三种加载方向下云杉静动态力学性能研究

利用INSTRON和Hopkinson压杆对含水率为12.72%, 密度为413kg/m^{3}云杉木材试件沿顺纹、横纹径向和横纹弦向进行准静态和动态压缩实验, 获得了云杉木材3个方向的抗压模量、准静态压缩应力应变曲线和3种应变率下的动态应力应变曲线. 结果表明云杉木材沿顺纹方向加载破坏形式表现为木材纤维轴向屈曲、褶皱; 横纹径向和弦向加载失效行为表现为木材纤维间的滑移破坏. 云杉顺纹方向抗压弹性模量最大, 分别约为横纹径向抗压弹性模量的21倍和横纹弦向抗压弹性模量的32倍; 横纹径向和弦向准静态压缩屈服应力基本相等, 试件沿顺纹方向准静态压缩屈服应力约为横纹径向和弦向屈服应力的9倍; 动态压缩屈服强度具有率敏感性, 在应变率为500-1000s^{-1}动态压缩实验中顺纹、横纹径向和弦向动压屈服强度均随着应变率的增加而显著提高. 同时对不同方向压缩下木材胞壁失效行为进行了理论分析, 表明产生完全压缩失效的平均极限载荷与胞壁屈服强度、胞元结构和产生的褶皱长度相关.      

蜂窝夹心结构等效导热系数反演的边界单元法

对蜂窝夹心结构的等效导热系数进行反演,对于热防护系统的优化设计具有重要意义.本文应用高斯定理、径向基函数和径向积分法,推导了各向异性材料稳态热传导方程的边界单元表达式;应用Newton-Raphson迭代法和复变量求导法,对蜂窝夹心结构等效导热系数进行反演.分别应用形函数、高斯积分和径向基函数插值,对蜂窝夹心结构的边界...     

木材静压大变形本构关系研究

在研究木材静态缓冲特性的基础上,对实验数据进一步分析处理,得到了木材静压大变形情况下顺纹和横纹方向的静态本构关系。     

水溶性纳米铜的制备及其摩擦学性能研究

以氨基功能化羟基硅酸镁为修饰剂,采用原位表面修饰方法制备了水溶性Cu纳米微粒.利用透射电子显微镜观察了水溶性Cu纳米微粒的形貌,利用导热系数测定仪测定了水溶性纳米Cu分散液的导热系数,并通过SRV往复摩擦磨损试验机(球-盘接触方式)考察了水溶性Cu纳米微粒作为水基添加剂的摩擦学性能.结果表明:水溶性纳米Cu微粒作为水基添加剂能够显著减小钢-钢摩擦副的摩擦系数和磨损率,提高纯水的承载能力;在合适的浓度下,水溶性纳米Cu微粒可使纯水导热系数提高近10%.     

空气隔热夹层围岩温度场数值计算及试验分析

随着矿产资源的开采深度日益增加,矿井高温热害问题日益突出,研究新的隔热技术、隔热工艺已经成为控制围岩传热的重要研究方向。鉴于空气夹层结构在建筑围护结构和寒区隧道中的保温隔热作用,提出应用封闭空气夹层控制巷道围岩散热量的方法。采用ANSYS Fluent软件求解了含空气夹层的围岩温度场分布。通过相似理论设计了含空气夹层的巷道围岩温度场测试试验台,并应用试验结果对数值计算结果进行了验证,两者具有很好的吻合性,证明了ANSYS Fluent模拟结果的正确性。应用计算模拟结果和试验结果分析了围岩内温度场非稳态传热过程中的变化规律,发现因空气夹层内自然对流现象的存在,顶部、中部和底部围岩温度场发展并不一致,但其调温圈无因次半径均小于无隔热巷道。并通过实例计算研究,发现空气层厚度对围岩散热量影响较小,空气夹层厚度从2 cm增加到20 cm时,围岩单位长度散热量仅下降5%;围岩导热系数对空气夹层隔热率有着显著的影响,导热系数为0.59 W/(m·K)比围岩导热系数6.18 W/(m·K)时夹层隔热率衰减速率快。封闭空气夹层隔热结构适用于新掘进巷道或高温隧道的临时性隔热或围岩导热系数高的固定或半固定作...     

基于数据驱动模型求解热传导反问题

热传导反问题求解在工程领域具有重要的应用价值.本文发展数据驱动模型识别了管道内壁几何形状和皮肤肿瘤生长参数等热传导反问题.在管道内壁几何形状识别问题中,首先采用随机生成模型结合有限元法求解热传导正问题,并采用有效导热系数转化的思想,建立机器学习模型,求解了测点温度与有效导热系数之间的抽象映射关系,进而实现管道内壁几何形...     

车轮表面宏观形貌取向对高速轮轨水润滑黏着系数的影响

轮胎和沥青都属于低弹性模量材料,即使运动速度较低,流体动压导致的水膜也足以产生润滑作用.对于列车轮轨这类高弹性模量材料,只有当运行速度达到200 km/h以上,水的润滑作用才体现出来,使轮轨黏着系数大幅降低,给高速列车运行带来重大安全隐患.增大表面粗糙度一般能够提高轮轨黏着系数,然而研究表明,在表面粗糙度基本相同的条件下,表面形貌取向对混合润滑状态下的黏着系数有显著影响.文中用统一雷诺方程模型,计算了在水润滑状态下,具有纵纹、横纹、菱形等特定形貌取向的车轮在高速运动时(最高500 km/h)对黏着系数的影响,并将计算结果与平均流量模型计算的结果和已有的实验结果进行了比较.结果表明:各种形貌下,轮轨黏着系数都随速度的增大而减小,其中菱形的黏着系数大于横纹的,而横纹的黏着系数又大于纵纹的,影响黏着系数的主要因素是固体接触压力与总压力之比.在轮轨点接触椭圆率k1时,接触区的侧流效应不可忽略,用平均流量模型计算会导致谬误.     

车轮表面宏观形貌取向对高速轮轨水润滑黏着系数的影响

轮胎和沥青都属于低弹性模量材料,即使运动速度较低,流体动压导致的水膜也足以产生润滑作用. 对于列车轮轨这类高 弹性模量材料,只有当运行速度达到200 km/h 以上,水的润滑作用才体现出来,使轮轨黏着系数大幅降低,给高速列车运 行带来重大安全隐患. 增大表面粗糙度一般能够提高轮轨黏着系数,然而研究表明,在表面粗糙度基本相同的条件下,表面 形貌取向对混合润滑状态下的黏着系数有显著影响. 文中用统一雷诺方程模型,计算了在水润滑状态下,具有纵纹、横纹、菱形等特定形貌取向的车轮在高速运动时(最高500 km/h) 对黏着系数的影响,并将计算结果与平均流量模型计算的结果和已 有的实验结果进行了比较. 结果表明:各种形貌下,轮轨黏着系数都随速度的增大而减小,其中菱形的黏着系数大于横纹 的,而横纹的黏着系数又大于纵纹的,影响黏着系数的主要因素是固体接触压力与总压力之比. 在轮轨点接触椭 圆率$k<1$时, 接触区的侧流效应不可忽略,用平均流量模型计算会导致谬误.      

基于拓扑优化的自发热体冷却用植入式导热路径设计方法

对于具有较低导热系数和较高生热率的热源材料(自发热体),通过优化植入内部的高导热材料的布局以降低内部温度,是实现自发热体冷却的重要措施.如何设计自发热体内部高导热材料的布局,是实现热源内部热量高效收集和温度控制的关键问题.本文研究建立植入式导热路径的拓扑优化设计方法,考虑高导热材料的植入对于热源分布的影响,以实现自发热体冷却的内置导热路径最优设计.基于固体各向同性材料惩罚模型(solid isotropic material with penalization,SIMP)拓扑描述方法,以高导热材料的相对密度为导热路径描述参数,分别选择合适的热传导系数和生热率的插值模型以建立热传导系数和生热率与相对密度的关系,并以结构散热弱度最小为目标,建立了植入式导热路径设计的拓扑优化数学模型和求解方法.该优化模型能够反映高导热材料的布局对热源布局的影响.通过具体算例,给出了贴片式散热路径与植入式散热路径的拓扑优化结果.设计结构表明,两种优化模型获得的最优散热构型存在较大不同,并且考虑植入高导热材料对热源布局影响的设计结果散热性能优于贴片式散热路径的设计结果.数值算例验证了本文所提出方法的正确性和有效性.      

低碳钢单轴拉伸实验颈缩段的应力分析

为了深入研究塑性材料在单轴拉伸过程中的颈缩应力分布,结合Aramis三维应变测量系统对Q235钢和Q345钢进行了单轴拉伸实验。基于已有文献的颈缩外形理论,结合实验数据提出了颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式,并与传统经验公式进行了对比。采用本文给出的颈缩阶段几何尺寸的变化规律公式计算,Q235钢误差率为27.73%,Q345钢误差率为20.49%;采用传统经验公式计算,Q235钢误差率为64.33%,Q345钢误差率为70.78%。结果表明,本文提出的变化规律公式精确度远高于传统公式精确度。基于此,在考虑材料系数的基础上推导出了包含材料系数的半解析半经验应力分布方程。     

钻孔偏心对松弛应变和残余应力的影响

用盲孔释放法测残余应力的基本理论导出在任意钻孔偏心下应变释放系数 A、B 的精确公式.同时通过用偏心公式和不偏心公式计算得到的残余应力值的比较,说明钻孔偏心量对残余应力值影响很大.     

非对称循环时焊接节点的有效应力集中系数

本文建立了非对称循环时焊接节点的两个有效应力集中系数预测公式．理论计算与实验结果的比较表明，所建立的公式具有较好的准确度，可望为工程应用提供一种有效的分析方法．     

地下气化过程中煤系沉积岩热物理性能试验研究

利用GHC-Ⅱ型比热容测试仪、DRX-Ⅱ型导热系数测定仪等仪器,对乌兰察布地下气化煤层顶板泥岩、砂质泥岩、细砂岩、粗砂岩及粉砂岩等5种沉积岩体进行了50~1000℃范围内的高温物理试验研究,分析了不同温度梯度下的比热容及导热系数随温度的变化规律,并用多项式函数对5种岩样的导热系数测定结果进行了拟合,得到了导热系数与温度的拟合关系式。试验结果表明,5种岩样的比热容值随着温度的升高呈现下降趋势,在100~400℃范围内,5种岩样的比热容值下降趋势较为明显;顶板泥岩等5种岩性岩样的导热系数值随着温度的升高呈现下降趋势,随着温度的升高,粗砂岩导热系数值变化最大,由50℃时的1.412W/(m·K)下降至1000℃时的0.900W/(m·K),减小了36.3%;随着温度升高,粉砂岩导热系数值变化最小,其值由50℃时的1.200W/(m·K)下降至1000℃时的0.901W/(m·K),减小了24.9%。上述结果可为研究煤炭地下气化空间温度场分布提供必要的数据。     

高超声速飞行器大面积热防护系统的传热数值分析

隔热毡是高超声速飞行器防热系统中重要的组成部分。隔热毡内存在复杂的多种传热形式的耦合,本文详细地分析了隔热结构内导热与辐射的复合换热问题,用光学厚极限法分析了隔热层纤维席内辐射热流。建立了高温绝热毡有效热导率的数值计算模型,分析了温度和压力对传热机制的影响。该模型预测的有效导热系数与试验结果最大误差不超过6%。通过应用数值分析方法得到有效导热系数,建立了防热结构一维瞬态传热模型,该模型结果与瞬态实验结果最大误差为8%。最后还计算出不同厚度隔热毡蒙皮结构的温度响应,并分析讨论了隔热毡厚度对隔热效果的影响。本文研究表明:TPS隔热毡的厚度达到63.3mm后,继续增加尺寸,其隔热效率将明显降低。     

一般应力比时焊接节点的疲劳强度估算方法

考虑了焊接节点的几何形式、受载形式、材料、应力比、残余应力、板厚以及焊趾根部的短裂纹等因素对疲劳强度的影响。利用Ｐｅｔｅｒｓｏｎ公式和Ｔｏｐｐｅｒ公式，在引入极值疲劳切口系数概念的基础上，建立了一般应力比时焊接节点的两个有效应力集中系数估算公式，理论计算与实验结果的比较表明：用该方法预测焊接节点的有效应力集中系数有较好的准确度。文中的研究可望为工程应用提供一种有效的方法     

型钢混凝土偏心受压柱的二阶效应分析

由于型钢增加了柱的侧移刚度, 型钢混凝土(SRC)柱的二阶变形因此比钢筋混凝土柱明显减 小, 其偏心距增大系数已不能采用规范数值. 在理论分析的基础上, 提出SRC柱偏心距增大 系数的两种求解方法, 并以柱的受力特性为依据, 采用以极限曲率为参数的偏心距 增大法推导建立了计算公式. 总结国内其他学者在此方面的研究成果, 算例比较表 明, 所建议公式与已有公式的最大误差小于10{\%}, 其精度较高且便于使用, 可 为工程计算和规范修订提供参考.     

考虑剪切变形影响的开口薄壁梁约束扭转的扭转角分析

以开口薄壁梁约束扭转分析理论为基础,通过初参数法推导开口薄壁梁在外扭矩作用下产生的扭转角;推导了槽钢扭转剪应力不均匀系数的精确计算公式;为得到与Timoshenko梁理论类似的简化公式,探讨圣维南扭矩可以忽略时的情形,阐述了简化方法与理论解之间的误差来源,定义了剪切变形影响参数。通过具体算例分析跨度、高宽比等参数对扭转角的影响,并与符拉索夫理论、ANSYS壳单元、简化方法的计算结果进行对比。计算结果表明:当弯扭系数、高宽比恒定时,本文方法的解与符拉索夫解的最大误差从跨径为30m的16.15%到跨径为5m的89.5%;当弯扭系数、跨径恒定时,本文方法的解与符拉索夫解的最大误差从高宽比为1的6.9%到高宽比为5的62.44%;随跨径减小或高宽比增大,剪切变形不容忽略。当弯扭系数与跨径的乘积减小到一定值时可以忽略圣维南扭矩从而得到简化公式;高宽比增大,扭转剪应力不均匀系数先减小后增大。     

不同热物性下串联双圆柱共轭传热的数值分析

基于Chimera网格采用有限体积法模拟串联双圆柱在亚临界区的共轭传热,采用二维瞬态N-S方程,结合RNG k-ε湍流模型和压力Poisson方程方法,分析亚临界区(Re=6×104)不同固体与流体热容比以及导热系数比下,圆柱表面努赛尔数和圆柱内无量纲温度的变化规律.结果表明,圆柱内温度稳定后最高温度随着导热系数比的提高减小并逐渐趋于平缓,但体积热容比对于稳定后的温度场影响并不明显;另外圆柱内部最高温度位置随导热系数比提高而向后圆柱后部移动;下游圆柱的表面温度以及柱内最高温度均高于上游圆柱,而上游圆柱努赛尔数要高于下游圆柱.     

反对称横向荷载作用下钢梁的弹性弯扭屈曲研究

为了建立反对称横向荷载作用下双轴对称截面简支钢梁弹性弯扭屈曲的设计理论,考虑荷载比例系数ψ的影响,推导了反对称横向荷载作用下钢梁的弯扭屈曲总势能方程。采用Rayleigh-Ritz法得到了反对称横向荷载作用下钢梁弹性临界弯矩M_(cr)的通用计算式以及系数C_1、C_2的计算式,并总结了荷载比例系数ψ对临界弯矩的影响规律。采用有限元法对本文理论公式进行了验证,当0≤ψ≤4时,临界弯矩M_(cr)的理论解与有限元解吻合良好;当ψ4时,临界弯矩收敛于ψ=4时的值。在此基础上,通过线性回归分析,拟合出了等效弯矩系数C_b与荷载比例系数ψ以及跨长影响系数ξ之间的近似关系式,C_b的近似解与有限元解吻合较好,最大误差为6.5%,大部分工况下误差控制在5%以内。该拟合公式适用性较强,精度较高。     

粗糙套管内流体的流动与放热

本文对粗糙套管内水的放热及摩阻进行了试验研究,提出了相应的经验公式.试验表明,放热系数可增加一倍多.此外根据湍流理论还发展了半理论的计算方法,后者能很好地整理大量的粗糙套管的试验数据.