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。     

钢结构表面涂层受风沙冲蚀机理和评价方法

内蒙古中西部地区钢结构表面涂层受风沙冲蚀磨损严重.在模拟钢结构涂层受风沙冲蚀磨损试验的基础上,应用扫描电子显微镜(SEM)观测涂层在不同冲蚀条件下的冲蚀磨损部位微观形貌,分析涂层材料受风沙冲蚀磨损的损伤机理,提出了评价涂层冲蚀磨损程度的计算方法.结果表明:低角度冲蚀时微切削作用占主导,硬度起决定作用,高角度冲蚀时挤压变形占主导,柔韧性起决定作用,由于涂层硬度较低,柔韧性好,所以高角度时涂层的耐冲蚀性能较好;最大冲蚀磨损失重量出现在45°左右,是由于该材料具有介于塑性和脆性材料之间的冲蚀磨损特性;速度越大,粒子的动能越大,冲蚀磨损失重量越大;在低浓度时,冲蚀磨损失重量随着浓度的增加而增加,而在高浓度时则出现下降的趋势;评价公式的计算结果与实验结果吻合.研究结果为钢结构涂层的耐久性研究提供了理论依据.     

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。     

风沙环境下钢结构涂层低角度冲蚀特性研究

针对风沙环境中钢结构涂层长期受冲蚀,涂层破坏直接降低钢结构体系耐久性的现状,采用能模拟风沙环境的气流挟沙喷射法对钢结构涂层试件进行了低角度冲蚀试验,用失重测量法测定涂层冲蚀失重量与沙剂量和冲击速度关系,进而评定冲蚀程度,用扫描电镜(SEM)观测分析涂层冲蚀区的微观形貌来分析冲蚀机理,并提出了涂层冲蚀程度评价计算公式.结果表明:涂层冲蚀失重量随沙剂量和冲击速度的增大而增加;低角度冲蚀主要为微切削作用,材料硬度起决定因素,高角度冲蚀主要为冲蚀挤压变形作用,材料韧性起决定作用,由于涂层材料硬度低而韧性高,故在低冲角下其受冲蚀程度严重;验证了评价计算公式用于评价涂层冲蚀程度的可靠性.研究结果将为准确评价风沙区钢结构体系耐久性提供依据.     

风沙环境下钢结构表面涂层冲蚀行为与侵蚀机理研究

风沙环境的侵蚀和劣化作用严重影响着基础设施的安全耐久性.本文根据风沙环境特点,利用气流挟沙喷射法对钢结构涂层进行冲蚀试验,研究了涂层在风沙环境下的冲蚀磨损特性、冲蚀行为和侵蚀机理.结果表明:涂层磨损量随沙剂量和冲蚀速度的增加而增加;侵蚀机理为在低角度冲蚀下,涂层主要受微切削作用,而在高角度冲蚀下,主要受冲蚀挤压变形作用,由于涂层强度低而韧性较好,其在低角度冲蚀下的磨损更为严重.     

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。     

聚脲涂层的冲蚀磨损机理研究

采用高速含沙水射流冲蚀磨损试验机测试了聚脲涂层的冲蚀磨损性能,试验结果表明所制备聚脲涂层具有优异的耐冲蚀性能.根据Bitter的塑性材料冲蚀模型,应用Matlab程序进行拟合计算,探讨聚脲涂层在不同冲蚀角度和速度下的冲蚀规律,研究表明聚脲涂层在冲蚀角度30°时切削磨损量最大,而接近90°时变形磨损量最大.     

GM准则解析受线性荷载简支圆板的极限载荷

用GM(几何中线)屈服准则,对受线性荷载作用下的简支圆板进行塑性极限分析,求得极限载荷的解析解.该解为圆板半径a、切向应力最大点半径r0以及极限弯矩的函数.与Tresca、Mises和TSS(双剪应力)屈服准则预测的极限载荷比较表明,Tresca屈服准则预测极限载荷的下限,TSS屈服准则预测极限载荷的上限,GM准则预测的极限载荷恰居二者中间,并靠近Mises解.圆板半径a与切向应力最大点半径r0的变化关系为r0随着a的增加而增加,满足线性关系,r0分别出现在r0=0.7710a和r0=0.5472a的位置上.     

喷涂工艺条件对超音速火焰喷涂Cr3C2—NiCr涂层冲蚀磨损性能的影响

基于正交试验设计方法,系统研究了氧气流量、燃气流量和喷涂距离等喷涂工艺参数对超音速火焰喷涂Cr3C2-NiCr涂层冲蚀磨损性能的影响.结果表明:氧气流量、燃气流量和喷涂距离对2种冲蚀角度下涂层冲蚀磨损率的影响规律有所不同,在燃气流量为39.2L/min、氧气流量为421L/min、喷涂距离为205mm条件下,冲蚀角为30°时涂层的冲蚀率较低;而燃气流量对冲蚀角为90°时的涂层冲蚀率的影响受喷涂距离的制约,当氧气流量为444L/min、燃气流量为32L/min、喷涂距离为176mm时,相应的冲蚀率较低.     

接触载荷条件下表面缺口尖端应力场的光弹性分析

应用光弹性方法研究了不同接触载荷下缺口尖端的应力场，对接触疲劳裂纹扩张机理进行了探讨。结果表明：１）缺口体尖端附近垂直于接触载荷方向的压应力大大低于光滑体的压应力σＹ值，两种条件下的沿外载方向的压应力σｚ的大小随层深的变化相差不大；２）缺口体的最大剪切应力τ１２和τ４５的最大值在表面，而光滑体的τ１２和τ４５的最大值在表层下；３）有摩擦力时各应力分量的值大于无摩擦时相应应力值；４）接触疲劳裂纹主要以Ⅱ型方式扩张，扩张方向和路径与表层下最大剪应力的包络线一致。     

基于路径映射的埋入混凝土中PZT声能特性分析

利用ANSYS中路径映射方法将压电陶瓷辐射超声波的声压值分布映射到对应的路径上;通过改变路径和角度,并提取数据,分析在79k Hz频率下埋入混凝土中的压电陶瓷进行超声无损检测时声场声能量特性的变化规律。研究结果表明:随着压电陶瓷辐射的声场中扩散角逐渐增加,散射区域增大,声压下降,声能衰减均呈非线性变化,且半扩散角为60°时,声能衰减速度相对较慢;随着压电陶瓷辐射声波传播的距离增大,最大声压和最小声压分布也在发生非线性变化,当半径大于0.09m时,最大声压对应的位置偏离主声轴;当路径对应的半径小于0.08m时,最小声压值对应角度变化较小;当路径对应的半径大于0.08m时,角度变化幅度比较大,大体上是在45°~61°范围内变化;等长度地增加路径对应的半径时,超声波的声能并不是等量减小而是开始时衰减最快,然后逐渐减小。     

基于Hertz 理论圆柱和平面之间的滑动接触分析

当圆柱与平面之间产生摩擦滑动接触时,基于Hertz理论,推导了平面内应力分量的计算公式,分析了应力的分布,描述了应力分布的特点.在接触表面上,存在最大拉应力和最大压应力;最大拉应力出现在拖动边的边缘,而最大压应力发生在导向边的区域.因此,如果接触平面因拉或压应力引起失效,首先会出现在接触表面;第一型裂纹的产生及扩展首先会发生在拖动边的边缘.剪应力,主剪应力及Von-M ises等效应力(当摩擦系数较小时)的最大值均会出现在接触体内,存在于导向边.因此,塑性滑移开始首先会发生在接触体内,然后,才扩展到接触表面.这些结论为工程应用研究提供了依据.     

表面纹理磁盘滑动接触的温度和应力及退磁临界条件的研究

采用应力场和温度场耦合的有限元方法,计算磁头/磁盘滑动接触下铝基磁盘磁层内瞬态温度场和应力场及退磁临界条件,分析接触压力、滑动速度、摩擦系数以及磁盘表面纹理对磁层内最大摩擦温升值和最大应力值的影响.结果表明:波形纹理表面瞬间滑动接触所产生的温度分布呈波形特征,表面纹理越尖锐,磁层内的温度和应力越大;滑动速度对磁层内温度的影响大于对应力的影响;当磁层最大应力小于1.2 GPa时,所对应的速度和压力为安全工况;当温升大于180 K时所对应的工况将导致磁盘退磁.     

钢球斜侵彻碳纤维复合材料板的实验研究

为了研究碳纤维复合材料板（CFRPs）在斜侵彻下的抗弹性能,利用一级轻气炮对碳纤维复合材料板进行了70~280 m/s速度范围的0°、30°和45°的侵彻贯穿实验,通过高速摄影技术测量了弹体速度和弹道轨迹。分析了冲击角度对弹道极限、能量吸收和弹道偏转的影响。结果表明:在冲击能量较低时,靶板在正冲击下的能量吸收率比斜冲击高,而当冲击能量较高时则恰好相反;此外,由于弹体穿过层合板的穿透长度随着冲击角度的增加而增加,弹道极限随着冲击角度的增加而增加;而冲击角度对弹道偏转的影响则随着冲击速度的变化而变化。     

碳化钨颗粒增强钢基复合材料的冲蚀磨损性能研究

以直径为188～250 μm的石英砂为磨料,在自制颗粒冲蚀磨损试验机上对WC颗粒增强ZG45钢基表层复合材料的气-固两相冲蚀磨损性能进行研究,采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明,在相同冲蚀角条件下,增强相WC颗粒的直径越大,复合材料的耐磨性越差,复合材料在冲蚀角为45°时的冲蚀磨损率最大;而ZG45钢在冲蚀角为15°～30°范围内的冲蚀磨损率达到最大值,此后随着冲蚀角增加而减小;复合材料抗冲蚀磨损性能在较小冲蚀角(15°左右)下优于ZG45钢,在较大冲蚀角(≥30°)时劣于ZG45钢.     

几种等离子喷涂陶瓷涂层之固体粒子冲蚀磨损的特性与数学模型

研究了几种等离子喷涂陶瓷（Ａｌ＿２Ｏ＿３、Ａｌ＿２Ｏ＿３－ＴｉＯ＿２、Ｃｒ＿２Ｏ＿３和ＺｒＯ＿２）涂层的固体粒子冲蚀磨损特性及其冲蚀磨损机理，同时根据冲蚀磨损表面形貌特征的扫描电子显微镜观察，并且从准静态压印断裂分析入手，提出了这类陶瓷涂层在固体粒子于较低速度和较小角度冲击下的冲蚀磨损数学模型（试验选用的粒子冲击速度有３０ｍ／ｓ和７０ｍ／ｓ的两种，冲击角度为３０°）．研究结果表明，固体粒子冲击压印断裂－层状剥落是这类陶瓷涂层的主要冲蚀磨损机理。根据所提出的模型得到涂层的体积冲蚀磨损率Ｅｖ与其硬度ＨＶ呈反比关系（即Ｅｖ∝ＨＶ－１），这与试验结果相符；由该模型推导出涂层的Ｅｖ之速度指数ｎ＝２．１，这与试验结果基本相符。按照这种模型，对于固体粒子以较低速度和较小角度冲击的情况，高硬度的陶瓷涂层具有较高的冲蚀磨损抗力；通过改善陶瓷涂层的断裂韧性，可以有效地提高其在正向冲击时的冲蚀磨损抗力。     

氯化橡胶涂层冲蚀磨损行为的研究

针对含有海砂的海水环境,研究了氯化橡胶涂层在不同冲击角度、不同海砂浓度的环境中的冲蚀磨损行为及机理.结果表明:在含砂的海水环境中,氯化橡胶涂层的最大冲蚀磨损量发生在冲蚀角度为67.5°,最小冲蚀磨损量发生在冲蚀角度为22.5°;在不同冲蚀角度下,冲蚀磨损量均随着海砂浓度的增加而增加;低角度冲蚀磨损时,涂层的破坏形式主要以切削和犁削为主,高角度下,涂层的破坏形式则以变形与凿击为主.     

Al含量对FeCrNiCoCu高熵合金涂层组织结构及冲蚀性能的影响

采用放电等离子烧结(SPS)制备不同Al含量的Al_xFeCrNiCoCu(x=0,1,2,3)高熵合金涂层.通过XRD、SEM和冲蚀磨损等检测方法,研究了Al含量对该高熵合金涂层的组织及冲蚀磨损性能的影响.结果表明:FeCrNiCoCu高熵合金的微观组织主要为简单FCC结构的富Cu相及富Al相.随着Al元素增加,涂层的微观结构出现由FCC向BCC的转变.同时,涂层的硬度、耐冲蚀性也显著提高.随着冲蚀角度的增加,涂层的冲蚀磨损量逐渐增加,表现出脆性材料的冲蚀磨损特性.在冲蚀角度为90°时,随着Al元素的增加,涂层的主要冲蚀磨损机理逐渐由微切削和锻造挤压转变为犁削.     

两共面预制裂纹试样应力场特征与破坏模式研究

破坏模式决定着裂隙岩体的基本力学性质,通过对比分析典型两条共面裂纹的节理裂隙岩体试样的模型试验、模拟试验结果,系统地研究了预制裂纹倾角、侧压以及裂纹面摩擦系数等因素对试样应力场、破坏模式以及峰值强度的影响;进一步解释了不同裂隙分布条件下张拉次生裂纹、剪切次生裂纹的起裂、发展以及贯通路径与机理,系统地总结了两条共面裂纹试样贯通模式的演化规律。结果表明:随预制裂纹倾角从0°增大到90°,两共面裂纹试样第一主应力最大值呈现先增大而后减小的规律,倾角较小或较大时试样最大拉应力相对较小,而倾角为20°～70°时试样最大拉应力较大且45°～65°间达到最大;剪应力极值线绕预制裂纹尖端旋转,次生剪切裂纹起裂部位、发展方向均发生变化,接近0°和90°时试样内部最大剪应力值最小,倾角为20°～70°时试样最大剪应力相对较大且30°时剪应力达到最大;裂纹倾角较小时试样破坏路径由两预制裂纹中的一条与其次生裂纹贯通形成破坏路径,倾角较大时破坏路径通过两条预制裂纹以及其次生裂纹贯通形成;试样峰值强度变化曲线呈浅底"V"字形,倾角为0°、90°时峰值强度大体相同,倾角为45°时峰值强度达到最小且约为0°时峰值强度的40%～50%。     

椭圆截面弹体斜侵彻金属靶体弹道研究

为研究椭圆截面弹体对半无限金属靶体的侵彻弹道规律,基于14.5 mm弹道枪平台,开展了椭圆截面弹体在0°～20°倾角、850～950 m/s撞击速度下对2A12铝合金的斜侵彻试验。基于空腔膨胀理论及局部相互作用模型,建立了椭圆截面弹体侵彻弹道模型,并结合试验数据验证了模型的准确性。在此基础上,进一步分析了椭圆截面弹体长短轴之比、绕弹轴旋转角度、弹体撞击速度对侵彻弹道的影响规律。弹体长短轴之比为1.0时,弹体退化为尖卵形圆截面弹体,且椭圆截面弹体侵彻弹道稳定性随长短轴之比的增大而变弱,最优长短轴之比为1.0,即尖卵形圆截面弹体。椭圆截面弹体绕弹轴旋转一定角度后,侵彻弹道在平面曲线与空间曲线之间变化,当旋转角度为0°、90°时,侵彻弹道为二维平面弹道,当旋转角度在0°～90°之间时,侵彻弹道为三维空间弹道。当弹体撞击速度由800 m/s提升至1000 m/s时,椭圆截面弹体姿态角增量由18.6°降至17.8°。