激光作用金属板材的温度场和热应力场

基于Von Mises屈服准则和弹塑性本构关系,建立了连续激光辐照金属基体材料的空间轴对称有限元模型.该模型考虑了金属材料在激光作用过程中的热学及力学性质的非线性,计算了光强为高斯分布的激光光束加热钢板时的温度场和热应力场,得到了温度场和热应力场的分布及其随时间的变化规律.通过对结果的分析,认为在激光作用前期热膨胀会造成热应力上升,而后期材料的热软化会导致塑性区域应力水平下降和其他区域应力水平增加缓慢甚至下降.有限元计算结果与已知实验结果的对比表明了有限元法的有效性.     

采用双光束CO2激光的玻璃切割过程数值模拟

采用双光束CO2激光的玻璃切割技术对平板显示器进行切割.分析了较大热应力产生的区域,建立了运动坐标系下的双光束CO2激光的玻璃切割过程传热数学模型,并对单、双光束激光的玻璃切割过程进行热应力数值模拟.计算结果表明,采用双光束CO2激光切割方法使热影响区域的温度场更加均匀,温度梯度减小,应力减小,可以有效地避免不可控裂纹的产生.提出的采用双光束激光的玻璃切割方法为工程应用提供了新的参考.     

多脉冲激光辐照ZF2玻璃的热力效应

在建立多脉冲激光辐照ZF2玻璃物理模型的基础上,采用解析解的形式计算了高斯型连续激光照射圆柱形靶板的二维温度场以及相应的应力分布。分析了高斯光束作用时,环向热应力最大值及其作用时间的关系,指出三维时,"热扩散长度"的概念不再适合。通过数值分析给出了与特定参量相对应的拟合公式,并计算出相应的损伤阈值。对理论计算与实验结论进行了比较,验证了理论模型的合理性。     

钠钙玻璃在CO2激光作用下的热应力分析

为了研究钠钙玻璃在预热和无预热两种情况下进行激光加工所产生的热应力的差别,在考虑辐射和对流的情况下,建立了激光扫描玻璃板的传热数学模型.分析了热应力与温度场分布之间的关系,并用有限元软件Ansys进行了数值模拟,得到了钠钙玻璃在预热和无预热两种情况下进行激光加工的温度场和应力场分布.计算结果显示预热后进行激光加工产生的热应力小于无预热的情况,试验结果与理论分析和数值计算基本符合.     

电网中激光除冰技术分析

激光除冰技术是一种非接触式除去电气设备覆冰的新技术。为了考察激光对冰块的作用情况,并为选取激光除冰的最佳参数提供理论依据,该文结合实际激光除冰情况,利用有限元分析软件建立了激光与冰块的作用模型,对冰块中瞬态温度场与应力场进行了仿真,得到了温度场与应力场分布的变化过程图、不同初始温度冰块的融穿时间曲线以及不同激光功率、不同光束直径时冰块融穿时间变化曲线。通过仿真分析,给出了激光除冰设备参数选择的具体要求,对实际除冰具有重要指导意义。     

金属材料中激光产生熔池的数值模拟及应用

数值模拟了激光与金属铝相互作用的温度场和流场,求解热传递与层流耦合的PDE方程.数值模拟中选取符合实际光束分布的激光参数,考虑了自然对流、表面张力梯度引起的Marangoni对流和热物理参数依赖于温度的实际情况.针对γ/T<0,γ/T>0,γ/T=0等3种不同的表面张力梯度,计算得到了激光产生熔池的温度场、熔池速度场及熔池的形状.研究结果表明,金属材料内的温度场分布与入射高斯光束光强分布具有相似特征;Marangoni对流是熔池内液体流动的主要形式;γ/T的大小和正负对熔池内流体的运动起决定性作用,可对熔池形状产生很大影响,进而影响激光加工的质量.     

直角三通加热结构的多物理场耦合数值分析

以盘式干燥机加热盘为研究对象,为了研究其内部流场、温度场及热应力分布情况,将加热盘简化为三通管结构,提出了流-固-热-力多耦合分析方法,建立有限元模型,联合有限元软件ABAQUS求解4种时间下(0s,30s,60s,90s)加热盘的流场、温度场以及热应力分布.结果 表明模型内通入高温烟气,加热盘入口处温度最高,随着时间变化30s之后流体模型内高温烟气分布均匀,温度均匀;固体模型温度场随着时间变化,温度升高,热应力逐渐增大,90s时热应力最大,发生热应力集中现象.     

激光内割过程温度场的数值模拟

对激光内割快速原型系统中激光焦点与透明聚合物材料内部作用后的温度分布进行了研究．在传热学的基础上建立了激光焦点在透明材料内部作用时的温度场模型，借助于大型有限元分析软件ANSYS进行了数值模拟．数值模拟结果与实验现象相符，不仅为优化激光内割系统的工艺参数提供了理论依据，而且对实验过程中出现的一些现象和结果给出了相应的解释。     

基于数值模拟的大型原油储罐热辐射响应研究

为了得到一定热辐射条件下储罐的失效时间,对大型原油储罐在热辐射作用下的热响应进行研究,提出基于数值模拟的分析方法。利用FDS软件构建10万m~3原油储罐燃烧模型,模拟得出邻罐所受到的热辐射强度分布;利用ANSYS软件构建10万m~3原油储罐受热模型,分析储罐受到热辐射时的温度场分布;考虑储罐钢材的热物理性质,分析储罐在考虑热应力和不考虑热应力这2种条件下各自的失效时间。研究结果表明:考虑热应力时储罐经过245 s便发生失效,不考虑热应力时储罐理论失效时间超过3 600 s,可见大型原油储罐区火灾事故中热应力是储罐受热失效的关键因素。     

激光作用下复合材料损伤的数值模拟

针对激光对纤维增强复合材料的破坏问题,在考虑复合材料细观结构的情况下,运用有限元软件ANSYS对材料温度场、热应力以及烧蚀损伤的演化进行了数值模拟.详细研究了激光参数、材料参数(如功率密度、材料热导率等)对复合材料损伤和烧蚀过程的影响.特别给出了温度场、热应力场和烧蚀场随时间的变化.研究表明考虑细观结构的模型比均匀化模型能更好地模拟复合材料的破坏.     

瞬态热冲击下热电材料梁的温度场及热应力分析

基于热电材料特性,通过热电平衡方程和本构方程,得出热电材料梁瞬态模型的控制方程.采用分离变量法结合模型的初始条件和边界条件求出热电材料梁的非线性瞬态温度场,根据热应力理论分析求出瞬态热应力场,利用数学软件MATLAB给出了热电材料梁的呈抛物线分布的瞬态温度场和瞬态热应力场的特性曲线,研究了热冲击载荷下的热电材料梁在热电耦合环境中的热应力分析.讨论了不同时刻温度场和应力场随厚度的变化,以及对比p型和n型Bi₂Te₃热电材料梁热应力特性曲线.结果表明:瞬态温度场受其瞬态项的影响随厚度增加有增有减;瞬态温度场和瞬态热应力场随时间的增加最终趋于稳态不再随时间变化;趋于稳态后的Bi₂Te₃热电材料梁的热应力最值大于瞬态下的热应力最值;p型Bi₂Te₃热电材料梁的热应力总是大于n型Bi₂Te₃热电材料梁的热应力.     

深埋巷道围岩温度场的数值模拟分析

为了研究深埋巷道围岩温度场的分布规律．基于传热学和渗流理论建立了深埋巷道围岩的热扩散数学模型．结合边界条件采用MATLAB对其进行了数值求解,获得了在风流和渗流耦合作用下围岩的温度场和温度矢量分布。研究结果表明,无渗流状态下温度场和温度矢量呈对称分布,风流速度对温度分布有明显的影响,但不改变其对称分布的状态。渗流改变了温度场和温度矢量原有的对称分布的状态,热交换平衡区随着渗流速度的增加,将向顺渗流的方向移动。     

气体钻井井底低温对岩石破碎的影响机制

首先分析井底钻头喷嘴的Joule-Thomson效应,其次,建立急剧冷却条件下井底岩石的温度场分布模型,并以此建立井底岩石动态热应力分布模型,对气体钻井井底热冲击应力进行深入剖析。此外,通过引入井底岩石裂纹尖端应力强度因子,对钻头载荷和热应力共同作用下的井底岩石裂纹扩展失稳进行分析,对砂岩岩样进行液氮冷却试验,并对其进行声波实时测量。结果表明:在热应力的作用下岩石裂纹的抗扩展阻力存在极小值,气体钻井岩屑粒度较小;随着温度的降低,波速在岩石中呈线性衰减,声波的首波波幅也有明显的延迟,说明冷却处理对岩心内部结构产生了很大影响。     

岩石加载破坏红外温度标准差指标分析

岩石受载破坏过程中,岩石表面温度场会随应力增加而发生变化。对完整红砂岩开展真三轴试验,含裂隙花岗岩开展单轴压缩试验,试验过程中采用红外热像仪对岩石表面进行全程监测,以获取岩石表面温度,并引入温度标准差指标,用温度标准差来反映岩石破坏过程中表面温度场变化特征,研究岩石破坏前温度标准差异常变化,以获取岩石破坏前温度标准差的异常变化特征,将这种异常变化作为岩石破坏的一种前兆信息。结果表明:岩石破坏前温度标准差会出现异常上升现象;含裂隙岩石的温度标准差敏感性远高于完整岩石;相较于温度曲线异常转折性变化,温度标准差异常出现时间更早且现象更明显。温度标准差异常反应作为岩石破坏的一种预警信息,为岩石破坏预警信息研究提供理论参考。     

激光破岩温度应力数学模型的建立与实验研究

激光破岩是一种全新的破岩方法。现有对激光破岩数学模型的研究大多为传热学方面。在激光与岩石的作用过程中,其岩石内部温度应力能够使岩石形成裂缝,加速岩石的破碎。在调研现代激光破岩技术研究的基础上,通过传热学的基本理论和前人已经建立的激光破岩数值传热模型,根据弹性力学基本理论,建立了激光破岩的温度应力模型,得出激光与岩石作用时岩石内部裂缝形成的初始区域。并通过激光破岩实验,实际观察了激光破岩的物理现象,针对不同类型的岩石进行了中低能量激光破岩实验,研究了激光对不同种类的岩石作用时的作用机理,提出激光破岩机理会根据岩石的种类的不同而不同,而并不是一成不变的,并对其进行了分类阐述。     

煤岩力学非均质性对孔渗性质的影响规律

煤岩是由有机质和无机矿物组成的复杂不均匀多孔介质,非均质性较强,目前研究鲜有考虑煤岩力学非均质性对煤岩渗透率与孔隙度时空演化规律的影响.基于Weibull概率密度分布函数表征煤岩弹性模量的非均质性,建立了考虑煤岩内甲烷解吸引起的气压变化、线性热膨胀效应和煤岩骨架收缩变形的热流固耦合三维有限元模型,通过煤岩渗透率与孔隙度与温度场、应力场和压力场间的交叉耦合关联式,分析了非均质度下煤岩表征单元体内渗透率与孔隙度参数的变化规律.结果表明:煤岩力学非均质性是影响煤岩渗透率与孔隙度分布的重要因素之一,非均质煤层的渗透率与孔隙度分布呈现出明显的波动震荡特征,在不同位置处的孔渗参数大小不等;随着井眼距离增加,渗透率和孔隙度可能呈现与均质煤岩情况恰好相反的变化趋势.因此,煤岩的孔隙度与渗透率演化是一个复杂的热流固耦合过程.研究结果对指导煤层气高效开采具有重要的理论意义.     

热力射流温度场及温度应力数值模拟研究

热力射流破岩技术是指利用高温介质诸如超临界水对岩石进行快速局部加热达到破碎岩石的目的。由于岩石基质热导率很低，因此会在岩石表面形成温度应力。当温度应力超过岩石的强度，会在岩石内部形成微裂缝，且裂缝不断扩展最终使得岩石表面发生热裂解，热裂解作用导致岩石表面从本体脱落从而使得岩石破碎。基于热-固耦合理论建立了热裂解钻井模型，利用Crank-Nicolson差分方法求解得到了热裂解过程中井底岩石温度场和温度应力的分布规律。结果表明，在热裂解钻井过程中，岩石受热部分温度迅速升高，在径向和轴向方向上产生温度梯度；受热部分体积膨胀在径向方向上受到压应力作用，在轴向方向上发生屈曲，受到剪应力作用。研究成果对热裂解钻井的现场应用具有十分重要的指导意义。     

非均匀应力场下圆形隧洞围岩弹性应力分析

为了能更好的研究隧洞围岩在非均匀应力场下开挖过程中整体的稳定性,根据隧洞围岩在非均匀应力场下的模型特点,将隧洞围岩周围应力划分为两部分进行叠加。基于D-P准则与理想弹塑性本构关系,采用双调和方程和半逆解法,推导出非均匀应力场下圆形隧洞弹性区围岩应力的解析表达式,并通过Flac3D数值模拟对理论分析结果加以验证。结果表明：考虑中间主应力系数的影响时,中间主应力系数越大与之对应的侧压系数范围越小;侧压系数越大隧洞帮部集中应力降低,拱顶的集中应力增大;同时理论分析结果与数值模拟结果基本一致。在考虑非均匀应力场分布的力学模型更为准确地反映了隧洞围岩应力分布特点,对隧洞围岩的支护方案具有一定的意义。     

热容激光器侧泵介质的热效应特征

推导了热容工作模式下侧面抽运板条激光介质温度分布的解析表达式，并模拟了其温度和相应的应力分布．与常规运转的介质的温度和应力分布进行了比较，定量分析了热容运转模式的优越性．结果表明，一般而言，常规运转情况下，应力断裂极限是限制功率进一步增大的主要原因，而在热容运转模式下，限制因素是上能级温度．模拟表明，相同抽运情况下，热容运转模式下的热透镜长度远比常规运转模式下长．在热容运转模式下，介质温度随时间线性增加，中心与表面的温度差几乎不随时间改变．     

热孔弹塑性完全耦合作用下的井底岩石应力分布

井底待破碎岩石所处的应力状态作为影响其破碎的关键因素而直接影响着钻井效率,建立综合考虑上覆岩层压力、水平地应力、液柱压力以及孔隙压力和地层温差完全耦合作用下井底岩石的三维物理模型,借助有限元软件进行求解,研究在不同液柱压力、不同井深、不同温差以及不同渗透系数作用下井底岩石应力分布的数值解。结果表明:液柱压力、井深以及温差越大,井底表面岩石最大主应力越大;渗透系数减小,井底表面最大主应力先增大后减小;在井眼轴向方向,在距离井底表面以下一定距离之后,液柱压力和井深越大,岩石最大主应力越小;温差对岩石最大主应力没有影响。