煤矿井下救生舱壳体的动态响应

针对矿用可移动式救生舱,利用ANSYS和LS-DYNA软件建立了救生舱壳体的三维有限元模型.模拟等效三角波爆炸冲击载荷作用下矿用可移动式救生舱壳体的动态响应.通过数值模拟,确定救生舱壳体动态承载能力和变形模式,给出瓦斯/瓦斯煤尘爆炸超压与救生舱承载能力和变形模式的变化规律,为救生舱设计、抗冲击能力的评价提供理论指导和依据.     

岩石坍塌作用下埋地集输管道应力变化规律

基于弹塑性力学理论,采用有限元分析方法,建立了岩土坍塌作用下埋地集输管道分析模型,研究了岩石坍塌作用下不同因素对埋地集输管道应力影响规律.结果表明:冲击载荷随石块边长的增加呈指数形式上升,正方体边长改变1.4 m时,冲击载荷可改变22.4 MPa.运行压力、温度、管道铺设坡度对管道壁面应力影响较小,而冲击载荷、腐蚀是埋地集输管道安全的主要影响因素.当冲击载荷大于10.5 MPa时,管道进入塑性变形区.岩石坍塌冲击载荷较大时,管道壁面最大等效应力随着管道径厚比的增加而减少.当径厚比改变了3.8,管道壁面最大等效应力可减小44 MPa;当岩石坍塌冲击载荷较小时,管道壁面最大等效应力出现极小值点.     

基于Patran/Nastran的大功率风电叶片隔板设计

采用有限元软件MSC Patran/Nastran对某大功率叶片隔板进行了结构分析,计算了3种工况下隔板的受力及变形情况,结果表明,当载荷施加在两隔板之间时位移达到最大6.86mm,隔板芯材应力达到最大0.431MPa;当载荷施加在单个加强筋上时,玻璃纤维达到最大应力19MPa。隔板位移、芯材应力及玻璃纤维应力均达到设计要求,计算结果为隔板的生产和使用提供了依据。     

不同加强筋结构平板在爆炸载荷作用下的动态响应仿真

 针对爆炸载荷作用下外层结构防护能力加强问题,对四边固定的具有不同加强筋类型的平板在爆炸冲击载荷作用下的动态响应问题进行了数值仿真研究。利用ABAQUS软件建立了4种平板的有限元模型,仿真计算了平板在爆炸载荷作用下的响应,比较分析了平板的能量分布、平板中心点处的最大挠度值及应力分布等特性。结果表明,单纯地在平板背面添加加强筋数量对于抗爆性能的提高意义不大;所设计的4类平板中,由加强筋耦合成三角形的平板抗爆性能最佳。     

冲击载荷下不同有效长度扭矩轴的扭转特性

为研究扭矩轴的有效长度和载荷对其扭转特性的影响,应用ANSYS Workbench有限元软件,当扭矩轴的卸荷槽尺寸不变、有效长度967~267 mm和载荷瞬态冲击时间0.005~0.100 s时,分析扭矩轴扭转过程的静力学和瞬态动力学特性。结果表明:在不同瞬态冲击时间下,扭矩轴的切应力变化与弹塑性变形过程存在明显差异;扭矩轴有效长度越小,切应力越大;当瞬态冲击时间为0.005 s时,切应力的平均变化率为5.6 MPa/dm,瞬态冲击时间越短,切应力越大且梯度变化越大,呈现非线性特征;当有效长度为267 mm时,0.005 s切应力最大变化大于27 MPa。该研究可为扭矩轴的结构设计提供参考依据。     

工业辐照放射源运输货包事故条件下冲击试验的数值模拟

为验证放射性物质运输货包结构设计的安全性,建立了事故条件下货包自由下落冲击刚性靶面的全尺寸有限元模型。采用非线性动力显式算法,对货包在事故条件下以顶角、侧面和顶面3种姿态冲击刚性靶的力学试验进行了数值模拟,重点分析了货包冲击后的整体变形和应力分布,以及连接螺栓的强度;在3种跌落姿态下,容器内壳应力最大值为154.9MPa,容器外壳等效塑性应变最大值为0.24。依据货包安全设计准则,容器内壳与外壳的应力应变强度均未超出许用值。研究获得了货包结构的冲击强度和变形,预测了货包最危险的下落姿态,为后续验证性试验提供科学的依据。     

矿用锻造立环的动力学特性

为研究矿用锻造环在不同工况下的机械性能,采用有限元软件ANSYS Workbench对锻造环系统进行动力学分析,得到了锻造环在不同工况下的等效应力、最大等效应力、寿命和固有频率.结果表明:锻造环满载启动和卡链冲击时的最大应力分别为145.53 MPa和58.553 MPa,均小于材料的屈服极限1 166 MPa,锻造环具有较强的抗冲击性;满载启动所产生的随机扰动载荷会对锻造环造成更大的损伤;预紧力的增加可以减小链环发生共振的概率.     

瓦斯爆炸对地下巷道破坏效应的 数值模拟分析

为了研究瓦斯爆炸对地下巷道壁面结构的冲击作用规律以及瓦斯爆炸与巷道壁面耦合效应,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA建立管道物理模型,数值模拟了耦合和解耦合条件下管道内瓦斯爆炸压力变化、压力等值线分布、能量变化及管道等效应力的变化情况.模拟结果表明:(1)耦合效应下对爆炸流场内部的冲击超压大小的影响基本上可以忽略;(2)解耦合条件下,管道的应力等压线分布呈现较规则同心环,而耦合条件下,在整个传播过程管道内等压线分布处于紊乱状态,可知在耦合效应下瓦斯爆炸流场在巷道中会变得更加复杂;(3)等效应力分布导致管道多次轻微变形,但第1次变形破坏最为有效,可知瓦斯爆炸时应力波是随着时间的推移逐渐减少.研究结果能够对地下巷道的设计提供一定的理论指导,对减小瓦斯爆炸的损失也具有重要的现实意义.     

救生舱防水承压研究

为提高矿井突水后救生舱综合防护能力,采用理论计算、数值模拟和现场试验相结合的方法,研究防水型救生舱外壳的承水压性能。基于潜艇设计理论,计算环肋圆柱壳承压性能的3个关键应力和2个稳定性临界载荷,得到外壳承压结构的关键因素(即壳板厚度、加强筋间距、加强筋型材)对其应力及稳定性的影响规律,提出一组防水型救生舱外壳设计的最优方案,并通过ANSYS数值模拟和现场试验进行验证。研究结果表明:制造的防水舱能承受水深300 m(3 MPa)静水压力,最大应力为288.6 MPa,最大形变量为3 mm。     

矿用救生舱抗爆炸TNT当量与冲击载荷研究

研究设置有救生舱的井下巷道中瓦斯爆炸的TNT当量,冲击波的传播特性,以及对舱体的冲击载荷。利用显式动力学分析软件LS-Dyna,通过一点多物质ALE流固耦合算法模拟得到爆炸冲击波的传播过程。当冲击波由救生舱前端传至后端并衰减至其峰值载荷的10%时,确定了舱体所受载荷达到规范要求时瓦斯的TNT当量;并得到了舱体各部位的实际载荷曲线,为计算救生舱抗冲击动态响应时载荷施加以及优化设计提供了依据。     

云冈双窟窟室围岩变形分析

双窟是云冈石窟中最具历史与艺术价值的对称性洞窟形式。以典型双窟第9~10窟为对象建立有限差分模型,利用实测力学参数进行数值分析以研究静况下窟室围岩受力变形情况。结果表明双窟整体受压-局部受剪:窟间隔墙、室间隔墙底部和列柱中上部受压最大,达1.20~1.57 MPa;室间隔墙上部及柱顶受剪作用达0.1~0.3 MPa。模型塑性应变为零,说明目前工况下双窟整体结构未受破坏。切片y=20 m的位移矢量云图显示后室窟顶沉降值达1.1 mm,前后室地面有相对隆起,应重视其变形趋势。     

防水型救生舱防护结构研究

参考潜艇结构设计方法,对耐水压150米的防水型救生舱环肋圆柱壳耐压结构的进行了研究,获得了壳板厚度、肋骨型材、肋骨间距和肋骨型号关键参数对耐压外壳所受关键应力和稳定性的影响。通过对外压容器的补强方式的比较和分析,确定了防水型救生舱舱门和观察窗开孔补强的方式方法和面积。通过数值模拟对舱段耐压结构的多种影响因素进行模拟计算,完成了整舱承压性能的应力应变模拟分析。结果表明,所设计防水型救生舱在2.25 MPa的外压下,舱体所受最大应力为100 MPa~300 MPa,整体形变最大值出现在舱尾椭圆封头的最中心,大小为6.1 mm。救生舱整体结构合理,对于防水型救生舱结构设计提供给了依据。     

气爆荷载下弯曲构件动力响应数值计算

针对建筑结构内部气体爆炸荷载升压时间长、峰值压力小、压力峰值较多的特点,以等效单自由度方法为基础,通过将荷载、抗力矩阵化准确描述加载过程与结构动力特性,推导得到了气爆荷载下结构动力响应的数值计算方法,并与实验数据对比验证其准确性.研究发现:与实际气爆荷载相比,简化荷载因为忽略了荷载变化速率的影响使得计算的结构振动位移要小于实际情况,而阻尼的存在可以减少这种计算误差.相同峰值的荷载作用时间越长,对结构产生的变形能越大,结构的最大振幅与残余变形越大.初始速度与初始位移均会增加结构的振动挠度与残余变形,初始速度相当于结构额外受到了冲量荷载,而初始位移则相当于结构承受了外部静载.      

防爆舱设计及抗爆炸冲击波超压试验研究

为了满足某驾驶操作舱对爆炸冲击波的防护,设计了防爆舱结构,选用了多种防护材料,数值计算了爆炸参数和结构强度,完成了防爆舱在距离爆炸点9 m处12 kg三硝基甲苯(trinitrotoluene, TNT)裸装药的爆炸试验,重点测试了防爆驾驶舱内外的声压、内部噪声及操作人员座椅处的3个方向的振动加速度曲线。结果表明:舱内脉冲噪声峰值最大为135.1 dB;压力峰值为882.5 Pa,持续时间约为1 472 ms;座椅处3个方向的振动加速度最大为15.41g,持续时间为0.23 s;均在相关标准安全限制内,满足对等效重量为12 kg TNT及以下爆炸物在9 m处的爆炸冲击波的有效防护,验证了该防爆舱的可靠和安全。     

不同侧限及荷载比例工况下泡沫金属冲击性能研究

泡沫金属在实际工程中往往承受复杂多轴加载工况,且受到突发性爆破等极端动荷载的影响,处于多轴动态复杂应力状态。目前,受实验条件限制,泡沫金属难以实现任意比例的真三轴动态实验。本文采用数值模拟方法,采用霍普金森杆和解析刚体,分别施加冲击荷载和侧限荷载,实现了泡沫金属真三轴动态实验,且实验过程中满足应力均匀性条件,同时,探究了不同侧限条件和侧向预压力比例对泡沫金属多轴冲击性能的影响。结果表明:沿着冲击方向施加2 MPa的预压力对应力幅值为200 MPa的梯形应力波双向冲击的泡沫金属冲击性能无明显影响;侧限约束的增强能提高泡沫金属抗冲击承载能力;当冲击变形模式主导胞孔结构变形时,泡沫金属三向预压力比例对其抗冲击能力无明显影响。     

小型航空Wankel发动机转子结构优化仿真

三角转子是小型航空Wankel转子发动机的核心部件,其高速旋转过程中承受着温度、惯性力和燃气爆发压力等复杂载荷耦合作用,更加容易因强度不足发生失效与破坏。针对多重载荷耦合工况下,三角转子应力集中与强度问题,建立发动机热力学模型,获得发动机单循环内燃烧室缸温、缸压以及换热系数变化曲线,计算转子各处热边界条件,分别在机械应力、热应力与热 机械耦合条件下,采用有限元的方法对三角转子进行温度场、应力场与变形量仿真分析,并提出转子腰部圆孔边缘处加工圆角和冷却孔处布置散热片优化方法。仿真结果表明：优化后三角转子最大应力由原来的687.0 MPa下降为403.9 MPa,约为原来的58.79%;转子腰部圆孔边缘应力由577.5 MPa下降为306.1 MPa,降低为原来的53.02%;冷却孔处应力值也由212.6 MPa降至113.2 MPa,约为原来的53.25%。布置散热片后,转子平均温度下降20 K以上,转子腰部圆孔边缘与冷却孔温度下降40 K左右,密封槽尖端变形量由0.21 mm降至0.15 mm,减小27.7%。转子应力场得到改善,变形量减小。     

仿生种植牙模型的三维有限元分析与结构优化

目的:研究不同弹性模量和厚度的仿生牙周膜对仿生种植牙模型骨界面应力分布的影响,优化仿生种植牙模型的结构.方法:对仿生种植牙三维有限元模型施加100N的载荷,应用三维有限元方法,分别对6种不同弹性模量和5种不同厚度的仿生牙周膜的仿生种植牙三维有限元模型的骨界面进行应力分析.结果:当仿生牙周膜弹性模量为689MPa、膜厚0.25mm左右时,骨界面上的应力最小且分布均匀.结论:在仿生种植牙模型中,取仿生牙周膜厚为0.25mm、弹性模量为689MPa时,能达到模型的结构优化.     

基于流固耦合的水下发球管汇力学及振动特性分析

水下发球系统具有可利用生产流体发球、不停井发球的优势,在现阶段与未来海洋油气开发具有广阔的应用前景。水下发球管汇结构复杂,存在多处弯管、变径三通,生产流体压力高,而发球流程工艺引起的管汇结构变形与振动情况尚不清晰。本文采用数值模拟的方法,计算了某水下发球管汇在发球工况中,流固耦合条件下管汇结构的位移、应力分布及振动情况。发现阀门的开关瞬间是压力变化幅度最大的特征时刻,也是引起管道位移、振动情况最严重的特征时刻; 明确了管道结构风险位点为管汇结构末端,最大位移约为5.69 mm,主要由X方向贡献,最大等效应力为233.13 MPa,主要集中分布在T型管、弯管内侧处;提出了针对性的优化支撑方案,管汇结构最大位移降低至3.53 mm,低阶模态频率增幅约为1.74%~20.54%,说明管汇结构的安全性得到了提高。所得结论可为水下发球管汇的设计、运行提供理论依据。