基于傅里叶级数的汽轮机叶根轮槽结构设计

提出了一种基于傅里叶级数的枞树型叶根轮槽的优化设计方法。在叶根轮槽构型表征方面,采用傅里叶级数-直线法,与传统的圆弧-直线法相比,不但具有高保真度和完备性,还扩大了优化的搜索空间,减少了设计变量数目,有效降低计算代价。在优化设计方面,为避免以最小化峰值应力为目标函数引起的迭代震荡和不收敛现象,采用KS函数凝聚应力值,降低了优化问题的非线性程度,保证优化快速稳定收敛。以三齿枞树型叶根轮槽为实例,优化结果表明,傅里叶级数-直线法和KS凝聚法优化可有效降低汽轮机叶根轮槽的应力水平,提高汽轮机结构的可靠性。同时,提出的结构表征和优化设计方法具有较高的通用性和实际工程应用价值,可方便扩展至其他工程结构型线设计。     

岩石试件端面摩擦效应数值模拟研究

试件端面摩擦效应直接影响试件内的塑性等效应变、侧向位移的分布和单元应力应变曲线。本文运用ANSYS中的接触单元模拟了平面应变状态下端面摩擦效应对塑性等效应变、侧向位移和单元应力应变曲线的影响,得到了不同摩擦系数时塑性等效应变及侧向位移的渐进变化形式。当接触面摩擦较小时,塑性等效应变图案为上下两个X形网络,侧向位移上下分布均匀;当接触面摩擦增大时,塑性等效应变网络向中部靠拢并且明显增大,侧向位移上下分布不均匀,中部较上下端面位移大;当试件端面侧向位移被限制,即摩擦力很大时,塑性等效应变网络变为一个X形局部化带,侧向位移分布更加不均匀,中部明显隆起。     

有限长滚子黏滑接触分析

有限长线接触在齿轮传动与滚子轴承中广泛存在，滚子端部的应力集中严重影响机械零件的疲劳寿命. 本文中基于矩阵法和重叠半空间模型方法建立了有限长滚子黏滑接触的数值计算模型，利用共轭梯度法和快速傅里叶变换方法对模型进行了求解；并且分析了滚子自由端面和不同切向力对滚子黏滑接触的影响. 结果表明:当两有限长滚子的自由端面完全重合时，切应力在端面不会出现应力集中现象，端面的黏着区域相比于中间截面的黏着区会缩小. 此外，随着切向力的增大，端面黏滑区域的切应力增大.      

多孔介质——自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质--自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究. 在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响. 结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差. 当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反. 较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.      

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。     

多孔介质-自由流界面应力跳跃条件下流动特性解析解

对非对称多孔介质-自由流复合通道内多孔介质内部及多孔介质与自由流体界面处复杂质量、动量输运特性进行研究.在多孔介质区采用Brinkman-extended Darcy模型并结合速度连续,剪切应力跳跃的界面条件对此复合通道内流体的传递现象进行求解,提出了考虑界面应力跳跃时非对称复合通道各区域流体运动速度及摩擦系数的解析式,分析了界面应力跳跃系数,达西数及无量纲多孔层偏心厚度对流体速度及摩擦系数的影响.结果表明:改变界面性质可在一定条件下明显控制各区域流体速度分布;在达西数、多孔层偏心厚度一定情况下,界面应力系数的增大会使界面流速减小,而使流体摩擦系数增大,特别是界面应力系数小于0的情况下变化更明显,此时若不考虑界面应力系数则会造成较大误差.当界面应力系数及多孔层偏心厚度均为较小负数值时,改变多孔层偏心厚度对界面速度的影响要大于改变界面应力系数的情况;而当界面应力系数及多孔层偏心厚度为较大正数值时,情况则相反.较大达西数下,界面应力系数及多孔层偏心厚度对流体摩擦系数的影响均较大,继续减小达西数至一定程度时,界面应力系数对流体摩擦系数的影响可忽略不计而认为只与多孔层偏心厚度相关,且对较大多孔层偏心厚度更敏感.     

生物瓣膜应力的数值模拟

应用有限元方法分析了瓣架的材料特性、瓣叶的材料特性和瓣叶的钙化等因素对瓣叶的应力分布的影响。分析结果表明：采用全弹性材料的瓣架将改善瓣叶的应力分布，最大应力区域将远离接缝部位；将生物瓣瓣叶材料简化为拟线弹性材料时，对瓣叶最大主应力等值线的分布影响不大，计算结果在一定范围内存在差异；当瓣叶出现钙化时，钙化点及其周围产生应力集中，促进钙化的进一步加剧。     

带槽平板的三维应力集中效应

本文提供了用电阻应变片方法测量一组不同厚度的带有对称圆槽的拉伸平板在应力集中部位的应力分布情况。实验结果表明,应力集中系数不仅与板平面的几何尺寸有关,而且与板的厚度有关。     

内啮合斜齿轮副齿面接触应力与有限元分析

针对数控内齿珩轮强力珩齿时被珩工件齿面应力分布规律问题,首次提出采用内啮合斜齿轮传动模型模拟替代内齿珩轮强力珩齿运动。以典型的Hertz接触理论为基础,首先计算节点P处齿面应力,其次通过计算内啮合传动啮合线上不同啮合点位置的综合曲率,引入压比系数,分析齿数为123的内齿轮分别与齿数为13、33、73、103的外圆柱斜齿轮在不同啮合线上的齿面应力分布情况。建立内啮合斜齿轮三维模型,利用三维有限元方法分别分析齿数为123的内齿轮分别与齿数为13、33、73的外圆柱斜齿轮的三个内啮合齿轮副在啮合线任意位置上的应力分布情况。结果表明:一对内啮合的齿轮副齿数差越大,且重合度小于2时,齿根处应力最大、节线附近处突然变大;齿数差越小时,齿根处应力最大。为此,内齿珩轮强力珩齿时尽可能采用齿数差较小的珩齿形式,以便控制被珩齿轮齿形挖根和中凹误差现象。     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

Photoelastic and holographic analysis of a turbine-engine component

Isopachics obtained by holographic methods are combined with the isochromatics and isoclinics of a conventional photoelastic analysis to obtain a complete two-dimensional stress analysis of a highly critical region of a jet engine. The analysis of the disk/blade dovetail region of the third stage fan of a turbine engine shows a stress-concentration factor of 5.2 in the disk fillet and 4.8 in the blade fillet relative to the average stress in the neck section of the disk. The stress distribution along the edge of the blade fillet and on an interior line in the disk lug is also reported. Preliminary redesign of the disk fillet indicates that a 27-percent reduction in the fillet stress of existing third-stage disks is possible by remachining the relief area between the blade and disk lugs.     

风剪切对风力机叶片气动性能及尾迹形状的影响

风力机通常运行在非定常工况中,其气动性能及尾迹会随着工况的变化而变化. 风剪切是风力机长期所处的环境,它会影响到叶片气动载荷、尾迹形状、总体性能等,分析风剪切作用下的叶片气动性能对风力机的设计有重要意义.本文采用一种时间步进自由涡尾迹(free vortex wake, FVW)方法,耦合FVW方法与风剪切模型,计算不同风剪切因子作用下叶片的气动力系数、推力以及风轮后的尾迹形状变化,研究尾迹形状变化对风轮旋转平面诱导速度及风力机叶片气动性能的影响. 结果表明:在风剪切入流条件下, 随着风剪切因子的增大,风力机的气动力系数随时间做周期性波动的幅度加剧, 推力的平均值逐渐减小,尾迹倾斜程度增大, 尾迹在轮毂下方的倾斜程度更明显;尾迹形状的变化使风轮平面轴向诱导速度因子分布不均匀,同时使风力机的总体性能降低且偏离较大;倾斜尾迹相比于对称尾迹对风轮平面处的诱导影响有明显差别, 波动幅值增大,气动力系数在波谷处的偏差比波峰处大. 尾迹越倾斜,风轮旋转平面处的载荷不对称性越明显.      

基于分形理论的双渐开线齿轮接触应力研究

综合考虑接触面粗糙度、材料特性等因素对齿轮接触应力的影响，基于分形理论和经典Hertz接触理论建立双渐开线齿轮分形接触模型. 该模型中，影响载荷和实际接触面积的主要因素包括分形维数、粗糙度幅值和材料特性参数. 理论分析表明:分形维数一定时，真实接触面积随着载荷的增大而增大；载荷一定时，接触面积随着粗糙度幅值的增大而减小；随着材料特性参数值的增加，在一定程度上加强了软材料轮齿承载能力，同时会使得微凸体由弹性变形到塑性变形的临界面积减小. 对比分形接触模型和有限元模型两种计算双渐开线齿轮轮齿接触应力方法，结果证明了分形接触模型计算双渐开线齿轮接触应力的有效性.      

Simulation of the stress-strain state and evaluation of the blade loading capacity in the case of impermeability testing of engine housings

A numerical methodology for determining the stress-strain state and the blade loading capacity is proposed to study the blade failure on the basis of stress redistribution in a given blade cross section due to an additional thermal loading and on the basis of the failure enforcement action on this cross section at a given frequency of rotation. The stress-strain state of the blade is numerically studied when the blade cross section is weakened. The proposed methodology is used to test the impermeability of a gas turbine engine housing using an acceleration stand.     

机车车轮踏面与钢轨接触的仿真计算及试验研究

应用轮轨型面测量仪测量实际运用中的磨耗后机车车轮，基于标准与磨耗后机车车轮型面，建立轮轨接触三维有限元模型，计算分析不同横移量下的接触斑和等效应力. 搭建轮轨接触试验台，使用取自现场的车轮与钢轨试块进行试验，分析不同横移量下轮轨接触状态. 针对磨耗前后车轮与标准钢轨接触的有限元计算与试验进行对比分析. 结果表明:横移量对轮轨接触状态有着显著的影响，横移量过大会加速机车车轮的磨耗；与标准型面相比，磨耗后车轮型面与标准钢轨接触时的接触斑面积较大，最大等效应力较小；通过轮轨接触试验台所得接触斑形状和大小与仿真计算所得结果一致性较好，证明了有限元仿真计算的可靠性.      

Experimental study on wheel-soil interaction mechanics using in-wheel sensor and particle image velocimetry Part I: Analysis and modeling of normal stress of lightweight wheeled vehicles

This study aims to develop a wheel-soil interaction model for a lightweight wheeled vehicle by measuring the normal stress distribution beneath the wheel. The main contribution of this work is to clarify the wheel-soil interaction using a wheel testbed that equips multiple sensory systems. An in-wheel sensor accurately measures the normal stress distribution as well as the contact angles of the wheel. Particle image velocimetry with a standard off-the-shelf camera analyzes soil flow beneath the wheel. The proposed model for the normal stress distribution is formulated based on these experimental data and takes into account the following phenomena for the lightweight vehicles that have not been considered in the classical model: (1) the normal stress distribution takes the form of a Gaussian curve; (2) the normal stress distribution concentrates in the front region of the wheel contact patch; (3) the distribution is divided into two areas with the boundary determined by the maximum normal stress angle; and (4) the maximum normal stress exponentially decreases as the slip ratio increases. Then, the proposed model is experimentally validated. Furthermore, a simulation study for the wheel driving characteristics using the proposed model confirms the accuracy of the proposed model.     

风机叶片涂层雨蚀研究

研究了风电叶片在雨水冲击下的失效过程,利用有限元方法建立雨水冲击的数值模型,分析了雨滴的冲击角度、直径、涂层性能等对涂层受力的影响,并对双雨滴及四雨滴耦合模型进行了研究。结果表明:风雨耦合流场中叶片最大载荷在叶尖处,涂层的冲击受力与雨滴冲击角度和雨滴直径的大小呈正相关。低模量涂层能大幅降低涂层受冲击时的拉伸应力,小幅增加其压缩应力。同一平面内的双雨滴耦合时,拉伸应力受影响的范围较大,压缩应力受影响的范围较小。不同高度差下的双雨滴耦合中,随着高度差的增大,材料拉伸和压缩应力都呈现先增后减的趋势,其中压缩应力随高度差的变化幅度明显大于拉伸应力。四雨滴耦合时压缩应力对间距的变化更加敏感。涂层失效的过程主要为:涂层表面拉应力疲劳产生微裂纹;液压渗透引起裂纹扩展,涂层质量减少,表面粗糙度增加;表面小范围破坏后形成的凹面结构促进涂层的失效。     

Investigation of horizontal-axis wind turbine (HAWT) blade threedimensional rotational effect based on field experiments

Field experiments are performed on a two-bladed 33 kW horizontal-axis wind turbine (HAWT). The pressures are measured with 191 pressure sensors positioned around the surfaces of seven spanwise section airfoils on one of the two blades. Three-dimensional (3D) and two-dimensional (2D) numerical simulations are performed, respectively, on the rotor and the seven airfoils of the blade. The results are compared with the experimental results of the pressure distribution on the seven airfoils and the lift coefficients. The 3D rotational effect on the blade aerodynamic characteristics is then studied with a numerical approach. Finally, some conclusions are drawn as follows. From the tip to the root of the blade, the experimental differential pressure of the blade section airfoil increases at first and then decreases gradually. The calculated 3D result of the pressure distribution on the blade surface is closer to that of the experiment than the 2D result. The 3D rotational effect has a significant impact on the blade surface flow and the aerodynamic load, leading to an increase of the differential pressure on the airfoils and their lift coefficient than that with the 2D one because of the stall delay. The influence of the 3D rotational effect on the wind turbine blade especially takes place on the sections with flow separation.     

不同轮轨接触模型在车桥耦合振动中的比较

以工程实例为研究对象,建立了整车-整桥系统耦合振动数值分析模型。考虑车轮的跳轨和挤密情况,建立了单边弹簧-阻尼系统弹性轮轨接触模型。采用基于多体系统动力学和有限元法结合的联合仿真技术,计算了两种轮轨接触时动车组列车以不同车速通过大跨度连续桥梁的耦合振动响应。数值计算结果表明:两种轮轨接触模型的桥梁动力响应比较接近;列车的横向轮轨力、轮重减载率和脱轨系数相差较大,当速度为350km/h时,横向轮轨力增大了46.5%,轮重减载率增大了130.8%,脱轨系数增大了24.66%;用单边-弹簧阻尼系统弹性轮轨接触模型更符合实际。