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三维编织复合材料圆管轴向压缩性能及破坏机理

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南京航空航天大学学报 2023年第4期55卷 702-710页

作者：熊信发王校培王坤彭锦峰蔡登安周光明南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016 中国人民解放军总参谋部第六十研究所南京210016

通过真空辅助树脂传递模塑成型技术,制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织和三维七向编织3种不同三维编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料圆管的纱线轨迹,分别开展了准静态轴向压缩试验,研究了不同编织工艺对三维编织复... 详细信息

通过真空辅助树脂传递模塑成型技术,制备了三维多层缠绕编织、三维五向面芯编织和三维七向编织3种不同三维编织复合材料圆管。系统分析了三维编织复合材料圆管的纱线轨迹,分别开展了准静态轴向压缩试验,研究了不同编织工艺对三维编织复合材料圆管的压缩承载、破坏模式及吸能性能的影响。结果表明:不同编织结构圆管的轴向承载能力和破坏机制存在显著差异。三维多层缠绕编织圆管的环向纱体积含量较高,能有效承担轴向载荷,其轴向承载能力明显高于其余两类编织圆管。但由于纤维间载荷传递性能较弱,易发生脆性破坏,导致吸能效果最差。而三维五向面芯编织和三维七向编织圆管具有紧密交织的纱线结构,径向编织纱能有效限制剪切裂纹扩展,从而引发渐进稳定的开花式破坏,此类破坏具有较好的吸能特性。三维五向面芯编织圆管纤维断裂更加充分,吸能效果最为优异。

关键词：编织复合材料圆管压缩试验破坏模式吸能特性

强对流条件下使用p-VOF方法的低温圆管二维结霜模拟

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空气动力学学报 2022年第5期40卷 91-99页

作者：夏斌梁新刚徐向华清华大学航天航空学院热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000

为进行强对流条件下低温表面的结霜模拟,新发展了称为p-VOF方法的结霜模拟方法,该方法是一种用于有相变发生的多相流模拟的伪VOF方法:通过显式求解简化的质量守恒方程得到霜相的体积分数变化,替代CFD软件中原有的体积分数方程的求解。使... 详细信息

为进行强对流条件下低温表面的结霜模拟,新发展了称为p-VOF方法的结霜模拟方法,该方法是一种用于有相变发生的多相流模拟的伪VOF方法:通过显式求解简化的质量守恒方程得到霜相的体积分数变化,替代CFD软件中原有的体积分数方程的求解。使用p-VOF方法对强对流条件下低温圆管的二维结霜进行了模拟,分析了强对流条件下低温圆管结霜的大致规律与特征。在常物性霜层条件下,来流湿度越大或管壁温度越低,霜层生长速率越快,霜层越厚;来流速度越大,在结霜初期的霜层生长速率越大,但霜层生长速率明显减慢的时间越早,最终的霜层也越薄。研究表明p-VOF方法能够正确反映圆管外形下流动、传热与霜层形貌变化的相互耦合关系,可用作强对流下的低温圆管二维动态结霜模拟的基础方法。

关键词：结霜 p-VOF 圆管强对流模拟

不锈钢圆管T形、Y形相贯节点支管受拉承载力研究

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西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2022年第4期54卷 508-516页

作者：郑宝锋吴步宸张奎王嘉昌舒赣平蒋庆林东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室江苏南京210096 东南大学土木工程学院江苏南京210096 中国建筑西北设计研究院有限公司陕西西安710018 江苏东阁不锈钢制品有限公司江苏盐城224000

随着不锈钢结构的广泛应用,不锈钢相贯节点越来越多地用于建筑结构中.然而,不锈钢圆管相贯节点的性能和设计方法却鲜有研究.考虑几何因素和弦杆预加载荷对节点承载力的影响,共对6个T形和3个Y形不锈钢圆管相贯节点,进行了支管受拉承载力... 详细信息

随着不锈钢结构的广泛应用,不锈钢相贯节点越来越多地用于建筑结构中.然而,不锈钢圆管相贯节点的性能和设计方法却鲜有研究.考虑几何因素和弦杆预加载荷对节点承载力的影响,共对6个T形和3个Y形不锈钢圆管相贯节点,进行了支管受拉承载力试验研究.获得了材料性能、破坏模式、节点承载力和载荷-变形曲线.试验结果表明:T形、Y形节点的破坏模式相似,均为节点域弦杆的塑性变形.基于试验结果建立了节点有限元分析模型,经试验验证后进行了参数化分析,以研究支管受力状态对节点承载力的影响.数值分析结果表明:不锈钢圆管T形、Y形相贯节点支管受拉承载力始终大于支管受压承载力.基于国内外设计规范中支管受拉与支管受压T形相贯节点采用相同设计公式的背景,采用文献[15]提出的不锈钢圆管T形和Y形支管受压相贯节点承载力设计公式预测节点承载力,并与CIDECT计算结果对比.结果表明:CIDECT计算结果是偏保守的,文献[15]提出的公式具有良好的准确性.

关键词：不锈钢圆管 T形节点 Y形节点试验研究有限元分析设计方法

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介电弹性体圆管的黏弹非线性动力学分析

动力学与控制学报 2023年第2期21卷 33-40页

作者：曾修豪黄志龙王惠明浙江大学航空航天学院杭州310027

研究了考虑黏弹性情形介电弹性体(DE)圆管的非线性动力学行为.利用弹簧-黏壶模型和不可压缩材料的neo-Hookean模型,建立了考虑黏弹性的介电弹性体圆管的动力学方程.采用小扰动方法,给出了瞬时固有频率的表达式,分析了特征时间、预拉伸... 详细信息

研究了考虑黏弹性情形介电弹性体(DE)圆管的非线性动力学行为.利用弹簧-黏壶模型和不可压缩材料的neo-Hookean模型,建立了考虑黏弹性的介电弹性体圆管的动力学方程.采用小扰动方法,给出了瞬时固有频率的表达式,分析了特征时间、预拉伸以及圆管的厚度等参数对瞬时固有频率的影响规律.研究了周期电压作用下的非线性振动特性.结果表明黏弹性会显著降低响应振幅,但不会影响准静态最终固有频率.在没有直流电压时,系统仅产生单一主共振,但当直流电压足够大时,会发生多频共振.

关键词：介电弹性体黏弹性动力学特性圆管非线性

横向翅片扁管换热器和叉排圆管换热器的传热和流阻性能对比

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东华大学学报（自然科学版） 2022年第3期48卷 101-106,120页

作者：朱致远刁永发茅文焯胡赟星东华大学环境科学与工程学院上海201620 上海东润换热设备股份有限公司上海201518

为提高换热器传热和流阻性能,提出一种横向翅片扁管换热器,特征为扁管两侧有圆弧形迎风面,翅片在扁管上下横向平行布置,扁管内部由加强筋分隔为多条流道。将横向翅片扁管换热器与叉排圆管换热器的传热和流阻性能进行对比,得到不同工况... 详细信息

为提高换热器传热和流阻性能,提出一种横向翅片扁管换热器,特征为扁管两侧有圆弧形迎风面,翅片在扁管上下横向平行布置,扁管内部由加强筋分隔为多条流道。将横向翅片扁管换热器与叉排圆管换热器的传热和流阻性能进行对比,得到不同工况下两种结构换热器的传热性能参数和空气阻力,进而计算得到表示单位压降下换热强弱的综合性能指标。采用最小二乘法拟合得到管外传热系数、阻力、综合性能指标与雷诺数的准则关联式。结果表明:横向翅片扁管换热器的空气阻力远远小于叉排圆管换热器,风速为4 m/s时,横向翅片扁管换热器单位长度压降为441.56 Pa/m,而叉排圆管换热器为1933.04 Pa/m;雷诺数大于2×10^(4)时,横向翅片扁管换热器综合换热能力超过叉排圆管换热器,综合性能指标最大值为叉排圆管换热器的2.58倍。

关键词：换热器横向翅片扁管圆管传热性能流阻性能准则关联式

圆管构件表面裂纹应力强度因子的二维权函数法研究

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圆管构件表面裂纹应力强度因子的二维权函数法研究

作者：杨蕾大连理工大学

学位级别：硕士

海底管道作为目前最为快捷、安全与经济可靠的油气运输方式,展现出了巨大的发展潜力。但是,由于其大多位于海底或埋在海底一定深度,检修和保养较为困难。为避免海底管道因断裂失效造成不可预估的经济损失与环境污染问题,对其进行安全性... 详细信息

海底管道作为目前最为快捷、安全与经济可靠的油气运输方式,展现出了巨大的发展潜力。但是,由于其大多位于海底或埋在海底一定深度,检修和保养较为困难。为避免海底管道因断裂失效造成不可预估的经济损失与环境污染问题,对其进行安全性评估变得尤为重要。表面裂纹缺陷是导致海底管道结构断裂破坏以致失效的主要原因之一。作为表征裂纹尖端应力场强度的物理量,应力强度因子能够有效弥补应力参量在裂纹尖端产生奇异性的弊端,因此对其进行准确求取对于海洋结构物服役安全性的评估具有重要意义。作为一种求解应力强度因子的方法,权函数法具有简便、精确的特点。权函数只与裂纹形状有关,一旦确定了某一简单加载情况下的权函数,便可用它对任意加载下的裂纹应力强度因子进行求解。本文在断裂力学理论及平板表面裂纹二维权函数的已有研究基础之上,提出了一种适用于求解复杂应力分布下圆管周向半椭圆形外表面裂纹应力强度因子的二维权函数。本文首先通过创建了不同裂纹深长比a/c,深度比a/t和径厚比t/R的共计100个含周向外表面裂纹的圆管三维有限元模型,分别计算裂纹最深点和表面点的应力强度因子作为求解和验证权函数的参考解;然后根据点载荷权函数统一形式提出了圆管周向半椭圆形外表面裂纹的二维权函数表达式,利用自编数值积分程序和应力强度因子参考解求解出权函数待定系数M;最后通过多项式对M值进行拟合,分别得到裂纹最深点和表面点处的二维权函数公式。该权函数的适用范围为:a/c=0.2～1.0,a/t=0.2～0.8,t/R=0.02～0.4。通过在裂纹面上分别施加沿管径向的单向变化应力载荷和沿管径向与周向的双向变化应力载荷,对比权函数法和有限元法求解的应力强度因子结果,两者区别均在±8%以内,验证了本文所提出的权函数的有效性。

关键词：二维权函数应力强度因子圆管周向外表面裂纹双向应力分布

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圆管内壁环向表面裂纹二维权函数方法研究

圆管内壁环向表面裂纹二维权函数方法研究

作者：张金磊大连理工大学

学位级别：硕士

圆管构件在工业生活中起着非常重要的作用,但是一旦构件被破坏就会造成严重的后果。表面裂纹就是一种对结构安全性威胁极大的缺陷,它在交变载荷的作用下不断扩展最终导致结构的疲劳断裂。为了保证结构能安全服役,对于结构疲劳寿命的准... 详细信息

圆管构件在工业生活中起着非常重要的作用,但是一旦构件被破坏就会造成严重的后果。表面裂纹就是一种对结构安全性威胁极大的缺陷,它在交变载荷的作用下不断扩展最终导致结构的疲劳断裂。为了保证结构能安全服役,对于结构疲劳寿命的准确预测就至关重要,而保证预测准确性最重要的就是应力强度因子的准确计算。圆管型构件可能存在数种表面裂纹,本文的研究对象是圆管内壁环向表面裂纹。就求解应力强度因子而言,有限元法和权函数法是应用最为广泛的两种方法,二者中权函数法比有限元法计算效率更高,计算过程更为简便。故本文的研究目标是得到适用于圆管内壁环向表面裂纹的二维权函数,并用有限元法验证其可靠性。主要内容包括以下几个方面:(1)建立含表面裂纹圆管有限元模型,计算表面点及最深点处应力强度因子,将所得结果与已有参考解进行对比以验证有限元模型的准确性。(2)拟定裂纹尺寸范围为a/c=0.4～1.0,a/t=0.2～0.8,t/R=0.1～0.333,应用有限元法计算均布载荷下上述尺寸裂纹表面点和最深点处的应力强度因子作为参考解。本文在现有表面裂纹二维权函数表达式的基础上,考虑径厚比t/R,得到适用于圆管内壁表面裂纹的二维权函数表达式。将前文求得的应力强度因子参考解代入该权函数表达式中求解得到权函数系数,应用MATLAB软件通过多项式拟合的方式得到适用于圆管内壁环向表面裂纹的二维权函数。(3)为了验证所得到的二维权函数的有效性,本文分别采用有限元法和权函数表达式计算在单向载荷以及双向载荷下表面裂纹表面点和最深点处的应力强度因子,并把两种方法所得结果进行对比。二者结果相对误差均在10%以内,说明求得的二维权函数的是可靠的。

关键词：应力强度因子二维权函数圆管内壁环向表面裂纹

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内置涡流发生器圆管传热强化数值模拟

内置涡流发生器圆管传热强化数值模拟

作者：虞章昊中南大学

学位级别：硕士

换热器作为热量传递设备在工业生产过程中发挥着重要作用,在当下低碳节能的大背景下,如何提高换热器的对流换热效率愈发受到关注。涡流发生器作为一种被动强化传热技术,在较小的动力损失代价下能够达到较强的换热效果。本文采用数值仿... 详细信息

换热器作为热量传递设备在工业生产过程中发挥着重要作用,在当下低碳节能的大背景下,如何提高换热器的对流换热效率愈发受到关注。涡流发生器作为一种被动强化传热技术,在较小的动力损失代价下能够达到较强的换热效果。本文采用数值仿真的方法,在管内分别插入两种新型涡流发生器进行强化传热性能研究,同时分析各个结构参数对两种涡流发生器强化传热特性的影响。本文的主要研究内容和结果如下:1.设计了一种圆管内插矩形曲面涡流发生器。改变涡发生器右侧涡片高度、涡片长度、涡片宽度等几何参数,通过Fluent软件中SST k-ω湍流模型数值分析恒壁温压力出口边界条件下雷诺数(Re)在19904-35827范围内管内流体流动及换热特性。并通过场协同理论和努塞尔数(Nu)、摩擦阻力系数(f)、综合性能评价因子(PEC)等计算参数综合分析几何参数对模型的传热性能的影响。结果表明矩形曲面涡流发生器能够促使管内生成纵向涡流,增强流体的混合程度,提高流体温度分布均匀性,提高了换热量。内置矩形曲面小翼Nu和f是空管的1.35-1.74和4.38-15.16倍,且当结构参数a=8mm,b=4mm,H=10mm,H=8mm时,综合评价因子PEC最大为0.8302。2.基于矩形曲面小翼设计了曲面锥形片涡流发生器。通过数值模拟分析曲面锥形片涡流发生器对管内流体温度场、速度场、压力场的影响,并研究了曲面锥形片片数、旋转角、长宽比、节距等结构参数对管内流体流动及换热性能的影响。结果表明曲面锥形片使管内涡流强度高于矩形曲面小翼,在较高雷诺数下,曲面锥形片后端出现回流区,增大了流体动力损失。内置曲面锥形片涡流发生器圆管的Nu与f随曲面锥形片片数、旋转角增大而增大,随长宽比、节距增大而减小,其中换热性能是空管的1.18-1.84倍,流动阻力是空管的2.02-17.28倍。综合换热性能高于矩形曲面小翼,PEC最大值为0.9384。图55幅;表2个;参考文献70篇

关键词：圆管强化传热涡流发生器场协同数值模拟

TA2圆管辊弯成型边波缺陷演化机理及控制研究

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TA2圆管辊弯成型边波缺陷演化机理及控制研究

作者：王占一河北工程大学

学位级别：硕士

近些年来,轻量化材料的使用成为一种新的必然趋势。TA2纯钛有极大的工业价值,在相同强度条件下,TA2管材要比其他金属管材更轻,更薄。然而,越薄的金属板带在辊弯加工时越容易失稳产生褶皱,即边波缺陷。边波缺陷是影响辊弯型钢产品质量的... 详细信息

近些年来,轻量化材料的使用成为一种新的必然趋势。TA2纯钛有极大的工业价值,在相同强度条件下,TA2管材要比其他金属管材更轻,更薄。然而,越薄的金属板带在辊弯加工时越容易失稳产生褶皱,即边波缺陷。边波缺陷是影响辊弯型钢产品质量的重要因素之一,研究并设法消除边波缺陷非常必要。为解决某辊弯型钢制造企业的实际生产问题,本文旨在从理论分析、数学解析、基础材料实验、有限元仿真、工业辊弯实验等方面探究TA2纯钛圆管连续辊弯成型边波缺陷的演化机理与影响规律,提出边波缺陷的控制方法,从而有效解决纯钛圆管连续辊弯成型边波问题。课题主要研究内容如下:(1)运用辊弯工艺基础理论并结合实际生产条件,对金属板带宽度、辊弯轧机数量、轧辊弯曲角度分配方式、底线成型方法、轧辊缝隙、辊弯轧辊和辊弯道次间距进行确立,设计了TA2薄壁圆管基础辊弯成型方案。(2)针对TA2圆管边波缺陷产生的特殊性,以及边波与纯钛力学性能之间的关联展开单轴拉伸实验和金属金相实验,获取了TA2纯钛的机械性能:通过对比分析产品的金相组织发现:未出现边波缺陷区域的晶粒仍保持其原有的单相alpha结构,而出现边波缺陷区域的金相图的晶粒组织明显被拉长甚至破坏。(3)建立了TA2纯钛材料模型,构建了圆管连续辊弯成型有限元模型,搭建了辊弯实验平台并验证了有限元模型精度;提取圆管产生边波处节点应力,发现纵向应力才是影响边波缺陷的主要因素。结合双半径成型方式和上山成型法提出了边波控制策略并进行了工业实验,证明了该成型策略可以有效控制TA2圆管的边波缺陷。(4)从底线成型方法看,上山成型法控制圆管边波效果较好,下山成型法次之,水平成型法无法控制边波;从轧辊弯曲角度分配方式看,双半径成型控制圆管边波效果最好,边缘成型和圆周成型控制边波缺陷的效果次之。边波峰值随着轧辊缝隙、辊弯加工速度的增加而增加,随辊弯道次数量、辊弯轧机间距和金属板带厚度的增加而减小。

关键词：辊弯成型圆管 TA2工业纯钛边波有限元仿真