热-湿-应力耦合作用下框架锚杆支撑的边坡冻融特性分析

为探究季冻区框锚支护边坡的冻融规律,根据传热传质理论,给出了土体在冻融过程中温度场、水分场和应力场的数学模型方程,使用有限差分法对温度场和水分场进行分析,在每个时间步长内使用有限单元法对应力场进行分析。同时,针对土体与结构的协同作用,提出了零宽度四节点单元作为二者的联结单元,来体现二者的联结关系。基于MATLAB软件平台编制了计算程序,并结合室外试验验证了程序的可靠性。结果表明：边坡顶部受温度影响较大,地表温度在冻结和融化时对土体最大影响深度分别是2.0m和1.5m;冻结时的剪应力大约是融化时的2.5倍,在坡面上分布较均匀,边坡处于稳定状态;融化时的剪应力在坡脚处出现应力集中,在融化区和未融化区交界面发生剪应力突变,边坡处于不稳定状态;3种工况下冻结时锚杆轴力最大,大约是初始工况的2.4~2.5倍,融化时锚杆留有残余轴力,大约是初始工况的1.1~1.3倍,表明冻融过程中的冻胀变形对锚杆内力影响较大,一旦超过其抗拉极限,就会发生锚杆被拔出的现象致使防护失效,边坡失稳。因此由冻结引起的变形会对锚杆内力产生不可忽略的影响,此类边坡工程中需要加以重视。     

非均布温度条件下CRCP+AC复合式路面温度应力分析

根据传热学相关理论,应用大型有限元软件ANSYS10.0对夏季高温条件下CRCP+AC复合式路面瞬态温度场进行了模拟,利用温度-结构耦合原理计算了日周期气温下路面结构的温度应力.分析过程中,考虑了温度沿路面深度方向分布的非线性特征及初始参考温度的非均匀性,对CRCP+AC复合式路面温度应力的影响因素进行了分析.研究结果表明,AC层厚度、CRC层厚度、CRC与基层接触条件的改变对路面结构温度应力的影响较大.当AC层厚度小于6 cm后,改变CRC层厚度对混凝土板温度应力影响不大.     

渗流-应力-化学耦合作用下单裂隙渗透特性

针对深部岩石处在高地应力、高地温、高渗透水压力以及复杂的水化学环境之中,将发生极其复杂的温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合作用。在前人工作的基础上,深入分析了多物理场作用下裂隙岩体表面溶解和压力溶解的作用机理,并建立了描述渗流-应力-化学耦合作用的偏微分方程组,最后建立了裂隙的概化模型,利用COMSOL Multiphysics多场耦合软件模拟了单裂隙在渗流-应力-化学作用下的耦合过程,并着重分析了裂隙渗透特性的变化规律。     

基于变异系数的盘式制动器热-应力耦合场研究

摩擦片材料属性影响着接触压力的不均匀程度,为了更精确地描述接触压力不均匀度,引入变异系数,以此来量化接触压力的不均匀性,并采用控制变量法探讨了变异系数随摩擦片材料属性的变化规律.研究结果表明:温度对接触压力的不均匀性影响很大,考虑温度影响后,接触压力变异系数由21.25%增加到49.51%,较大地增加了接触压力的不均匀性;摩擦片材料属性对变异系数影响明显,随着摩擦片弹性模量、热膨胀系数增加,变异系数逐渐变大;随着比热容、热传导系数、密度增加,变异系数逐渐变小.因此,适当降低弹性模量、热膨胀系数或增加比热容、热传导系数和密度,有利于改善接触压力的不均匀度,从而延长摩擦片使用寿命.     

基于热-力耦合磨削表层残余应力的仿真分析

为研究磨削后工件表面残余应力的分布特征需要先进行磨削区温度场的分析.通过建立磨削区温度场的数学模型和传热模型,应用ANSYS分析不同磨削参数对磨削区温度场的影响,仿真结果表明磨削深度对最高温度的影响最大.结合磨削过程中产生的磨削力,用APDL程序对磨削区的热-力耦合场进行ANSYS分析,获得工件在恢复室温时磨削残余应力大小及分布状态,揭示热-力耦合情况下对磨削表面残余应力形成的影响机制.通过残余应力试验对比试验结果和仿真结果,验证了仿真方法的有效性.     

热-力耦合作用下钢柱的动力特性分析

根据结构稳定理论导出了钢柱在热-力耦合作用下的振幅计算式,探讨了温度、柱阻尼、柱的尺寸效应、激振频率及纵向惯性力对钢柱动力性能的影响,提出了避免或减小钢柱振动的一些措施,为钢柱的动力分析与抗火设计提供了参考依据.     

饱和含水冻土区埋地管道水热耦合数值模拟

通过对冻土区管道运行研究,提出针对管道安全运行的措施.采用有限容积法,得到多年冻土多孔介质水热耦合数学模型,地表面温度采用随年周期性变化条件,应用SIMPLER算法对模型进行数值求解.通过对无保温层和有相同厚度两种保温材质的管道在春季、夏季和冬季的土壤温度场进行数值模拟,显示在地表温度波动的条件下,热流密度随土壤温度波动呈现周期性变化.在长期运行管道中,无保温措施的管道周围冻土融化剧烈,管壁热流密度大且振幅波动大.使用厚度为40mm的两种保温材料中,40 mm聚氨酯保温效果较好.冻土区运行管道应加敷导热系数较小的保温材料,可极大降低融化深度,保护管道安全运行.     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

基于多物理场耦合的非晶合金变压器短路特性分析

非晶合金变压器具有显著的节能优势,但是抗短路能力不足。针对在实际试验研究中非晶合金变压器绕组短路系列故障设置困难问题,本文基于电磁场-结构力场-温度场的瞬态多物理场耦合理论,建立变压器有限元三维模型。仿真了低压侧出口三相短路条件下非晶合金变压器矩形绕组的短路特性,研究了非晶合金变压器发生短路时温度剧烈升高所带来的热应力对绕组形变的影响。并对单独电磁力作用和电磁力热应力耦合作用下的绕组应力和形变进行了对比,计算结果表明热效应会对变压器形变产生较大影响,造成矩形绕组多处严重变形损坏。短路温升是变压器变形损坏不可忽略的因素,同时也是提升变压器抗短路能力中需要重点考虑的问题。     

渗流作用下能源桩的换热性能及热-力耦合特性

为了探寻实际工程中能源桩桩周土壤地下水渗流对能源桩传热性能和热-力耦合特性的影响,建立了考虑地下水渗流的能源桩热-力耦合数值模型,探讨了夏季工况下地下水渗流对能源桩热力学性质的影响。结果表明：夏季工况下能源桩在60 m/a水平渗流场作用下的换热量相对于无渗流情况可增加1.34倍,桩体温升可降低9.12%,地下水的流动降低了桩体位移、桩体轴力、侧摩阻力的变化幅度,还使得能源桩可以更快地达到稳定运行工况;在地下水渗流的影响下,渗流上游的土壤热影响范围明显缩小,但渗流下游的热影响范围显著扩大。     

引射器活门调节机构的流固热耦合特性

针对船用燃气轮机引射器活门调节机构多场耦合下的结构强度问题,建立了引射器三维流场以及活门阀片的结构模型,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,分别对流场进行了稳态与瞬态仿真分析.将瞬态仿真的结果作为有限元模型的边界条件,进行了包含热、气动和离心载荷的顺序单向流固热耦合分析.结果表明,相较于稳态仿真,瞬态仿真结果的趋势相近但压差更大.时变载荷的稳态求解,可能导致强度的估计不足.对活门调节机构而言,热载荷对机构阀片的变形、应力起到主要作用,气动载荷所导致的弯曲应力可以抵消一部分热载荷导致的弯曲应力,而离心载荷对机构的影响较小,可以忽略.所采用的分析方法可用于引射器活门调节机构等典型运动调节机构的结构设计与优化.     

煤田火区发展演化的多场耦合作用过程

 针对煤田火区发展演化多场耦合作用过程,分析了热-流-固耦合机理及不同时期煤体燃烧状态及产物。揭示了煤田火区发展演化是由煤氧复合化学反应而放热升温,产生热应力及烧空区致使上覆岩层失稳塌陷,形成煤岩体裂隙网络产生裂隙场,从而为氧气及燃烧产物对流循环提供通道,进一步促使火区向深部扩展延伸的灾变机理。因此,煤田火区温度场、裂隙应力场、渗流场及化学场之间的耦合作用是加速煤体燃烧的非线性动力循环过程。     

管壳式换热器热-磁-流耦合强化换热数值分析

采用Fe₃O₄/水磁性纳米流体和磁场改善管壳式换热器壳程的对流换热性能。通过三维数值模拟,分析了磁性纳米流体体积分数、流率和磁感应强度对管壳式换热器对流换热性能的影响。结果表明,换热器的传热率和强化效应会因为纳米粒子的导热系数和布朗运动而得到提高,但当体积分数大于1%时,提升幅度会逐渐减小并且效能评价系数会降低。相比其他性能强化技术,磁场对磁性纳米流体的作用可以使换热器在压降增加不大的情况下显著提高换热性能;与没有施加磁性纳米流体和磁场的情况相比,磁场下加入了Fe₃O₄/水磁性纳米流体的管壳式换热器的传热率提升最高可达68.2%,而压降只增加了13.8%,与施加了磁性纳米流体而没有施加磁场的情况相比,其传热率的提升最高可达46.7%,而压降只增加了1.96%。磁性纳米粒子本身具有的高导热性质和其布朗运动效应以及磁性纳米流体在垂直均匀磁场的作用下带动壳程流体形成的由内向外的旋流,加剧了对热边界层的扰动和冷热流体的混合,是对流换热性能增强的主要原因,且磁感应强度越大,流体流率越低,磁场对流体综合传热性能...     

岩石热-力作用过程的耦合

针对现有研究很少探讨加载和加温的历史对岩石热-力破坏的影响,利用带扫描电镜的岛津SEM高温疲劳实验机系统,通过先井温后加载和先加载后井温两种不同加载加温顺序的细观实验,实现了岩石试样在温度和力作用下的热-力耦合破坏个过程的实时监测,结果表明：加温加载途径对材料的变形破坏是有影响的,它们是相互耦合的非线性作用过程。从能量的观点理论计算了两种不同加载途径的应变能。理论和实验证明,岩石在温度载荷作用过程中,应考虑其热-力耦合效应。     

平板热反应器的多场耦合建模及仿真研究

化学反应器中的化学反应过程是能量,物料平衡及物料动量,热量和物料传输等联系紧密的多物理场耦合过程.该过程涉及的物理化学问题非线性度较高,求解难度也会增加.本文对平板化学热反应器在建立其化学反应、动量传输、能量传输和物料传输的多物理场耦合数值模型的基础上进行了研究,通过COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件的化学工程模块按照由简入繁的建模思路,逐步对所涉及的物理场进行耦合,完成对物料热反应关键控制参数温度、浓度和流速等在反应过程中变化情况的掌握,有助于产品质量控制和安全生产.     

基于渗流-应力耦合分析隧道双层衬砌力学特性

城市地铁盾构隧道支护结构主要为单层衬砌。为满足支护结构承载、防渗、开裂等要求,双层衬砌结构设计日益成熟。为揭示双层衬砌力学特性,首先通过推导渗流-应力耦合方程组,揭示地下土体应力、渗流相互耦合方程;基于渗流-应力耦合原理,利用ABAQUS软件,考虑围岩压力、隧道埋深等工况,计算、比较单层衬砌、双层衬砌的承载力特性,得到以下结论:(1)初衬、二衬在支护作用下均承载,但是初衬应力为二衬3倍左右,为主要承载结构;(2)在渗透系数减小的情况下,初衬应力增加、二衬应力减小,二衬的作用主要为防渗和安全储备。     

多场耦合下大体积混凝土初次蓄水的温度应力问题研究

在大体积混凝土坝初次蓄水时,温度较低的库水必然会对坝体温度场产生较明显的影响,从而影响坝体的变形,甚至产生温度裂缝.为分析大体积混凝土初次蓄水的温度应力,本文将混凝土类多孔介质视为连续介质,综合运用水力学、热学和固体力学等基本理论,根据动量守恒、质量守恒和能量守恒方程建立了以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度和孔隙率为未知量的多场耦合数学模型,在此基础上编制了有限元计算程序,并对大体积碾压混凝土块的渗流场、温度场和应力场进行了耦合分析,结果表明,考虑耦合后块体温降幅度及温度大主应力均较不考虑耦合条件下大.     

高压直流电缆的电-热场耦合仿真研究

高压直流电缆(high voltage direct current cables, HVDC-cables)广泛应用于生产、生活的方方面面,研究高压直流电缆的电特性、热特性及其耦合性质有助于为高压输电设计和施工提供重要依据.以往研究高压直流电缆内部电场分布时,一般将其视为静电问题,并假设电缆材料属性为线性.本文考虑了绝缘介质材料聚乙烯的非线性特性以及绝缘材料内部的欧姆损失,对旋转对称和非旋转对称的高压直流线缆模型进行了电-热场耦合仿真研究.仿真结果显示,绝缘材料内外温差ΔT增高将引起电场反转效应,而电场系数β增加将消弱外界屏蔽电场.对于非旋转对称截面的高压直流电缆,绝缘介质内电场强度与介质厚度正相关,且同样存在电场反转效应.     

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。     

考虑水-力耦合和不同应力路径的砂岩卸荷力学特性试验

为研究不同渗透压力条件下的岩石卸荷力学特性,选取砂岩为研究对象,开展了不同渗透压力和不同应力路径下的三轴卸荷试验,并与常规三轴试验进行对比,比较了不同应力路径下的岩石强度特性,分析了渗透压力对岩石变形和强度参数的影响。试验结果表明：渗透压力的增大会弱化岩石强度,岩石的峰值强度随渗透压力的增大而降低,而轴向变形随渗透压力增大而增加,渗透压力越大,岩石的压密段特征越明显;针对两种不同的卸荷应力路径,恒轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断降低,内摩擦角不断增加,而加轴压卸围压路径条件下,岩石的黏聚力不断增加,内摩擦角逐渐降低。