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高强度钢板热成形工艺及多物理场耦合分析研究

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高强度钢板热成形工艺及多物理场耦合分析研究

作者：王晨磊湖南大学

学位级别：硕士

在汽车车身上应用高强度钢板是实现汽车轻量化、提高汽车碰撞安全性的有效途径之一。但随着钢板强度的提高，其成形性能大大下降，常规的冷冲压工艺很难实现其成形。而热成形工艺利用金属板料热塑性变形的特点，在高温下对板料进行成形... 详细信息

在汽车车身上应用高强度钢板是实现汽车轻量化、提高汽车碰撞安全性的有效途径之一。但随着钢板强度的提高，其成形性能大大下降，常规的冷冲压工艺很难实现其成形。而热成形工艺利用金属板料热塑性变形的特点，在高温下对板料进行成形，极大的提高了材料的成形性能，解决了高强度钢板在冷冲压条件下难以成形的缺点。该技术结合了传统的板料成形工艺与材料热处理淬火工艺，整个过程涉及板料、模具、冷却系统和周围环境之间的换热，板料在成形与淬火的同时，其应力场和温度场不断发生变化，并伴随着内部微观组织的转变。因此研究热成形多物理场耦合分析方法，探讨工艺参数对热成形工艺的影响规律，对制定合理的热成形工艺及其在实际中的应用具有十分重要的指导意义。本文根据高强度钢板热成形过程中换热形式及内容的变化，分析了板料转移、冲压和保压淬火阶段温度场分析的特点及方法。通过有限元软件ABAQUS对U型件的冲压过程进行热力耦合分析，阐述了板料在冲压过程中的温度场和应力场分布特点及变化规律，并探讨了主要成形工艺参数板料初始温度和冲压速度对热成形工艺的影响。在此基础上，针对热成形过程中的流体-固体、固体-固体共轭传热问题，提出了热成形热流固耦合模拟方法。在该方法中，使用结构力学软件ABAQUS模拟分析板料与模具之间的接触换热及两者内部的热量传递与热应力，同时利用流体力学软件FLUENT模拟分析模具内冷却水的流动与换热，然后通过集成软件平台MpCCI(Mesh-based parallel Code Coupling Interface)将两者联系在一起，对保压淬火过程进行热流固耦合分析，并基于该方法模拟研究了冷却水流速、冷却水温和保压压力对热成形工艺的影响。最后，以高强度硼钢板USIBOR1500为试验材料，依据仿真分析结果制定热成形工艺对汽车前立柱下角撑进行试验试制，并对其中部分热成形件进行微观组织分析和力学性能测试。试验结果表明：经过热成形工艺加工后，得到的组织为均匀板料状马氏体，力学性能得到了极大的提高，验证了工艺参数的合理性，证明采用上述数值模拟方法可以很好地指导热成形工艺的设计。

关键词：高强度钢板热成形工艺多物理场耦合分析数值模拟试验研究

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车用轮毂电机多物理场耦合分析

车辆与动力技术 2016年第3期 27-32页

作者：王光辉田德文刘华源中国北方车辆研究所北京100072

针对轮毂电机发热量大安装空间小又要满足高性能需求的问题,对轮毂电机进行多物理场耦合分析,首先在轮毂电机结构的基础上建立了电磁分析模型和电机的损耗分析模型,并通过有限元计算得到电机的损耗与效率等性能,而后结合电机温度场模型... 详细信息

针对轮毂电机发热量大安装空间小又要满足高性能需求的问题,对轮毂电机进行多物理场耦合分析,首先在轮毂电机结构的基础上建立了电磁分析模型和电机的损耗分析模型,并通过有限元计算得到电机的损耗与效率等性能,而后结合电机温度场模型,通过结构-电磁-温度多物理场耦合模型联合仿真对电机在最大转速最大损耗下的温度场进行有限元分析计算,结果表明:电机的额定功率满足设计要求,电机内部最高温度达到103℃,符合绝缘及温度使用要求.

关键词：轮毂电机有限元计算多物理场耦合分析

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基于多场耦合仿真的四轨电磁发射器性能分析

兵器装备工程学报 2023年第4期44卷 112-120页

作者：杜翔宇刘少伟关娇空军工程大学防空反导学院西安710051 空军工程大学信息与导航学院西安710051

电磁轨道发射器的工作过程涉及复杂的多物理场耦合现象,仅通过解析计算难以实现对电磁轨道发射器性能的全面分析。为了对电磁轨道发射器的动态发射过程进行研究,以四极凸轨道电磁发射器作为研究对象,建立了瞬态电磁-热-结构多物理场耦... 详细信息

电磁轨道发射器的工作过程涉及复杂的多物理场耦合现象,仅通过解析计算难以实现对电磁轨道发射器性能的全面分析。为了对电磁轨道发射器的动态发射过程进行研究,以四极凸轨道电磁发射器作为研究对象,建立了瞬态电磁-热-结构多物理场耦合仿真模型,采用CLM模型模拟发射过程中过盈电枢与轨道的电接触现象,得到了发射器工作过程中电枢、轨道受力随时间变化情况和电磁场、应力、温度分布。研究结果表明,发射器电枢、轨道受力的变化趋势与激励电流的变化趋势接近,趋肤效应和速度趋肤效应会引起受力的削弱。电磁力会改变接触面上的压力分布,改善枢轨接触状态,进而改变接触区域的电流分布。发射过程中,由于摩擦力作用,温升最大处位于电枢臂尾端而电流密度最大值出现在电枢喉部。所做的研究对了解发射器的动态发射过程及发射过程中的多物理场耦合机理具有一定参考意义。

关键词：电磁轨道发射器多物理场耦合分析动态发射过程数值模拟

基于多耦合特性的整体支撑式超高速微型永磁电机设计

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电工技术学报 2021年第14期36卷 2989-2999页

作者：高起兴王晓琳顾聪刘思豪李定华南京航空航天大学多电飞机与电气系统重点实验室南京210016 宁波市镇海银球轴承有限公司宁波315000

基于超高速微型永磁电机(UHSMPMM)受多物理场特性制约的问题,该文对超高速微型永磁电机支撑系统、电磁(热)设计、结构强度及动力学等方面进行综合设计研究。首先,结合超高速微型永磁电机的工作特性及微型转子结构特点设计整体式支撑系... 详细信息

基于超高速微型永磁电机(UHSMPMM)受多物理场特性制约的问题,该文对超高速微型永磁电机支撑系统、电磁(热)设计、结构强度及动力学等方面进行综合设计研究。首先,结合超高速微型永磁电机的工作特性及微型转子结构特点设计整体式支撑系统及电机整机架构;其次,研究高频条件下的电磁-损耗-温升特性,其中重点分析温升特性对转子结构强度的影响,并给出基于温度场耦合下的超高速转子结构强度关键参数的优化方法;再次,探究整体支撑系统中转子临界转速的影响因素及变化规律;最后,依据多耦合特性分析及优化结果,研制一台550000(r/min)/110W原理样机,并对样机进行实验测试。结果显示,该样机实现了稳定运行,从而证明了所提设计方法的有效性。

关键词：超高速微型永磁电机整体式转子支撑系统定转子结构设计多物理场耦合分析

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电磁选针器温度特性研究及系统测试

电磁选针器温度特性研究及系统测试

作者：朱宝华浙江理工大学

学位级别：硕士

随着针织技术的快速发展,人们对针织衣物的需求越来越大,而电子选针器作为圆纬机提花系统中关键的部件,其性能优劣很大程度上决定了针织衣物的质量。实际生产中发现,电磁选针器在长时间持续工作后,其产生的大量热量无法及时充分的散发,... 详细信息

随着针织技术的快速发展,人们对针织衣物的需求越来越大,而电子选针器作为圆纬机提花系统中关键的部件,其性能优劣很大程度上决定了针织衣物的质量。实际生产中发现,电磁选针器在长时间持续工作后,其产生的大量热量无法及时充分的散发,会对选针器的选针性能产生不利的影响,为此本论文针对电磁选针器散热对其性能影响的问题展开了研究。首先,介绍了电子选针器的种类,电磁选针器的物理结构及工作原理,并阐述了电磁选针器内部电磁力及热传递的基础理论。其次,利用COMSOL仿真软件对电磁选针器进行流热耦合分析。分别调整电磁选针器的关键结构参数、散热槽大小及位置、材料属性、外部冷却条件,对电磁选针器整体进行了温度分析,得出了不同参数条件下的温度对比图,得出了在18mm电磁铁间隙参数条件下,温度约能下降4.51℃。然后对此仿真数据进行实验数据对比研究,验证仿真模型的可靠性,进而证明优化电磁选针器散热性能的可行性。再次,基于COMSOL仿真软件对电磁选针器进行电磁热耦合分析。由于电磁力通常发生在几毫秒甚至几纳秒时间尺度上,而热物理场的温度变化通常则需要几分钟及更长时间,基于电磁力与热力时间基数相差太大的问题,创新性的提出了一种分离双向耦合的方法,来解决电磁场及热物理场仿真时间步长不统一的问题。分别改变电磁铁的关键参数,如脉冲电压及脉宽大小、线圈匝数、气隙大小,运用分离双向耦合的方法,同时对电磁铁进行温度分析和电磁力分析。对比不同参数条件下的温度曲线与电磁力曲线,得出了选用Al2O3(氧化铝陶瓷材料)作为电磁铁塑料骨架时,温度约能下降1.88℃,同时电磁力也有所提升。最后,设计了一种基于STM32F103C8T6芯片的电磁选针器温度测试系统,测试及验证电磁选针器在不同参数条件下的温度情况,对本论文的仿真部分进行了整体的实验验证。论文利用COMSOL仿真软件,通过对电磁选针器进行多物理场仿真,对其热力学及电磁力数据进行分析比对,得出了较优的散热条件,在散热性能提升的同时电磁力也有一定的增加,一定程度上优化了电磁选针器的整体性能。

关键词：电磁选针器电磁力分析热传递分析 COMSOL仿真多物理场耦合分析

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快速直流断路器中操动机构的仿真研究

高压电器 2020年第4期56卷 42-47页

作者：侯雨杉史宗谦刘少飞李昇国网重庆市电力公司电力科学研究院重庆401123 西安交通大学电气工程学院西安710049

直流输电电压等级的提高使之研制出相应的直流开断装置意义重大;而断路器操动机构的可靠性直接影响着其开断性能。笔者针对直流开断装置中断路器的操动机构展开研究,建立了一种基于电磁驱动、永磁弹簧保持的电磁斥力机构仿真模型,对其电... 详细信息

直流输电电压等级的提高使之研制出相应的直流开断装置意义重大;而断路器操动机构的可靠性直接影响着其开断性能。笔者针对直流开断装置中断路器的操动机构展开研究,建立了一种基于电磁驱动、永磁弹簧保持的电磁斥力机构仿真模型,对其电磁-结构耦合过程和电磁-机械运动耦合过程进行了分析。仿真结果表明:当分闸电容的充电电压为4000 V时,电磁斥力机构的电磁斥力峰值约为128 kN,金属盘的平均速度能达到3.7 m/s。金属盘的应力峰值出现在靠近驱动轴一侧(内侧),并从内侧至外侧逐渐减小。进一步设计并研制了实验样机,并通过实验对仿真结果进行了验证,两者具有较好的一致性。

关键词：直流开断装置电磁斥力机构多物理场耦合分析

含损伤热障涂层结构多物理场耦合问题的扩展逐层方法研究

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含损伤热障涂层结构多物理场耦合问题的扩展逐层方法研究

作者：麻硕中国民航大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBCs)是一种起热防护作用的涂层结构,因其优异的物化特性,在发动机涡轮叶片结构中被广泛使用。由于结构复杂,使用环境多样,实际服役过程中的多物理场响应预测十分困难。且其损伤形式是复杂的三维裂纹,难以进行多物理场断裂问... 详细信息

热障涂层(TBCs)是一种起热防护作用的涂层结构,因其优异的物化特性,在发动机涡轮叶片结构中被广泛使用。由于结构复杂,使用环境多样,实际服役过程中的多物理场响应预测十分困难。且其损伤形式是复杂的三维裂纹,难以进行多物理场断裂问题分析。本文结合了多物理场耦合扩展逐层方法和三维实体元方法,建立了含损伤热障涂层结构多物理场耦合断裂问题分析模型,对含典型损伤形式的热障涂层结构进行多物理场断裂问题分析,主要内容包括以下三个方面:首先,基于热-力混合变分原理,推导了热-力完全耦合求解问题的三维实体元控制方程。将热-力完全耦合三维实体元方法与热-力耦合扩展逐层方法(TM-XLWM)相结合,建立了热-力耦合扩展逐层/三维实体元方法(TM-XLWM/SE)。引入扩展逐层单元的坐标变换,结合Crank-Nicolson法和Newmark法,建立了含损伤热障涂层结构的热-力耦合动态分析模型。利用商用有限元软件建立三维弹性模型验证了方法的正确性,同时分析了不同功能梯度指数,以及损伤的存在对热障涂层结构位移、温度分布的影响规律。然后,基于化-力混合变分原理,推导了化-力完全耦合求解问题的三维实体元控制方程,建立了化-力耦合扩展逐层/三维实体元方法(CM-XLWM/SE),进而建立了含损伤热障涂层结构的化-力耦合动态分析模型。通过数值算例验证了本文模型的正确性,分析了损伤对热障涂层结构位移、浓度分布的影响规律。最后,基于热-力-化混合变分原理,推导了热-力-化完全耦合求解问题的三维实体元控制方程,建立了热-力-化耦合扩展逐层/三维实体元方法(TMC-XLWM/SE),对含损伤热障涂层结构进行了热-力-化耦合动态分析。通过数值算例进行了本文模型的正确性验证,得到损伤对热障涂层结构位移、温度和浓度分布的影响规律,并研究了三场变量之间的耦合效应。

关键词：多物理场耦合分析热障涂层结构扩展逐层理论分层损伤脱粘损伤

NGD3.0柴油发动机气缸垫设计及密封性能研究

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NGD3.0柴油发动机气缸垫设计及密封性能研究

作者：江国海辽宁工业大学

学位级别：硕士

随着柴油发动机动力和性能的不断提高,对其密封性提出了更高的要求,目前,研究人员对提高发动机密封性的研究重点主要集中在发动机功率以及燃料燃烧是否充分等方面。密封性能作为发动机使用性能的重要指标之一,虽已有科研人员对其进行了... 详细信息

随着柴油发动机动力和性能的不断提高,对其密封性提出了更高的要求,目前,研究人员对提高发动机密封性的研究重点主要集中在发动机功率以及燃料燃烧是否充分等方面。密封性能作为发动机使用性能的重要指标之一,虽已有科研人员对其进行了相关研究,但主要依靠设计人员的经验对其进行设计,在一定程度上阻碍了发动机密封性能的提高。本文以NGD3.0柴油发动机为研究对象,从产品开发的最底层,对发动机与之配套的气缸垫进行了设计,并对发动机整机密封性能进行了深入研究。研究内容主要包含以下几个部分:(1)采用逆向工程技术完成了柴油发动机气缸体和气缸盖的模型重构。运用Handyscan 3D手持激光扫描仪获取了发动机点云数据,用硅胶翻模技术得到了气缸盖内部复杂水道的结构参数;通过Geomagic Studio软件对点云数据进行了预处理,采用逆向/正向混合建模的方法在CATIA中完成了气缸体和气缸盖的模型重构;在Solid Works中,对发动机配套的螺栓进行正向建模,根据后续配套设计的气缸垫二维图纸对气缸垫进行正向建模,并完成了柴油发动机的整机装配。(2)根据柴油发动机气缸体和气缸盖结构参数以及性能参数,设计配套气缸垫。完成了气缸垫材料选择、结构选型以及理论密封力的计算;根据气缸体、缸盖结构,对密封筋的布局进行了合理安排和设计,并对其上所涉及的缸口、水孔、油孔以及螺栓孔等筋形结构进行了设计,最终完成了气缸垫设计。(3)对发动机垫片在密封性能上所表现出的结构非线性,基于有限元技术进行了稳态场研究。通过压缩回弹实验获取了气缸垫的压缩回弹曲线,根据获得的压缩回弹曲线完成了气缸垫材料属性的定义;运用ANSYS Workbench软件,采用简化气缸垫的方法对发动机进行了非线性分析;通过将数值模拟与面压实验的密封力的数据进行比较后,误差在合理范围内,整机密封力达到密封性能的要求,验证了所设计的气缸垫在密封性能上的合理性与可靠性。(4)考虑非线性因素影响,采用模拟压缩回弹实验的方法,将气缸垫密封涂层厚度和功能层厚度对发动机密封性能的影响进行了深入研究。得到了密封涂层厚度、功能层厚度与气缸垫密封性能的关系;通过插值拟合的方法确定出了最佳的功能层厚度与密封涂层厚度。通过调整气缸垫的涂层与功能层厚度,提高了气缸垫的密封性。(5)采用ANSYS Workbench软件对NGD3.0柴油发动机进行了多物理场的耦合分析,深入研究了流-热-固三场耦合作用下,得到了发动机的冷却液速度分布、整机温度分布以及整机位移等结果;探究了整机在冷却液、热应力和机械载荷的联合作用下,柴油发动机的密封性能。通过对整机进行上述的系列化分析,验证了所设计的气缸垫能够满足整机密封性能需求,发动机的密封性能得到了有效提高。(6)对设计的柴油发动机气缸垫进行了疲劳试验。通过疲劳试验获取了气缸垫在1000万次机械载荷作用下,气缸垫的受力与位移情况,最终验证了所设计的气缸垫能够满足疲劳设计寿命的使用要求。

关键词：逆向/正向混合建模气缸垫设计非线性模拟压缩回弹实验多物理场耦合分析疲劳试验