深部巷道围岩瞬态温度-热应力的耦合作用

为了研究深部巷道温度场与应力场的耦合作用,采用理论推导得到圆形巷道围岩瞬态热-弹性耦合解析解,分析了巷道围岩温度场和热应力的分布规律,并通过数值模拟和现场观测研究了热应力对巷道围岩稳定性的影响。研究表明:围岩温度分布呈非线性变化,表层温度梯度大,围岩深处温度梯度小;随通风时间延长,围岩温度逐渐降低,冷却圈不断增大,温度梯度逐渐减小,温度分布曲线趋于平缓;通风能够改变围岩应力状态,切向热应力在围岩表层表现为较大的拉应力,而在深处表现为较小的压应力;径向热应力为拉应力,热应力加剧了巷道围岩顶底板塑性区扩展的深度。     

轴对称稳定温度场中混凝土圆柱体热应力的解析分析

混凝土圆筒或圆柱体内部会在温度场的作用下产生热应力。文中对圆筒在轴向温度有变化情况下轴对称稳定温度场中的热应力进行了解析分析,得到了解析解的完整形式;利用指数函数和三角函数的性质,探讨了待定系数的解法;通过布点对Φ200×550 mm3混凝土圆柱体进行温度测试,而后利用解析结果、测温试验结果、Matlab给出了温度测试中混凝土圆柱体的计算实例。结果表明:轴对称稳定温度场中,受热温度由100℃变为120℃时,混凝土圆柱体应力分布的形状没有改变,内部的应力值处于同一个数量级,应力范围增大了0.4倍左右。     

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.     

组合式轧辊轧制过程的稳定性分析

采用MAC软件计算组合式轧辊辊芯与辊套温度场,建立相应的传热方程与热应力分析模型及其边界条件.研究结果表明:与轧件接触的轧辊表面的温度在开始轧制时迅速上升,随着轧制过程的进行,温度趋于呈稳定周期性变化,温度达到稳定的时间大约为2 h:当轧辊旋转到与轧件接触处,温度达到最高,最高温度约为300℃,此时辊套轧辊结构稳定,据此生产的组合式轧辊在轧制过程中性能优越.     

饱和氢气加注过程中低温贮箱降温特性及热应力分布的数值研究

为了获得低温贮箱在饱和氢气加注过程中的降温特性以及箱体壁面的热应力分布,通过计算流体力学软件FLUENT计算了一定加注流量下贮箱内部流体区域的流场、温度场和壁面内的温度场变化,分析了加注过程中贮箱内的流动特性和降温特性;采用单向流固耦合方法进行壁面热应力分析,得到了3种不同进、出口约束条件下热应力在壁面中的分布以及最大热应力随时间的变化情况,并分析了进、出口弹性支撑约束条件设置的合理性;考虑贮箱内的压力变化,进行了箱体壁面的综合应力分析。计算结果表明:加注过程可以分为3个阶段,前2个阶段贮箱内部的流场、温度场和壁面温度分布特性依次由入口强制对流和壁面自然对流单独决定,第3阶段由入口强制对流及壁面自然对流共同决定;在3种不同的约束条件下,箱体壁面中的最大热应力均出现在贮箱加注口和排气口处,在进、出口弹性支撑条件下,壁面最大热应力随时间先增大而后趋于稳定,在稳定应力状态下,热应力的存在使箱体壁面总应力增加了15%左右。     

标准火灾下配筋圆钢管混凝土柱温度场试验研究

为研究ISO 834标准火灾升降温作用下配筋圆钢管混凝土柱的温度场分布规律,首先进行了2根配筋圆钢管混凝土柱的温度场试验,升温时间分别为30 min和60 min,进而在确定材料参数,分析传热方程的基础上,利用有限元软件ABAQUS建立模型,模型结果与试验结果吻合较好.结果表明:沿柱纵向位置不同的测点温度发展规律一致,试件轴向温度场均匀分布;试件内部不同位置存在温度梯度,越靠近截面中心处,所能达到的最高温度越低,达到最高温度的时间越迟缓,降温也越缓慢;在升温过程中,混凝土材料温度达100℃时,形成一个温度平台,配筋对混凝土温度分布影响可以忽略.     

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.     

有限差分法在圆柱辊子温度场及热应力场计算中的应用

本文根据差分原理推导出温度分布关于轴对称柱坐标系无内热源情况下稳定温度场与不稳定温度场的差分方程计算公式,并以数值积分形式的计算公式来近似理论公式计算热应力场,二者结合起来可以解决圆柱辊子温度场及热应力场的计算问题。计算结果表明沿辊子横截面的应力分布规律与理论分析一致,计算数值同理论解相接近,并符合实测结果。此种计算方法可应用于冷轧辊进而可以解决连铸机二冷区夹辊及拉矫机拉辊的温度场及热应力场的计算问题。     

热容型板条激光器介质温度和热应力研究

阐述了抽运源均匀抽运钕玻璃板条热容型激光器重频工作方式下瞬态温度分布和热应力分布解析模型,进行了数值计算,并与常规稳态模式下的温度、热应力分布进行了比较分析。结果表明：热容型激光器板条介质中心温度低于边缘温度,温度梯度较小;中心应力为张应力,边缘为压应力。     

基于APDL语言的活塞热应力分析

活塞是发动机的核心,工作环境极其恶劣.活塞顶部直接承受高温燃气作用,容易形成不均匀的温度梯度,产生较大的热应力造成活塞受损,活塞的运行可靠性直接影响发动机的使用寿命.基于ANSYS的APDL语言,建立了活塞有限元模型,应用第三类边界条件施加活塞边界温度和换热系数,对活塞进行温度场和热应力分析,分析计算结果,得到活塞温度场、热流密度和热应力分布规律.结果表明活塞燃烧室边缘温度最高,第一环槽处热流密度最大,活塞环槽处和燃烧室边缘热应力相对较大.为活塞的结构设计和可靠性分析提供了参考.     

冲击载荷作用下的锻锤热力耦合分析

以用于径向锻造且由基体、过渡层、耐磨层三部分构成的材料复合锻锤为研究对象,分析瞬态热流、循环冲击载荷和热载荷导致的锻锤裂纹失效问题。通过构建热力耦合模型确定锻锤的裂纹危险区域,探讨冲击载荷、温度场与变形的传递关系,进而得到锻锤分别在冲击载荷、温度场和热力耦合作用下的应力和变形分布特征。研究结果表明,锻锤温度场分布不均匀,热影响区主要位于耐磨层工作面,温度随工作面纵向深度的增加而降低;耐磨层的机械应力远大于热应力,是产生疲劳裂纹的主要原因;锻锤变形主要是机械应力和热应力共同作用的结果,最大变形区域位于耐磨层工作面靠近预变形区一侧。仿真分析结果与锻锤实际失效情形一致,可为锻锤的优化设计提供参考。     

U71Mn钢重轨轨头淬火应力场的计算机模拟

采用有限元法研究了重轨轨头在淬火过程中的应力场分布.在模拟计算过程中利用等效热容法处理相变潜热对温度场的影响,利用等效线膨胀系数法处理相变引起的组织应力,并考虑了材料非线性参数对温度场的影响.结果表明,温度模拟结果与实测结果相吻合,同时喷风淬火能产生较小的残余热应力,从而避免了钢轨的变形和开裂.     

城际动车组铝合金制动盘热应力场仿真分析

制动盘温度和热应力分布对制动盘寿命和制动性能有着极其重要的影响.本文建立制动盘热固耦合有限元模型考虑了热流密度和对流换热系数随时间的变化,运用ANSYS有限元分析软件,采用直接耦合的方法,对初速度200 km/h城际动车组铝合金制动轮盘在紧急制动时的温度场和热应力场进行仿真分析.仿真结果表明,制动盘最高温度发生在制动后43 s,最大值为244℃;制动盘最大应力是243 MPa,出现在第65 s,铝基复合材料能满足制动盘温度、强度性能要求,也能满足该城际动车组的运行要求.     

等离子熔射成形熔滴薄片沉积的模拟研究

采用等离子熔射成形技术制造的模具和零件,其涂层的性能受残余热应力的影响极大.为此建立了一个二维有限元模型,用于研究单个不锈钢熔滴薄片在碳钢基体上沉积时的温度场及残余热应力.结果显示,尽管在初始的凝固阶段薄片边缘的温度高于薄片中心的温度,但随后这两个位置的温度差却发生逆转.最大残余应力位于薄片与基体界面的边缘,且其大小随基体温度升高而减小,最小残余热应力则位于薄片上表面的边缘.残余热应力在薄片中表现为拉应力,而在基体中则表现为压应力.本研究可为在微观水平上理解等离子熔射成形的温度场和残余热应力分布提供基础.     

等离子熔射成形熔滴薄片沉积的模拟研究

采用等离子熔射成形技术制造的模具和零件,其涂层的性能受残余热应力的影响极大.为此建立了一个二维有限元模型,用于研究单个不锈钢熔滴薄片在碳钢基体上沉积时的温度场及残余热应力.结果显示,尽管在初始的凝固阶段薄片边缘的温度高于薄片中心的温度,但随后这两个位置的温度差却发生逆转.最大残余应力位于薄片与基体界面的边缘,且其大小随基体温度升高而减小,最小残余热应力则位于薄片上表面的边缘.残余热应力在薄片中表现为拉应力,而在基体中则表现为压应力.本研究可为在微观水平上理解等离子熔射成形的温度场和残余热应力分布提供基础.     

任意梯度分布极正交各向异性空心圆球的热应力

为了对极正交各向异性空心圆球的热弹性问题进行研究,不同于以往的研究,假设材料热机械性能沿径向以任意函数变化,首先得到用径向应力表示的径向位移和环向应力,再代入平衡方程,得到关于径向应力的Fredholm积分方程,对其求解得到极正交各向异性功能梯度空心圆球的热应力数值解。通过和材料参数沿径向呈幂函数变化的解析解比较,验证了该方法的有效性和精度。算例重点分析了材料梯度参数及各向异性度对结构热应力场的影响。研究结果表明,在仅温度变化时,内外材料确定的空心圆球内最大热应力随梯度参数的变大而减小,随各向异性度的增大而增大。因此,可通过改变结构材料性能分布,使结构内部热应力均匀化,并降低结构整体热应力。     

钢包底吹气体透气砖内温度和应力分布

利用ANSYS软件,对钢包运行过程中底吹气体透气砖内的温度和应力分布进行了计算和研究.研究结果表明,透气砖内的温度随时间和位置而变化,透气砖工作面温度与钢水温度一致,其他位置的温度随时间发生变化.在15min时,透气砖内各部位的温度最高,60min时达到最低,其后又开始逐渐升高.在钢包整个运行过程中,透气砖表面附近的应力最高,且沿轴向的应力梯度较大.透气砖工作面处的应力大于80MPa,而在0.005m处则迅速下降至50MPa左右.透气砖工作面附近因热应力引起的层状剥落是造成透气砖损毁的主要原因.     

深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏数值分析

为研究深部巷道围岩热-固耦合条件下的变形破坏特征,根据深部巷道围岩体稳态温度场模型,得出了热-固耦合条件下深部巷道围岩体应力场、位移场及塑性圈半径的解析解,总结了热应力作用下围岩变形破坏的影响因素。借助Comsol Multiphysics多物理场耦合仿真软件对深部巷道围岩进行热-固耦合数值模拟,并将岩石力学参数与温度的关系引入模拟计算,分析了热应力、支护阻力对围岩变形破坏的影响规律。仿真结果显示,围岩热应力场分布呈非线性变化,浅部应力梯度大,深部应力梯度小;当巷内温度低于原岩温度时,热应力为压应力;随原岩温度升高,径向卸压范围及切向应力集中范围扩大,围岩塑性圈宽度和径向位移值有所增大;随巷内支护阻力提高,围岩塑性圈宽度和径向位移值则有所减小。现场试验发现,巷道围岩热应力场、应力场及位移场计算结果与实测结果吻合较好。     

日光直射下混凝土梁的力学响应

依据热量平衡原理建立混凝土梁结构在等强度日光直射下的瞬态热传导数学模型,依据此模型导出其内部温度场的解析解,由此得到日光直射下混凝土梁在任意时刻的温度分布.通过弹性理论由位移法求解得出梁在该温度场下的温度应力及热变形响应,分析了温度应力随日光照射时间的变化;为验证数学模型的有效性,进行了日光照射模拟实验,采用碳纤维混凝土涂层梁的电热效应使梁内温度场发生变化,并将梁上下表面的温差及梁跨中挠度与模拟实验结果进行了比较;分析了混凝土材料的导热系数对温度应力和变形的影响,由此结果说明可以通过提高混凝土材料的导热系数来减小日照引起的温度应力及变形.     

排气歧管流固耦合热仿真分析

针对某发动机可靠性试验时排气歧管出现局部开裂问题进行了仿真研究.首先建立流固耦合模型,应用试验所得流场边界条件,计算得到排气歧管温度场及热应力热变形分布.仿真结果表明:排气歧管开裂失效处温度较高、热应力较大导致塑性变形增量大于1%而产生热疲劳破坏.最后根据仿真结果对排气歧管结构进行改进达到减小热应力和塑性变形的目的.