双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究

针对丝扣粘扣中接触压力过大引发的塑性变形的问题,基于双台肩钻杆接头的三维有限元分析,分析了上扣扭矩、轴向拉力、旋转扭矩作用下的钻杆接头接触压力分布规律和Mises应力分布规律。研究结果表明:当轴向拉力达到2500kN时,主台肩上的接触压力降为零,这将使得载荷主要由螺纹牙来承担,增加丝扣粘扣的风险。当旋转扭矩超过24000N m时,一方面提高了副台肩上的接触压力,增加了副台肩失效的风险;另一方面大幅提高了螺纹牙的承载比例,增加了丝扣粘扣的风险。适当增大副台肩间隙和副台肩处的接触面积可以降低大位移井中副台肩失效的风险。适当增大主台肩、副台肩的接触面积可以降低超深直井中丝扣粘扣的风险。本文计算的三种工况条件下,最大Mises应力同样均位于公扣大端第一个螺纹牙处,说明该处是最易发生粘扣的部位,在螺纹结构的优化设计中应予以重点考虑。     

自引力旋转球壳的弹性力学解

考虑旋转对自引力球壳的影响,借助MATHEMATICA符号计算软件求解了Navier方程,得到了自引力旋转球壳的弹性力学解析解,给出了应变和应力张量的解析表达式,并分析了应变和应力张量的性质,得到了在球壳或球体内主应力最大的位置,即在极角θ≈49°和θ≈131°处,或在纬度41°S和41°N处。     

自重体积力作用下坡体张应力及坡面位移的变化规律

为了提高对边坡体力学行为的认识,借助于FLAC有限差分软件的数值模拟,并结和相似理论的推导验证,研究了在仅有自重体积力作用的条件下,线弹性边坡体的一些力学特征及其与相关变量或物理力学参数的相关关系。没有外载荷影响时边坡地表最大主应力和最小主应力分别平行和垂直于地表,当深度增加时,主应力的取向逐渐变成竖直和水平两个方向,坡面处既有张应力区也有拉应力区,坡脚处亦存在较大的张应力,这是自重体积力作用下边坡体应力分布的一般性特征,在本文和前人的研究中都能体现。本文还重点揭露了：坡角线性增加时坡顶最大张应力的变化速率表现为：快——慢——快; 沿坡顶面竖直向下张应力随深度增加线性减小; 小变形条件下边坡应力场与弹性模量无关; 最后验证了满足相似理论的坡体,坡面对应点的位移比是其几何尺寸比的平方倍。本文不仅是对既有研究成果的进一步补充,而且为以后研究复杂条件下边坡体的力学特征奠定了基础,对于理论和实践都有一定的启发意义。     

超深矿井提升机钢丝绳与绳槽接触研究

通过建立钢丝绳和绳槽的协调表面无摩擦的接触模型,推出了接触压力分布、接触半角和应力场表达式,并得到了封闭型式的数值解。结果表明:第1层绳圈径向力仅当上层钢丝绳压在上面时才发生明显跃变;左、右绳区同一绳圈离左、右腹板距离不一致引起径向力差值越来越大;钢丝绳与绳槽的接触半角和钢丝绳所受径向力呈正相关变化;法向压力仅分布于接触区域内,在?(28)0°(?为接触角变量)处取得最大值,在接触边界和非接触区内为0;绳槽表面环向应力在?(28)0°和?(28)?时存在最大压缩应力和最大拉伸应力;绳槽内部最先发生塑性变形,与钢丝绳接触的边界处因局部应力集中易发生疲劳破坏。研究结果对于深入研究和提高超深井提升机钢丝绳寿命以及提升运行安全性具有重要的参考价值。     

钢轨轨缝接触-冲击的有限元分析

基于弹性点支承梁模型，采用三维非线性动力分析有限元程序ANSYS／LS-DYNA3D，建立了轮轨轨缝处接触一冲击有限元分析模型，通过模拟车轮经过轨缝时冲击钢轨接头的过程，研究了冲击过程中轨头的应力分布情况．结果表明：车轮冲击钢轨接头时，轮轨间最大垂向接触力出现在冲击开始后0．5ms左右，约为静载时的2．6倍，且在一定时间段里，轮轨间出现瞬时脱离现象．同时，轮轨间接触力及各种最大应力均随着轴重的增加成正比增大；当车轮冲击轨端瞬时，最大Von Mises等效应力出现在轨端头部，约为静接触时的3倍；最大剪应力发生在离轨顶面5mm处．研究结果对于揭示轨头的冲击破坏机理和改善铁路轨缝连接方式具有指导作用．     

风沙冲击作用下涂层与基体界面应力、位移及破坏机理研究

应用界面力学镜像点法及断裂力学理论分析了风沙冲击作用下钢结构表面涂层与基体的界面问题。分析结果表明:冲击角度一定时,界面应力随着冲击速度的增大而增大;冲击速度一定时,界面正应力在冲击点附近较大,在冲击角度为45°时最大;界面切应力在冲击角度为30°时达到最大;冲击角度一定时界面位移随着冲击速度的增大而增大,界面水平位移在冲击角度为30°时最大,冲击速度一定时界面垂直位移随着冲击角度的增大而增大。界面破坏机理是因为界面存在应力集中现象,易发生破坏,切向破坏较为严重。     

风沙粒子冲击钢结构涂层力学行为的理论与有限元分析

利用接触力学理论和三维有限元分析了钢结构受到风沙粒子冲击后其涂层表面接触区应力、涂层内部应力、涂层与基体界面上应力的分布规律。分析结果表明:涂层表面径向应力在接触中心出现最大压应力,在接触区边缘出现最大拉应力,且在接触区边缘易发生环状撕裂破坏;在涂层内部,涂层对Z向应力的承受力较好;涂层内部剪应力的最大值出现在碰撞接触点的左下方和右下方,这两个位置易受到剪切破坏,在接触点和剪应力最大值之间的剪应力变化速度较大;涂层与基体界面上r/h为0~0.4时,Z向应力变化较小;在r/h为0.4~1时,Z向应力剧烈减小;r/h1时,Z向应力基本保持不变;涂层与基体界面上剪应力最大值出现在冲击点附近,且冲击点附近剪应力变化较大,易引起剪切撕裂破坏。     

隧道围岩弹-脆-塑性应力的三剪统一解

基于三剪统一强度准则,采用更符合脆性岩石峰后强度特性的弹-脆-塑性模型,推导了考虑第二主应力和脆性软化共同影响的隧道围岩应力解,并与广义Hoek-Brown强度准则解进行了比较。研究结果表明:第二主应力、围岩材料模型、脆性软化均对围岩应力大小及分布具有显著影响。本文准则参数b=0时的应力解析解与广义Hoek-Brown强度准则应力解的峰值和分布规律均有较好的一致性,说明了本文应力解的合理性;当岩体强度具有明显的第二主应力效应时,广义Hoek-Brown强度准则已不再适用,但本文准则参数b>0时的应力解则具有很好的适用性。同时,理想弹-塑性模型低估了围岩塑性区范围,在准则参数b分别为0、0.05、0.1的情况下,弹-脆-塑性模型的围岩塑性区半径R相比理想弹-塑性模型平均可以增大45.5%;考虑第二主应力效应可以更加充分发挥岩石材料的强度潜能,随着准则参数b的增大,即第二主应力σ2效应的增大,围岩塑性区半径R和临界支护力py均不断减小,相比准则参数b=0时最大值分别减小了18.9%和10.8%。峰后粘聚力cr对围岩应力的影响也很显著,随着峰后粘聚力cr的增加,塑性区半径R不断减小,cr=0.11 MPa时的塑性区厚度比cr=0.055 MPa时减小43.3%。     

风沙冲击作用下钢结构表面涂层与基体界面应力研究

在应用接触力学分析风沙冲击钢结构表面涂层的动力基础上,应用界面力学镜像点法分析涂层基体界面应力,并计算分析风沙冲击作用下涂层与钢结构界面应力。分析结果表明：界面正应力随着冲击速度的增大而增大,界面正应力在冲击点附近较大,越远离冲击点越小,在冲击点处,界面正应力随着冲击角度的增大而增大,90°时达到最大,当离冲击点有一定距离时,界面正应力在45°时达到最大。界面剪应力也随着冲击速度的增大而增大,且界面剪应力在冲击角度为30°时达到最大值,界面剪应力在离冲击点距离x=1mm的界面处,界面剪应力达到最大值,当x≤1mm时,界面剪应力随着x的增大而增大,当x＞1mm时,界面的剪应力随着x的增大而减小。     

脊柱L3-L5段机械模型的力学特性分析

借助计算机辅助设计软件SolidEdge,根据人体解剖学数据建立了人体脊柱L3-L5段近似三维几何模型,并利用有限元分析软件ANSYS进行赋值,模拟了脊柱L3-L5段的结构特性、材料特性、接触特性。将椎骨划分为皮质骨、松质骨等结构,用接触连接的方法模拟了椎骨与椎间盘之间、小关节之间的连接情况,采用实体单元Solid187对其进行网格划分。对该三维有限元模型进行加载分析,得到其在200N轴向力作用下和100N侧向力作用下的应力和变形数据,该数据可以为脊柱生物力学的研究和侧凸脊柱的病因及矫正提供一定的参考依据。     

大展弦比机翼中液压管路的抗大变形设计与优化方法

提出了一种大展弦比机翼管路的抗大变形设计与优化方法。首先建立了大展弦比机翼平板-不同布局管路的装配简化模型;然后分析了在机翼大变形下,管道的弯曲位置、弯曲半径、横向距离、弯曲角度等几种不同布局参数,对管路根部应力、最大应力和卡箍处变形的影响关系。结果表明:弯曲位置与横向距离对应力有较大影响,弯曲位置靠近机翼根部可以降低管道根部应力,但是最大应力显著增加,横向距离的增加可以降低管路根部应力以及最大应力;弯曲位置和弯曲半径对卡箍处变形有较大影响,随着弯曲位置从机翼板根部向变形处移动,卡箍处变形量均先减小后增加,弯曲半径的增加会降低卡箍处变形量。采用遗传算法得到在机翼大变形下最优的管形布局,结果表明,卡箍附近最大应力比直管降低了51%。     

深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害，基于岩爆能量原理，提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念，分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托，通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发，系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律，研究表明：由于围岩的局部让压效应，对围岩的扰动减少，冲击波能量在掌子面处被吸收和反射，导致动力响应减弱，使动力荷载有所消减。洞室开挖后，围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主，剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放，发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。     

二维平纹编织复合材料压缩力学行为研究

通过对二维平纹编织复合材料压缩力学性能进行三维有限元计算,对复合材料在沿垂直于编织平面方向和纤维束方向压缩后的微观应力场进行了分析。对于沿垂直于编织平面方向的压缩(即横向压缩),发现在经纬向纤维束相互交替处基体材料的横向压应力最大,是其薄弱部位。分析表明,与0°/90°层合板相比,编织复合材料受到横向压缩载荷时,自由边界处层间剪应力较大,容易发生层间裂纹,与实验观察相吻合。通过改变纤维束截面尺寸和纤维束之间间隙大小研究了破坏面角度的变化。     

沥青混凝土心墙堆石坝应力变形有限元分析

基于邓肯-张E-B非线性模型,对某沥青混凝土心墙堆石坝进行三维有限元分析,研究该坝在竣工期及蓄水期坝体与心墙的应力变形特性,得到不同时期坝体、心墙的应力、变形分布规律。结果表明:竣工期及蓄水期坝体最大沉降值出现在约1/2坝高处;坝体沿水平位移方向上游部分呈现向上游变位的趋势,坝体下游部分呈现向下游变位的趋势;坝体大、小主应力随深度的增加而增加;心墙的最大沉降值出现在大约1/2墙高处;心墙沿坝轴线位移左右岸分别产生向河床中部的位移;心墙大、小主应力随深度的增加而增加,心墙基本全部受压,仅在左右岸与基座接触处出现小范围的拉应力区;蓄水期心墙在任意高程处的竖向应力均大于同点的上游水压力,故心墙发生水力劈裂的可能性很小。建议设计时应在上下游坝坡采取必要的护坡措施,施工时保证上下游坝坡附近坝体的压实质量;由于左岸岸坡太陡,与混凝土垫座相接的部位出现较大的拉应力,应进行相应的开挖处理。     

渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳失效成因再分析

联合采用表面失效分析和有限元应力分析的方法,研究了渐开线直齿圆柱齿轮接触疲劳失效的成因.结果表明:由啮入线至第一次双对轮齿啮合结束部分齿面上密集的表面点蚀与该段啮合齿面相对滑移大,所消耗的摩擦功最大,摩擦应力大于第二次双齿啮合部分,而且最大剪应力更靠近齿面等因素有关.靠近节线的齿根齿面上的片状大块剥落属次表面点蚀,是由于该部位的次表面剪应力最大,位置最深,并且承受了前一对轮齿脱离啮合带来的冲击作用.紧邻啮入线附近齿面的较浅的剥落点蚀是由于承受啮入冲击,最大剪应力较大且出现位置较浅,齿面相对滑移最大所造成的,并与该处的表面点蚀坑有关.     

严寒地区碾压混凝土坝越冬层面温控防裂研究

进行严寒地区碾压混凝土坝越冬层面温控防裂研究,为越冬层面温控防裂设计提供理论依据。针对严寒地区某碾压混凝土重力坝,考虑碾压混凝土热力学参数随龄期的变化、碾压混凝土浇筑进度对温度应力的影响,对碾压混凝土重力坝施工期和运行期全过程进行三维有限元仿真计算分析,着重分析越冬层面应力分布特征。结果表明:约束区和非约束区的越冬层面温度应力分布特征相似,但约束区越冬层面温度应力较大;未采取温控措施时,越冬层面上、下游侧铅直方向温度应力较大,致使越冬层面上、下游侧易出现水平裂缝;越冬层面中部顺水流方向温度应力也较大,因此中部易出现沿坝轴线方向裂缝。提出了采取表面保温、升温水管、微膨胀混凝土、设置水平人工短缝四种措施改善越冬层面的温度应力。采用表面保温和微膨胀混凝土可有效减小越冬层面上、下游侧和中部各个方向的温度应力;采用升温水管和设置水平人工短缝可有效减小越冬层面上、下游侧铅直方向应力。     

楔形模宽条料超塑性挤压非局部摩擦分析

为了考虑金属材料表面微凸结构对模具与工件接触区域上的非局部摩擦效应,在楔形模宽条料超塑性挤压加工问题中,首次采用Oden等提出的非局部摩擦定律代替经典的库仑摩擦定律,利用主应力法或工程法建立了相应问题的积微分形式的力平衡方程.在简化的情况下,采用摄动法求得所论问题的近似解,并分析了影响应力的非局部效应的相关因素.     

列车诱发环境振动在某古遗址内的应力分布规律研究

以陇海铁路沿线某古遗址为研究对象,采用考虑轨道不平顺、附加动载、轨面波磨效应的列车荷载作为输入,结合有限元软件及外接VDLOAD子程序,建立了轨道、道床、地面、古遗址的三维有限元分析模型。通过进行白噪声激励发现,古遗址竖向振动响应明显,且其主要响应频率集中于16~50Hz之间;另外研究了以120km/h运行的列车诱发振动和多遇地震作用下古遗址内应力的分布规律。结果表明:在列车诱发振动荷载作用下,古遗址内最大应力主要分布于古遗址二层关楼墙角以及门洞拱券处等复合受力位置,易造成应力集中,所得应力分布位置与现场观测所见古遗址裂缝分布位置基本一致;古遗址裂缝的分布大体与列车运行方向垂直,随着列车诱发振动的频繁作用及列车车速不断提高,顺列车运行方向振动效应对关楼现存裂缝的影响将逐渐增强;多遇地震作用下关楼应力主要集中于现有裂缝处,一旦发生小震易造成关楼裂缝继续发展甚至发生坍塌。     

非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

向错偶极子对楔型裂纹尖端场

研究了材料中楔型向错偶极子与楔型裂纹的弹性干涉问题. 运用复变函数方法获得了复势函 数和应力场的封闭形式解答,导出了楔型裂纹尖端应力强度因子的解析表达式. 讨论了向错 偶极子的位置、方向和偶臂长度对楔型裂纹尖端应力强度因子的屏蔽和反屏蔽作用规律. 研 究结果表明,向错偶极子靠近裂纹尖端时,对应力强度因子的屏蔽或反屏蔽作用非常强烈. 在一定条件下,楔型向错偶极子能够延缓楔型裂纹的扩展;偶极子的方向也存在一个临界值 使其对应力强度因子的屏蔽或反屏蔽效应最大. 此外,楔型裂纹张开角以及偶极子臂长对应 力强度因子也有较大的影响.