不同动量比对T型管冷热流体掺混及管道热疲劳的影响

为探究主支管流体不同动量比对T型管道内冷热流体掺混过程及管道热疲劳程度的影响，通过对T型管内不同主支管流体动量比工况下冷热流体的掺混过程进行大涡模拟（LES），计算得到管道壁面及管道内流体的温度波动情况，并使用同一套T型管网格模型进行了流固耦合计算，得到了动量比对T型管道热应力及热疲劳寿命的影响规律。计算结果表明，当动量比变化使得T型管内流体的搅混流型发生变化时，动量比对管道热疲劳的影响明显，其中，搅混流型为偏转流时，管道的热疲劳现象相较于搅混流型为壁面流的热疲劳现象得到明显的改善，预测热疲劳寿命从8.81×10^-4年提高到5.40×10¹⁵年。因此，随着主支管流体动量比的降低，流体搅混流型从壁面流转变为偏转流，管道的热疲劳寿命得到明显提高。     

T型管湍流穿透现象的热流固耦合疲劳分析

在石油、化工、核电等管道系统中存在大量T型管道，由于其主支管流体的流量及温度存在差异导致产生湍流穿透现象，引发T型交汇处温度与速度场波动，进而可能诱发管道热疲劳问题。首先使用大涡模拟（LES）方法计算湍流穿透工况下管道内流场各物理量的时空演变规律，结果表明在支管轴向无量纲高度H=4截面处温度波动最为强烈；然后建立瞬态热流固耦合计算过程，将面压力与体温度动态加载到固体域，得到管道应力分布情况，找出危险点所在位置为轴向H=0截面内壁面；最后使用雨流计数法对危险点应力波动信息进行统计学分析，依据Goodman曲线得到等效对称循环载荷，根据线性疲劳损伤累积准则对危险点疲劳寿命进行评估，最终得到管道的疲劳寿命。     

T型管道冷热流体混合过程中速度波动大涡模拟

T型管道中的冷热流体混合湍动效应,必将导致流体的速度波动,这是诱发管道热疲劳的流动本质原因.为了揭示这一原因,对T型管道中主管为热流体和支管为冷流体的混合过程进行了大涡模拟,对比分析了某一截面位置上的时均速度和均方根速度的实验值与模拟值.实验值与模拟值吻合良好,说明大涡模拟能够准确地预测混合过程的时均速度和速度波动.数值结果表明,x和z方向的时均速度和均方根速度沿z方向具有随着x/db的增大而趋于平稳、随y/db的增大而减小的总体趋势.     

基于自驱动螺旋行进式管道机器人

本机器人具有很强的自适应性。解决了管道机器人在特殊管道（如弯管、变径管、垂直管）的自适应难题，具有很广的适用范围及很好的推广前景。由于其具有柔性的主体结构，能够通过U型管等大部分弯管结构。可变支撑腿的设计使得机器人能够适应一定的管径变化，采用大功率、     

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。     

空间热控制系统部件箱的传热特性数值模拟

针对空间热控系统的部件箱体的传热特性,采用有限元分析软件I-DEAS的TMG模块,对部件箱体在冷热工况下进行分析计算,得到部件箱的温度分布,以及部件箱体内热流在周期内的波动;对部件箱部件与板的热连接进行敏感性分析,无内流体的部件的温度受其与固定板的热连接影响较大。有内流体的部件温度受其与固定板的热连接影响较小;对系统在极度恶劣情况下进行了安全性分析,分析结果表明系统温度在设计范围内。     

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.     

液氮通过受热U型管传热特性的数值模拟

对单相液氮通过受热竖直U型管的传热特性进行了三维数值模拟.采用结构化网格，并对近壁面处网格加密,对网格无关性和模型有效性进行了验证.将入口速度、出口压力和均匀壁面热流密度作为边界条件及利用标准的k-ε紊流模型和CFX 4.4求解器求解.模拟结果发现：在U型弯头上游直管中，流体温度形成中心低四周高的分布形式；在U型弯头内，流体被二次流重构，温度较低的流体流向管外侧，温度高的流体则流向管内侧；在U型弯头下游直管中，中心低四周高的温度分布逐渐得到恢复.通过分析，曲率比对下游努赛尔数影响明显，其影响区域可用下游努赛尔数达到极小值来衡量；存在一曲率比，使下、上游努赛尔数百分比达到极小值.最后，将模拟得到的平均努赛尔数与不同的经验关联式作了比较.     

基于材料杨氏模量实测的电厂主蒸汽管应力分析

通过实验与理论分析、数值计算相结合的方法进行电厂主蒸汽管热应力应变分析.首先用高温应变片精确测量锅炉主蒸汽管道直管段的热应变,并根据结构应力的解析解,得到管道结构材料杨氏模量与温度的关系.在此基础上,利用有限元分析技术,更全面准确地分析管系在不同工作状态下的热应力、应变情况.该方法应用于某电厂主蒸汽管应力分析,效果较好.对电站的安全监测有一定实用价值.该方法也可推广至其他领域进行高温管系的力学分析.     

理查德森数对多孔介质T型管道近壁面处流动与传热的影响

对多孔介质T型方管内冷热流体混合过程的流动和热传递进行大涡模拟,获得了近壁面处湍流混合的瞬时速度和温度,分析了3种理查德森数（Ri=-0.517,-0.093,0.517）对流动与传热的影响。数值结果表明：无论理查德森数Ri为正或负,在热流体区,多孔介质骨架温度较低,而在冷流体区,多孔介质骨架温度较高,说明热量从高温流体通过多孔介质向低温流体传递;最大温度波动发生在近壁面处的上部;由于多孔介质的湍动增强作用,减弱了浮升力对流动的影响,不同理查德森数对流动和传热的影响不够明显。     

基于热固振耦合的某附件壳体蠕变-热疲劳寿命预测方法

提出一种基于热固振耦合的某附件壳体蠕变 热疲劳寿命预测方法,主要是基于ANSYS Fluent模块进行流固热耦合,仿真结果得到的附件壳体温度场分布并通过实测数据进行结果验证,再通过温度场数据传递途径结合ANSYS Workbench模块进行附件壳体热固振耦合仿真得到壳体应力应变场,然后基于线性累计损伤理论耦合附件壳体蠕变持久寿命和热疲劳寿命,最终得到其蠕变 热疲劳寿命预测结果。针对附件壳体,一方面对比分析了单纯热疲劳寿命（41 063个循环寿命）与蠕变 热疲劳（39 054个循环寿命）,通过结果得知航空发动机附件系统高热环境下蠕变作用对附件壳体热疲劳寿命是存在显著影响的;另一方面对比分析了基于稳态温度场的蠕变 热疲劳（23 334个循环寿命）与基于瞬态温度场（考虑温变速率）的蠕变 热疲劳（24 545个循环寿命）,结果表明温变速率在一定程度上影响航空发动机附件系统结构的蠕变 热疲劳寿命。     

考虑环境变温作用的大跨桥梁疲劳损伤分析

基于桥梁健康监测系统记录的温度时程数据,研究钢箱梁顶板、底板的温度变化特征和规律,利用间接耦合法将热分析的温度数据作为体荷载施加于结构多尺度有限元模型,获得了环境变温引起的结构应力,实现了从热分析到结构应力的分析.然后,利用健康监测系统记录的应变时程数据,考察车辆荷载和环境变温所引起的应变特征的差异,提取和分离出由环境变温和车辆荷载引起的应变时程,并与模拟得到的应力时程加以对比和相互验证,在此基础上利用连续介质损伤力学理论分析车辆荷载单独作用以及车辆和环境变温交互作用所引起的桥梁累积损伤.结果表明:提出的损伤分析流程可实现桥梁关键部位在考虑环境变温和车辆荷载两种因素作用下的损伤分析.环境变温单独作用所引起的疲劳损伤很小,基本可以忽略,但两者交互作用所引起的结构疲劳损伤相对于车辆单独作用下的损伤有显著差异.在服役初期环境变温的作用并不显著,随着疲劳损伤的不断增加,这种交互作用对结构疲劳损伤累积的影响会愈发明显,即环境温度变化引起的荷载会加速结构服役中后期疲劳损伤的累积速率,进而对结构疲劳寿命产生显著影响.     

镀层材料热及力学特性对枪管寿命的影响

为研究枪管镀层材料性能对枪管寿命的影响,综合运用身管镀层剪切失效理论和疲劳损伤累积理论,提出了基于镀层界面剪切疲劳损伤的枪管寿命预测模型.以某小口径步枪为研究对象,基于有限差分法,对内膛涂镀铬、钽和氮化硅三种不同材料的枪管在10连发射击过程中的温度场分布、镀层内应力分布以及枪管寿命进行了数值计算,研究了镀层材料的热及力学特性对枪管寿命的影响.研究结果表明,镀层的热扩散系数、影响因子η及断裂长厚比是影响枪管寿命的几个关键性能,其中断裂长厚比对界面切应力和枪管寿命的影响最大,拥有较大断裂长厚比的镀层可以在射击过程中显著降低界面切应力,进而提高枪管寿命.      

Fatigue Life Estimation for an Aircraft Engine Fan Blade

In this paper,stress states under corresponding condition of an aero-engine fan blade using finite element stress-strain analysis for three work cycles in the 900 h load spectrum are obtained.Through the nominal stress method,we calculated the fatigue notch factor and combined the material characteristics of TC6 to correct the material curve to the fan blades curve. Finally,the fatigue life of a fan blade was estimated using the linear cumulative damage rule and nonlinear cumulative damage theory.     

随机振动下镍钛形状记忆合金管接头的疲劳寿命分析

针对管路系统中Ni-Ti合金管接头随机振动问题进行了随机振动疲劳寿命分析.以某飞机典型液压管路中的Ni-Ti合金管接头为研究对象,采用基于高斯分布和Mine线性累计损伤定律的Steinberg法,得到了疲劳损伤的计算公式.基于描述Ni-Ti形状记忆合金超弹性和记忆效应的本构模型,建立了管接头有限元模型,进行模态分析和随机振动响应分析,并利用疲劳损伤的计算公式预测结构的疲劳寿命.结果表明:Ni-Ti形状记忆合金管接头在80 000 h的飞行寿命内是安全可靠的,为管接头的设计和优化提供了理论参考.     

一种镍基单晶高温合金的反相热机械疲劳行为

采用扫描电镜、透射电镜等方法研究了一种镍基单晶高温合金在600~900℃的反相位热机械疲劳行为,旨在探讨单晶合金的热疲劳变形及断裂机制,丰富单晶合金热机械疲劳理论。试验结果表明：当应变幅由0.6%增大至0.9%时,热机械疲劳寿命下降,塑性应变量和应力范围增大。合金的循环应力响应曲线在低温半周表现为循环硬化行为,而在高温半周则表现为循环软化行为。合金主要的变形特征是局部区域滑移带的运动。热机械疲劳裂纹起始于试样表面应力集中处,并沿着滑移带在{111}面向合金内部扩展,拉应力对合金的断裂起到了主导作用。     

超超临界汽轮机高压转子低周疲劳及损伤分析

为了评估国产某百万级超超临界汽轮机高压转子的高温强度,利用有限元分析软件Abaqus建立了超超临界汽轮机高压转子的轴对称有限元模型,加载了相应的热力边界条件,分析了转子在冷态启动过程中的温度和应力分布以及特征点的等效应变变化过程,并采用Mansoncoffin公式预测转子在冷态启停过程中产生的疲劳损伤.结果表明:在转子启动初期,凝结换热所导致的转子表面与转子中心的温差较大;在转子启动初期,转子受热不均匀所引起的热应力较大,在转子启动后期,其应力降至较低水平;高压转子在平衡活塞圆弧段产生的低周疲劳损伤最大,但其值仅为1.692×10-4,在所设计的使用条件(30a启停360次)下不会出现低周疲劳失效的危险.     

输电塔线耦合体系的风振疲劳时域分析

风荷载作用下的输电塔线结构属于非线性耦合振动体系,自然风的脉动分量使体系中的构件处于交替受力状态,从而可能导致构件的疲劳破坏.文中以某直流线路的一段塔线体系为例,提出了输电塔线体系的风振疲劳时域分析方法;采用AR模型产生了随机风场,对输电塔线耦合体系进行了非线性风振时程分析;建立了考虑风向和风速分布等因素影响的疲劳累积损伤计算公式;确定了输电塔结构中疲劳损伤的关键部位,针对关键部位进行了应力分析,并采用线性累积损伤理论对构件的风振疲劳寿命进行了评估.结果表明,文中提出的时域分析方法可有效估算输电塔结构在风振作用下的剩余寿命.     

CFRP超高周三点弯曲疲劳热效应特性实验与数值模拟

针对复合材料超高周三点弯曲疲劳的温升问题,利用商用软件ABAQUS对实验过程中的热效应进行建模与数值模拟研究,得出了疲劳载荷作用下CFRP试样的主体产热阶段与位置,并根据冷却方案设定的基本原则,利用复合冷却方式开展了连续载荷作用下的超声疲劳试验,研究结果表明：CFRP不存在传统的疲劳极限。随着应力水平的改变,CFRP超高周三点弯曲疲劳破坏存在损伤竞争机制,低应力水平下损伤形貌主要以孔蚀形貌为主,高应力水平下主要以分层以及横向裂纹损伤形貌为主。