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富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

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力学学报 2024年第2期56卷 422-432页

作者：姜晗于超康国政西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实... 详细信息

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触,导致其力学性能发生改变.实验研究方面,通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢,随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸-卸载实验,揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响.结果表明,氢会显著影响弹簧的相变硬化行为,并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速.理论研究方面,基于实验结果,在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力-扩散耦合本构模型.在该本构模型中,考虑了与弹性,马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响.通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力.基于质量守恒定律和Fick定律,得到氢浓度场的演化方程.为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为,在建立的本构模型基础上,进一步发展了描述弹簧力-扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型.通过与实验结果的对比,可以发现,提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

关键词：镍钛形状记忆合金弹簧富氢环境力-扩散耦合半解析模型

带孔形状记忆合金薄板弹热性能的实验和理论研究

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力学学报 2024年第9期56卷 2604-2615页

作者：庞云浩于超阚前华康国政西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板... 详细信息

NiTi形状记忆合金因其优异的弹热效应在新兴固态制冷领域具备广阔的应用前景.然而,该类合金较高的相变临界应力使得其弹热效应需要很高的机械载荷来驱动,对固态制冷器件的小型化和大规模应用带来了挑战.文章通过在NiTi形状记忆合金薄板上引入孔洞,揭示了孔洞体积分数、分布形式对薄板弹热性能的影响.结果表明,孔洞造成的应力集中效应能够在显著降低薄板相变驱动力的同时,有效增加薄板的整体制冷温度和吸热量.薄板在变形过程中的整体力-位移响应和温度演化强烈依赖于孔洞体积分数,孔洞分布形式仅仅影响薄板的局部应力-应变-温度场,而对整体的热-力响应影响较小.进一步地,基于应力对数客观率,在不可逆热力学框架下建立了形状记忆合金有限变形热-力耦合本构模型,并完成了模型的有限元移植.通过与实验结果的对比发现,提出的本构模型能够很好地预测孔洞对NiTi形状记忆合金薄板变形行为和弹热性能的影响,从而为该类合金带孔薄板的设计提供理论工具.

关键词： NiTi 形状记忆合金弹热效应带孔薄板热-力耦合本构模型

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异步反转式组合型垂直轴水轮机性能研究

中南大学学报（自然科学版） 2024年第3期55卷 1178-1187页

作者：陈云瑞周家逸郭朋华李景银西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049 西安交通大学航天航空学院陕西西安710049

为了解决升力型垂直轴水轮机因其较低的静力矩而无法应用于低流速海流环境的问题,提出一种内外转子异步反转的组合型水轮机。装置的外部是H型转子,内部采用Savonius型转子,2个转子在各自最优尖速比下运行,在提供运行效率的同时降低系统... 详细信息

为了解决升力型垂直轴水轮机因其较低的静力矩而无法应用于低流速海流环境的问题,提出一种内外转子异步反转的组合型水轮机。装置的外部是H型转子,内部采用Savonius型转子,2个转子在各自最优尖速比下运行,在提供运行效率的同时降低系统启动流速。利用CFD软件数值分析内部转子的转速、组合轮机的直径比对外部H型转子及组合轮机性能的影响规律。采用数值计算方法研究组合轮机在不同来流方向的静力矩系数。研究结果表明:当直径比小于0.4时,内部转子的尖速比几乎不影响外部H型转子的效率,但当内部转子尖速比大于0.5时,内部转子转换为耗功部件,组合轮机的效率降低;由于内外转子存在转速差,大直径比组合轮机的内外转子将产生较强的相位干涉,增加外部转子的扭矩波动,会降低组合轮机的寿命。因此,组合轮机的直径比应选择为0.2~0.4,内部S型转子尖速比为0.2~0.5。组合轮机在大部分流动方向下,静力矩系数显著提升。

关键词：组合型水轮机异步反转 H型转子 Savonius型转子

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缺陷二维材料强度

科学通报 2024年第22期69卷 3222-3237页

作者：张国强覃华松刘益伦西安交通大学航天航空学院多尺度力学-医学交叉实验室西安710049

材料失效是固体力学关心的核心问题之一,强度准则是描述材料失效的重要工具.二维材料如石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫化物等具有优越的力学性能,在能源环境、电子信息、航空航天、纳米器件等领域都有重要的潜在应用.二维材料缺陷不... 详细信息

材料失效是固体力学关心的核心问题之一,强度准则是描述材料失效的重要工具.二维材料如石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫化物等具有优越的力学性能,在能源环境、电子信息、航空航天、纳米器件等领域都有重要的潜在应用.二维材料缺陷不可避免,由于其原子级厚度和极低的离面刚度,缺陷残余应力会导致显著的应力集中和离面变形,从而显著降低材料的强度.尽管断裂力学理论被广泛用来描述二维材料的脆性断裂,但研究发现六方氮化硼的能量释放率超过Griffith预测值一个量级,与经典断裂力学理论预测不符.另一方面,虽然晶界强度理论解释了晶界强度随缺陷密度增加而反常升高的现象,位错堆积模型揭示了多晶石墨烯强度与晶粒尺寸间的赝Hall-Petch效应,但这些理论模型主要针对特定缺陷在单轴载荷下的失效行为,缺乏普适性.特别地,二维材料缺陷结构、加载状态多样,导致复杂的应力分布和变形失效模式,增加了建立普适性强度理论的难度.然而,从原子角度,材料失效的本质都是化学键发生断裂,特别是大部分二维材料都由共价键构成,因此从化学键失效的角度,得到化学键失效的本征标度,则有可能建立缺陷二维材料的统一强度理论.本文首先综述了近年来二维材料强度的相关实验、模拟和理论研究进展,着重介绍了缺陷二维材料的变形机理和基于化学键失效分析的缺陷二维材料统一强度准则.最后,本文讨论了二维材料强度理论的发展趋势,旨在促进缺陷二维材料强度准则的理论和应用研究.

关键词：统一强度准则二维材料强度化学键失效分析缺陷应力集中

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含局部缺陷的成对角接触球轴承接触载荷分析

航空动力学报 2024年第9期39卷 348-363页

作者：许恩典徐腾飞杨利花李子航胡禧龙王浩泽西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室西安710049 西安交通大学陕西省先进飞行器服役环境与控制重点实验室西安710049 西安交通大学航天航空学院西安710049

建立了外滚道含局部缺陷的成对角接触球轴承(DACBBs)准静态力学模型,并考虑了缺陷深度、周向宽度以及轴承的时变特性。在此基础上,对纯径向和联合载荷两种工况下局部缺陷的尺寸和位置对DACBBs内部接触载荷的影响进行了系统研究。结果表... 详细信息

建立了外滚道含局部缺陷的成对角接触球轴承(DACBBs)准静态力学模型,并考虑了缺陷深度、周向宽度以及轴承的时变特性。在此基础上,对纯径向和联合载荷两种工况下局部缺陷的尺寸和位置对DACBBs内部接触载荷的影响进行了系统研究。结果表明:接触载荷对缺陷非常敏感,当左右列轴承分别或共同含局部缺陷时,轴承两列的载荷分布有较大差异。含缺陷的那列轴承载荷分布会产生局部突变现象,突变的幅值和宽度随缺陷尺寸的增大而增大,而不含缺陷的另一列轴承突变很小。另外,成对轴承应视为整体进行研究分析,不同安装方式下,缺陷产生的影响也有较大差异。当前研究对揭示DACBBs的失效机制、可靠性分析以及设计具有重要意义。

关键词：成对角接触球轴承(DACBBs) 局部缺陷接触载荷分布接触角分布安装方式

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多体分离中初始扰动发展模式的理论分析

航空学报 2024年第12期45卷 82-94页

作者：魏斌斌高永卫孙博张亚龙胡淑玲郝礼书西安交通大学航天航空学院西安710049 西北工业大学航空学院西安710072

以载机-无人机分离系统为研究对象,基于六自由度运动方程,首次建立了初始扰动发展理论分析模型,得到了扰动幅值发展的显式表达,并首次给出了扰动分布的发展模式。研究表明:在对建立的理论分析模型进行求解时,对加速度/角加速度在初始时... 详细信息

以载机-无人机分离系统为研究对象,基于六自由度运动方程,首次建立了初始扰动发展理论分析模型,得到了扰动幅值发展的显式表达,并首次给出了扰动分布的发展模式。研究表明:在对建立的理论分析模型进行求解时,对加速度/角加速度在初始时刻进行三阶Taylor展开即可对扰动发展模式进行准确描述。扰动幅值在速度扰动方向上以线性增长模式为主导,增长率为速度初始扰动的标准差;扰动幅值在其他方向上呈非线性增长模式。扰动施加方向上的分布发展基本模式是初始分布;在其他方向上,加速度/角加速度在初始时刻的Taylor展开零阶项与初始分布一致,但高阶项显著偏离初始分布,随着时间的推进,高阶项逐渐主导整体的扰动分布,并致其逐渐偏离初始分布。

关键词：多体分离初始扰动扰动发展理论蒙特卡罗打靶无人机

融入几何先验的圆柱表面三维应变场双目视觉测量方法

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西安交通大学学报 2024年第6期58卷 162-173页

作者：张一鸣李广徐自力王珺闫松西安交通大学航天航空学院西安710049 西安交通大学复杂服役环境重大装备结构强度与寿命全国重点实验室西安710049 西安航天动力研究所西安710100

针对现有基于双目视觉的圆柱表面三维应变场测量方法从位移场计算应变场效率低下的问题,将圆柱结构几何先验信息融入子域投影法理论,利用圆柱标准坐标变换替代大量冗余的局部切平面最小二乘拟合求解,提出了一种融合圆柱拟合和子域投影... 详细信息

针对现有基于双目视觉的圆柱表面三维应变场测量方法从位移场计算应变场效率低下的问题,将圆柱结构几何先验信息融入子域投影法理论,利用圆柱标准坐标变换替代大量冗余的局部切平面最小二乘拟合求解,提出了一种融合圆柱拟合和子域投影的表面三维应变场计算方法;然后采用数值模拟方式,在不同应变区域和位移场噪声条件下,将所提方法与一般曲面子域投影法进行对比分析;最后开展圆柱拉伸实验,分别从单点和全场两个角度将所提方法的应变计算结果与应变片测量结果进行了对比。研究结果表明:在保证计算精度和位移场噪声鲁棒性的同时,所提方法将计算效率提高了约20%,且与应变片实验测量结果吻合较好,验证了该方法能够实现圆柱结构表面三维应变场的高效测量,也为规则结构表面三维应变场的计算提供了新思路。

关键词：双目视觉子域投影三维应变场圆柱拟合最小二乘拟合

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凹槽叶尖尾缘设计对高压涡轮气动性能的影响

航空动力学报 2024年第6期39卷 196-206页

作者：蒋红梅张子扬卢少鹏上海交通大学密西根学院上海200240 上海交通大学航空航天学院上海200240

针对凹槽叶尖,设计全凹槽、压力侧尾切、吸力侧尾切尾缘构型,研究不同尾缘构型及尾切位置对叶尖流动机理及气动性能影响规律。结果表明:压力侧尾切叶尖会导致凹槽涡泄漏位置前移,并且在吸力侧叶尖相应位置附近形成尾切涡,从而导致尾缘... 详细信息

针对凹槽叶尖,设计全凹槽、压力侧尾切、吸力侧尾切尾缘构型,研究不同尾缘构型及尾切位置对叶尖流动机理及气动性能影响规律。结果表明:压力侧尾切叶尖会导致凹槽涡泄漏位置前移,并且在吸力侧叶尖相应位置附近形成尾切涡,从而导致尾缘下游总压损失增大,最多增加了7.1%;吸力侧尾切叶尖凹槽内流动从切除位置流出而非横跨吸力侧肋边泄漏,总压损失相对减小,最多减小了4.6%。相较于全凹槽叶尖构型和压力侧尾切构型,吸力侧尾切构型具有更优的气动性能。

关键词：高压涡轮泄漏流凹槽叶尖气动性能尾切

燃料组件定位格架冲击屈曲仿真分析方法与屈曲行为研究

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核动力工程 2024年第3期45卷 161-169页

作者：刘胜李朋洲杨翊仁中国核动力研究设计院成都610213 西南交通大学力学与航空航天学院成都610031

燃料组件定位格架作为反应堆堆芯的重要部件,其动态屈曲行为直接关系着反应堆结构的安全。本文建立了燃料组件定位格架多次重复冲击仿真分析方法,对比了单次简单冲击仿真、多次重复冲击仿真结果与试验结果的差异,讨论了仿真分析方法对... 详细信息

燃料组件定位格架作为反应堆堆芯的重要部件,其动态屈曲行为直接关系着反应堆结构的安全。本文建立了燃料组件定位格架多次重复冲击仿真分析方法,对比了单次简单冲击仿真、多次重复冲击仿真结果与试验结果的差异,讨论了仿真分析方法对格架冲击动态屈曲行为的影响。研究发现:多次重复冲击仿真分析方法能够模拟试验重复冲击的累积变形过程,其仿真结果与试验结果吻合更好;多次重复冲击仿真和试验的冲击力-冲击初速度曲线在屈曲点附近形成屈服平台,屈服平台内回弹系数和冲击动刚度维持稳定,屈服平台后冲击力快速下降,同时回弹速度与回弹系数剧烈变化,单次简单冲击仿真的冲击力和回弹速度在屈曲点后维持稳定并缓慢增长;屈曲前,冲击加速度时程曲线具有近似对称特征,随着冲击初速度的增加,冲击回弹阶段出现“拖尾”,加速度曲线对称性破坏;多次重复冲击仿真和试验的格架屈曲变形表现为以底部横向剪切变形为主的一阶屈曲破坏,单次简单冲击仿真无法准确预测屈曲形态。本文提出的多次重复冲击仿真分析方法能建立更准确的分析模型,并更准确地揭示定位格架屈曲试验中的动态力学行为。

关键词：定位格架冲击屈曲重复冲击冲击力回弹系数冲击动刚度