面的纵向残余应力分布模型,为进一步研究残余应力及钢压杆整体稳定数值分析提供参考。具体研究内容及成果如下:(1)建立多种焊接截面残余应力计算的有限元模型。借助有限元软件ANSYS建立焊接温度场和应力场的三维移动热源有限元模型,通过“生死单元模型”来模拟焊接过程,采用热-结构耦合分析功能获得焊接截面残余应力大小及分布。将结果与相关学者的试验结果对比,如果两者结果相差甚小,说明所建立的多种截面形式的有限元模型准确。(2)获得多种截面形状和尺寸的残余应力分布的数值模拟结果。分别建立不同截面尺寸的T形截面构件模型6组、H形截面构件模型5组、箱形截面构件模型5组,通过有限元模拟分析得到各种焊接截面纵向残余应力。结果表明:靠近焊缝位置处为残余拉应力,残余压应力存在翼缘剪切端和腹板中部。(3)提出Q690高强钢焊接截面的残余应力分布模型。通过整合各种截面的残余应力分布结果,全面分析截面尺寸(板件宽厚比、板件厚度)和板件相关性对构件焊接截面纵向残余应力分布的影响。研究发现:随着板件宽厚比和厚度的增加,残余压应力有显著的降低趋势,但是与残余拉应力没有相关性;各板件残余应力独立自平衡。基于参数分析分别提出适用于Q690高强钢焊接T形、H形和箱形截面的残余应力分布模型。综上所述,本文的研究工作可望为高强钢焊接截面残余应力分布试验研究提供理论支持,为后续的压杆稳定承载力研究提供数据支撑,也可为国家标准的修订提供重要参考。

关键词： Q690高强钢焊接截面热-结构耦合分析有限元分析纵向残余应力

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石墨圆周密封热-结构耦合分析

航空动力学报 2018年第2期33卷 273-281页

作者：闫玉涛张博胡广阳赵中强东北大学机械工程与自动化学院沈阳110819 中国航空发动机集团有限公司沈阳发动机研究所沈阳110015

综合考虑作用于石墨圆周密封环机械载荷和温度载荷,利用软件ANSYS完成石墨圆周密封结构分析、稳态热分析和热-结构耦合分析。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布均匀,最大等效应力出现在接头搭接处,这是由于接头搭接处结构特点,... 详细信息

综合考虑作用于石墨圆周密封环机械载荷和温度载荷,利用软件ANSYS完成石墨圆周密封结构分析、稳态热分析和热-结构耦合分析。结果表明:石墨圆周密封环主密封面应力分布均匀,最大等效应力出现在接头搭接处,这是由于接头搭接处结构特点,使密封环在此处所受气体不平衡力较大引起的。辅助密封面受载荷力矩作用引起应力分布不均,导致不平行密封缝隙出现,影响密封性能。密封环温度场分布均匀,主密封面的温度高于辅助密封面,接头搭接处接触面积大,温度显著升高。热效应对石墨圆周密封性能影响不容忽视,考虑热效应作用时,密封环应力值产生了一个数量级的升高,并使最大应力区域自主密封面接头边缘处向中心附近移动。

关键词：圆周密封结构分析热-结构耦合分析温度场应力场

月基望远镜反射镜转台的热-结构耦合分析及验证

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光学精密工程 2016年第8期24卷 1956-1964页

作者：上官爱红王晨洁张昊苏秦德金刘朝晖中国科学院西安光学精密机械研究所陕西西安710119 中国科学院大学北京100049 西安交通大学热流科学与工程教育部重点实验室陕西西安710049

为了提高月基望远镜反射镜转台的工作性能,对反射镜转台进行了热-结构耦合分析以及试验验证和在轨验证。根据输入条件、热载荷、热边界等建立有限元模型对反射镜转台结构及主要发热部件进行了温度场计算。将温度载荷,预紧力载荷,边界条... 详细信息

为了提高月基望远镜反射镜转台的工作性能,对反射镜转台进行了热-结构耦合分析以及试验验证和在轨验证。根据输入条件、热载荷、热边界等建立有限元模型对反射镜转台结构及主要发热部件进行了温度场计算。将温度载荷,预紧力载荷,边界条件输入结构有限元模型进行了热-结构耦合分析,得到了半封闭U型结构、高精密运动轴系、蜗轮蜗杆热变形和热应力。推导了轴系摩擦力矩的计算公式,将分析计算中的数据代入公式中获得了轴系的摩擦力矩,并根据摩擦力矩选取了合适力矩的电机。计算结果显示,左轴系在低温工况-25℃下摩擦力矩较大,达14.163N·mm;高温工况下摩擦力矩较小,55℃时为4.796N·mm。垂直轴轴系在低温工况-25℃时摩擦力矩为16.45N·mm;高温工况下由于轴系卸载,摩擦力矩为零。结果表明反射镜转台可以在-25℃^+55℃下正常工作。文中还通过试验验证和在轨验证证明了反射镜转台热-结构耦合分析的有效性和合理性。

关键词：月基望远镜反射镜转台热-结构耦合分析热变形热应力轴系摩擦力矩

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采棉头锥齿箱有限元热-结构耦合分析研究

机械传动 2011年第2期35卷 17-19页

作者：梅益王方平刘乔英贵州大学机械工程学院贵州贵阳550003

针对采棉头锥齿箱存在的热载荷引起的热变形问题,应用有限元热-结构耦合分析方法,对箱体结构进行热态特性分析,给出箱体的稳态温度场分布,将分析结果作为箱体热-结构耦合分析的边界条件,建立了耦合分析模型,计算出箱体在热和结构载荷共... 详细信息

针对采棉头锥齿箱存在的热载荷引起的热变形问题,应用有限元热-结构耦合分析方法,对箱体结构进行热态特性分析,给出箱体的稳态温度场分布,将分析结果作为箱体热-结构耦合分析的边界条件,建立了耦合分析模型,计算出箱体在热和结构载荷共同作用下箱体的应力分布和位移云图。研究结果表明,采棉头锥齿箱变形是结构载荷与热载荷共同作用的结果,其中热载荷是控制箱体变形,保证重载齿轮传动精度与可靠性不可忽略的重要因素。

关键词：锥齿箱热-结构耦合分析

多镜筒望远镜中间块热-结构耦合分析与优化设计

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机械设计与研究 2019年第2期35卷 106-109页

作者：余易王国民中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所南京210042 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所) 南京210042 中国科学院大学北京100049

多镜筒望远镜在观测较暗星体时能够达到与大口径望远镜相似的观测亮度。为保证多镜筒望远镜每一个镜筒的指向精度,固定多个镜筒的中间块就需要有较好的刚度和稳定性。首先通过ANSYS workbench对四镜筒望远镜中间块进行了拓扑优化,根据... 详细信息

多镜筒望远镜在观测较暗星体时能够达到与大口径望远镜相似的观测亮度。为保证多镜筒望远镜每一个镜筒的指向精度,固定多个镜筒的中间块就需要有较好的刚度和稳定性。首先通过ANSYS workbench对四镜筒望远镜中间块进行了拓扑优化,根据拓扑优化结果重新设计了中间块结构,再进行热-结构耦合分析并对其各个设计尺寸进行优化。优化后分别计算了中间块在0°、45°、90°三种倾角下,受40℃温差与重力的作用下镜筒中心轴线最大偏移角度,分别为0.065 2″、0.711 1″、0.982 4″。计算结果满足了镜筒中心轴线偏移角度小于1’’的设计要求,可为下一步工程设计提供参考。

关键词：多镜筒望远镜中间块拓扑优化热-结构耦合分析结构优化设计

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盘式制动器摩擦片热-结构耦合分析

机械设计与制造 2010年第7期 195-197页

作者：荣兵巢凯年西华大学交通与汽车工程学院成都610039

采用间接耦合法对盘式制动器摩擦片进行热-结构耦合分析,较准确的反映了整个过程中摩擦片的瞬态温度和应力变化情况。最后得到了制动过程中摩擦片受温度、制动压力、摩擦力共同作用的强度分布。为摩擦片的材料选择,尺寸设计提供了理论... 详细信息

采用间接耦合法对盘式制动器摩擦片进行热-结构耦合分析,较准确的反映了整个过程中摩擦片的瞬态温度和应力变化情况。最后得到了制动过程中摩擦片受温度、制动压力、摩擦力共同作用的强度分布。为摩擦片的材料选择,尺寸设计提供了理论依据。

关键词：热-结构耦合分析摩擦片瞬态温度和应力变化强度

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高速磨削电主轴热—结构耦合分析

高速磨削电主轴热—结构耦合分析

作者：王鹏太原理工大学

学位级别：硕士

传统切削加工在高速加工技术出现之后,开始进入了一个新纪元。作为高速加工的主要载体与工作母机,高速切削机床逐步替代传统切削机床,成为了当代机械加工行业的主流机床。而电主轴作为高速机床上的核心部件,其精度、质量与工作性能的稳... 详细信息

传统切削加工在高速加工技术出现之后,开始进入了一个新纪元。作为高速加工的主要载体与工作母机,高速切削机床逐步替代传统切削机床,成为了当代机械加工行业的主流机床。而电主轴作为高速机床上的核心部件,其精度、质量与工作性能的稳定性成为影响高速加工机床性能和速度提升的主要因素。本文以3DL24型高速磨削电主轴为研究对象,通过传统理论研究与现代仿真技术相结合的方法,使用有限元仿真分析软件对电主轴内部温度分布情况与主轴轴头变形量进行了分析,具体研究内容如下:首先,文章对电主轴工作系统的组成部件进行了详细的介绍,并在此基础上,对其系统中的核心技术部件进行重点分析与选型,包括电主轴内部支撑轴承的选型、润滑方式的选择、冷却系统的选择与变频调速系统的使用要求等。在对电主轴系统获得深入分析的基础上,本文应用经典热力学理论,结合电主轴内部结构,分析主要发热源与发热原因,确定了电主轴内部两大发热源:内装电动机功率损耗引起的发热与前后轴承因高速旋转所产生的摩擦热。对此主要热源周围应用传热学理论进行热传递方式和热传递过程分析,确定了电主轴的散热方式:冷却水套中冷却水流动对定子的散热、转子旋转时周围空气高速流动对转子的冷却、电机气隙中空气对流对定子与转子的散热、油气润滑系统喷出的压缩空气对轴承的散热以及电主轴外壳与周围空气之间的散热。在理论分析的基础上,为了得到电主轴内部热量传递与温度分布情况,本文将计算出的电主轴主要热源的生成热量与各个散热方式的换热系数加载到有限元仿真分析软件Ansys workbench中,在建立电主轴有限元仿真分析模型的前提下,对模型进行稳态热分析与瞬态热分析,得到电主轴在额定转速15000r/min工作状态下的内部温度分布云图与电主轴达到稳定工作状态过程中的温度变化状态云图,并获得电主轴前后轴承与电机温升曲线。将其结果作为热-结构耦合分析的载荷,在额定转速15000r/min的条件下,确定电主轴整体热变形情况以及轴头综合形变大小。经过热-结构耦合分析得到电主轴轴头热变形较大,由此对其内部结构进行了改进设计。通过分析引入了特殊的后轴承室结构―轴承碗‖,将电主轴轴承定位方式由前后轴承完全固定,改为前轴承完全固定、后轴承浮动的结构形式,并再次进行仿真分析,对比改进前后主轴内部温度分布与主轴轴头热变形情况。经过改进前后对比,结果表明:以―轴承碗‖为基础的后轴承室结构可以较为有效地降低电主轴内部温升,减小主轴轴头约14%热变形。本论文通过对电主轴进行热态分析与热-结构耦合分析,得到电主轴内部温度分布状态与主轴轴头热变形大小,提出―轴承碗‖后轴承室结构改进方案,并验证其可行性,为今后对电主轴系统进行结构形式改进提供了理论与仿真依据,同时也为数控磨削系统热误差补偿研究提供了理论基础。

关键词：高速加工技术高速磨削电主轴有限元分析热态特性分析热-结构耦合分析

L形高真空多层绝热低温管道热—结构耦合分析

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L形高真空多层绝热低温管道热—结构耦合分析

作者：毛红威兰州理工大学

学位级别：硕士

随着现代科学技术的快速发展,高真空多层绝热（HV-MLI）低温管道在能源、化工、航空、航天及核工业等诸多领域得到了广泛应用。HV-MLI低温管道工作在深冷环境且要承受输送液体的压力,在热-结构耦合作用下受力情况较为复杂。管道中的波... 详细信息

随着现代科学技术的快速发展,高真空多层绝热（HV-MLI）低温管道在能源、化工、航空、航天及核工业等诸多领域得到了广泛应用。HV-MLI低温管道工作在深冷环境且要承受输送液体的压力,在热-结构耦合作用下受力情况较为复杂。管道中的波纹管和玻璃钢绝热支撑都是较脆弱部件,在复杂载荷作用下可能出现各种形式的破坏。HV-MLI低温管道各部件结构的完整性关系到整个管道的运行安全,为研究管道各部件在复杂载荷作用下的响应状况,拟采用有限元方法针对某型号L形HV-MLI低温管道进行整体管道热-结构耦合分析。通过传热分析,得到了管道温度场分布及各部件的漏热。依据温度场分析结果以及管道运行各工况中的载荷与约束对其进行结构分析,得到了L形HV-MLI低温管道内管、外管、热桥、弯头、波纹管及玻璃钢绝热支撑上的应力分布情况及应力影响因素,分析结果得到如下结论:1.在结构分析时,采用等截面管模型等效替代管道内管路中的波纹管,可在保证分析精度的同时,大大缩短分析所用时间,计算效率约为波纹管模型的300倍,适合在HV-MLI低温管道多场耦合分析时使用。2.外界热量通过热桥、绝热支撑和高真空多层绝热层三种途径漏入内管,其中,绝热支撑和热桥是影响管道漏热的主要部件。以输送LN2工况为例,通过以上三种途径的漏热分别占管道总漏热的49.07%、49.32%、1.61%。3.L形HV-MLI低温管道中的内管、外管、弯头及热桥等结构应力较小,在实际使用过程中不易发生危险;波纹管应力随输送介质温度的降低、补偿内管长度的增加而增大,其中,水平管段波纹管应力较高,是管道中的危险部件。4.内管内压是影响绝热支撑应力的主要因素,随内管内压的增大,水平管段与竖直管段中离弯头最近的绝热支撑应力大幅增加,而远离弯头的其他位置处的绝热支撑应力变化不大,并维持在较低水平。因此,可适当增加离弯头最近的绝热支撑厚度,同时减小远离弯头处绝热支撑的厚度,以使各绝热支撑既满足强度要求又可减小管道通过绝热支撑的总漏热量。

关键词：高真空多层绝热低温管道波纹管绝热支撑有限元方法热-结构耦合分析应力

矿用货车离合器膜片弹簧热-结构耦合分析及优化设计

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矿用货车离合器膜片弹簧热-结构耦合分析及优化设计

作者：贾中俊东北大学

学位级别：硕士

膜片弹簧作为离合器的核心部件,其性能的好坏将直接影响离合器的操纵性能,因此,对膜片弹簧性能的研究及优化设计正逐渐成为汽车研究领域的热点问题。矿用货车主要用于露天矿场煤炭和矿石的运输,由于路况复杂多变、载货质量大、运输距离... 详细信息

膜片弹簧作为离合器的核心部件,其性能的好坏将直接影响离合器的操纵性能,因此,对膜片弹簧性能的研究及优化设计正逐渐成为汽车研究领域的热点问题。矿用货车主要用于露天矿场煤炭和矿石的运输,由于路况复杂多变、载货质量大、运输距离较短等特点,离合器使用特别频繁,当离合器连续多次接合和分离将产生较大摩擦热量,短时间积聚在离合器总成内使温度急剧升高,膜片弹簧受热产生热应力和热变形,从而使膜片弹簧离合器的使用性能变差。本文以某型号矿用货车离合器膜片弹簧为研究对象,深入研究膜片弹簧在不同温况下的性能变化情况,并根据分析结果对膜片弹簧进行优化设计,以保证膜片弹簧在高温环境下仍具有良好的性能。本文进行了以下研究工作:（1）根据膜片弹簧工作原理结合传统A-L公式对膜片弹簧进行不同工况下的力学分析,建立不同工况下膜片弹簧的力学模型,以便于后期优化。（2）分析不同温况下膜片弹簧的稳态温度场分布情况,对接合状态下的膜片弹簧进行热-结构耦合分析,分析接合状态下的膜片弹簧在不同温况下工作时的载荷-变形特性变化的情况。（3）通过对分离状态下的膜片弹簧进行热-结构耦合分析,得到不同温况下的分离载荷、分离行程和压盘行程的变化情况,研究膜片弹簧在不同温况下工作时的分离特性变化情况,并确定影响膜片弹簧分离特性的结构参数。（4）以磨损范围内膜片弹簧大端压紧力变化平均值最小为主要目标,以分离行程内分离力平均值最小为次要目标,采用遗传算法优化工具箱对膜片弹簧进行多目标优化设计,对比分析得到优化结果,确定最优结构参数。（5）对优化后的膜片弹簧进行性能分析。分析优化后膜片弹簧在高温环境下的接合性能和分离性能,验证优化结果。以发动机转速频率为依据,对优化后的膜片弹簧进行模态分析,验证其是否会与发动机产生共振。

关键词：膜片弹簧分离特性模态分析多目标优化热-结构耦合分析