基于ANSYS的减速机齿轮有限元分析

采用有限元法研究齿轮轮齿在受到不同载荷的情况下,其齿根弯曲应力和应变的变化情况。结果表明,在静载荷的作用下,齿轮齿根处的最大弯曲应力和最大应变都在许可的范围之内;而当齿轮受到冲击,在动载荷作用下,齿根处的应力大于齿轮材料的屈服极限。结合对断齿形貌的分析,可推断出轮齿的断裂是在出现疲劳裂纹后受冲击载荷作用而产生的过载断裂。     

三维裂纹端部应力场的三参数描述及等效厚度概念

传统的二维断裂理论忽略了各种断裂参数的三维厚度效应,将其应用到三维结构的损伤容限设计及评定中具有明显的局限性.另一方面,工程中存在的裂纹通常具有复杂的形状,并且无法直接考虑其对应的厚度.因此,工程中通常采用最保守的平面应变断裂韧性或固定的裂纹扩展速率曲线来描述裂纹的扩展和断裂,这无疑会带来巨大的误差.事实上,在含裂纹的三维结构中,裂尖局部场总是呈现出复杂的三维应力状态,而裂尖复杂的三维应力场对结构的强度起着至关重要的作用.对裂尖三维应力场进行研究、发展三维断裂理论将是解决实际工程问题的必然路径.本文介绍了近年来本研究组有关裂尖场描述体系从二维到三维,从单参数到多参数体系,从线弹性体系到弹塑性以及蠕变理论体系的发展,重点介绍了有关裂尖场三维三参数描述体系的研究进展和基于裂尖三维应力场和约束等效原则发展起来的裂纹的等效厚度概念及其工程应用情况.     

含表面梯度强化层的缺口样品疲劳起源寿命数值分析

以Tanaka和Mura的疲劳模型为基础,引入弹性应变能释放项,构建了新的适用于复杂载荷的疲劳模型.利用这一模型,结合表面梯度强化层的强度、模量和残余应力的梯度分布特征,对含表面梯度强化层的缺口样品的疲劳形核寿命分布及裂纹起源位置进行数值分析.分析结果表明:表面强化会增加样品的疲劳形核寿命,强化层厚度变化会改变裂纹形核位置.存在临界厚度,当强化层厚度小于临界厚度,裂纹形核于强化层与基体的界面;反之,形核于强化亚表层或表面.硬度比增加会导致临界厚度增加,过大的残余压应力会降低疲劳裂纹形核寿命.相同名义应力集中系数值(Kt)的样品在同一强化工艺处理后,其疲劳形核寿命和裂纹起源位置随样品缺口尺寸而改变.     

基于FIB和TEM的纳米材料中界面分层破坏的实验方法研究与应用

本文针对三维尺寸均处于纳米量级的材料与结构中常见的界面分层破坏问题,利用聚焦离子束技术(FIB)和透射电子显微镜(TEM)开发设计了一套研究纳米材料中界面端部裂纹启裂行为的实验方法.采用FIB成功从宏观多层薄膜材料(硅/铜/氮化硅,Si/Cu/SiN)中切割制备出了由硅基体(Si)和200 nm厚铜薄膜(Cu)及1000 nm厚氮化硅层(SiN)构成的纳米悬臂梁试样.利用高精度微小材料加载装置,在TEM中对该试样进行加载实验,并原位观测了不同试样中Cu/Si界面端部裂纹启裂的行为.通过对启裂瞬时Cu/Si界面上临界应力分布的有限元分析发现,不同尺寸试样中的界面上法向应力与剪切应力均集中在距界面端部100 nm的范围内,且临界法向应力远大于剪切应力.对应力分布的进一步分析则发现,距界面端部5 nm区域内的法向应力场控制着Cu/Si界面的分层破坏过程,可用于表征界面分层破坏的局部控制准则.     

轮对蠕滑条件下钢轨疲劳裂纹萌生寿命预测

采用多体动力学与三维弹性体非赫兹滚动接触理论,得到不同轨底坡、超高、摩擦系数与曲线半径等多种轨道条件下的轮轨蠕滑状态,将接触力分别施加于钢轨有限元模型的接触斑位置,分析轨头应力应变响应,得到所有节点的疲劳参量.研究疲劳参量的组成类型,若剪应力与应变部分占主要组成部分,则采用剪切型裂纹萌生预测公式,否则采用拉伸型预测公式.分别预测导向轮与非导向轮作用下的曲线外轨疲劳裂纹萌生寿命,结果表明,外轨疲劳裂纹主要由导向轮作用产生,非导向轮对其影响很小;裂纹萌生寿命随曲线半径的增大而延长,随摩擦系数的增大而减小;设置1∶20轨底坡可以延缓外轨疲劳裂纹萌生,尤其是在半径较小的曲线上效果更明显;过超高能延缓曲线外轨疲劳裂纹萌生;当摩擦系数大于0.3时裂纹萌生于曲线外轨表面,而小于0.3时裂纹萌生位置则逐渐向轨头内部转移.     

再生混凝土骨料咬合及剪力传递机理

通过预裂再生混凝土push-off试件的裂缝处剪力传递性能试验,研究了再生混凝土裂缝处骨料咬合及剪力传递性能.结果表明:再生混凝土裂缝处剪力传递性能总体上与普通混凝土较为接近;约束刚度越大,试件的剪力传递强度越高;再生混凝土强度越高,试件的剪力传递强度有一定的提高;相同混凝土强度下,随着再生粗骨料取代率的提高,试件剪力传递强度略有降低.借鉴Walraven的理论,并考虑再生混凝土的细微观结构与再生粗骨料的几何特点,得到了再生混凝土中的骨料咬合模型.试验中各试件的剪力传递强度值与相关理论计算值吻合良好.     

含裂纹的功能梯度压电带反平面动态冲击问题研究

研究功能梯度压电带的反平面动态裂纹问题.假设功能梯度压电材料的材料性质沿其厚度方向按指数函数变化,考虑在非渗透型边界条件下,运用Laplace和Fourier变换,将混合边值问题转化为Laplace变换频域里的奇异积分方程,然后利用Laplace逆变换的数值方法求出动态应力强度因子和电位移强度因子.讨论载荷耦合参数、材料分布形式和裂纹位置等因素对断裂行为的影响.数值计算结果对压电材料的设计及应用有参考价值.     

重载列车E级钢钩舌疲劳裂纹扩展条件及寿命预测

对重载列车E级钢钩舌进行了应力分析,导出了钩腕面裂纹的应力强度因子表达式.采用我国20 000 t列车车钩载荷谱,对钩腕面疲劳裂纹扩展的条件及扩展寿命进行了预测,并确定钩腕面裂纹的临界断裂尺寸,计算所得钩舌寿命与列车实际运行年限相一致.     

690合金传热管疲劳裂纹扩展研究

采用销加载拉伸方法和直流电压降法测试技术,测量了室温和高温325℃空气中3种不同工艺的690合金传热管的疲劳裂纹扩展速率.试验采用Paris-Erdogan公式进行拟合分析,证明了结果的真实性和可靠性.高温加速了疲劳裂纹扩展.由疲劳裂纹扩展速率曲线可以预测出3种690管材在高温325℃下的门槛应力强度因子幅值ΔKth,扫描电子显微镜下观察断口形貌,疲劳裂纹的扩展为穿晶形式,在穿晶断口上观察到明显的疲劳辉纹和微塑性区.     

向量优化中改进集的一些拓扑性质

研究了改进集的拓扑闭包的一些性质,提出了它的一些等价刻画,对一些已有结果作了改进和推广.通过一些具体例子对主要结果进行了说明.