弧齿锥齿轮接触与弯曲强度ISO与AGMA标准比较及有限元验证

齿轮强度标准在行业中贯标率较低,使得基于不同标准得到的齿轮产品设计结果缺乏通用性.以应用较广的ISO 10300-2014和ANSI/AGMA 2003-B97标准为对象,研究弧齿锥齿轮接触与弯曲强度计算标准的差别,探讨两种标准中各设计量与修正系数的定义方法、取值及对轮齿强度的影响.设计多组算例比较两种标准下齿形与工作参数对接触和弯曲强度的作用,并通过有限元接触分析对其进行验证.结果表明,由于参数的定义和取值不同,两种标准计算的接触与弯曲强度差别较大.有限元接触分析与两种标准的计算值比较显示,综合考虑材料的疲劳强度极限与齿轮结构强度,结合接触和弯曲强度的安全系数来评估弧齿锥齿轮的承载能力更为合理.     

岩石地层中顶管顶力计算方法研究

顶管施工常见于市政地下管线建设工程,相应的顶力计算模型已经发展成熟并成功运用于实际工程,然而,目前国内外对岩石地层中的顶力计算研究较少,为此,针对福建平潭引水工程中某曲线顶管穿越硬质岩层,考虑掘进后隧洞的稳定性,分别从管岩接触与管浆接触这2种接触方式计算管侧摩阻力,同时采用Hertz与Persson这2种弹性接触理论推导施工状态下钢管与岩层之间的接触角度。此外,考虑管节中轴线以下与沉渣带发生局部接触,在顶进过程中沉渣带分布沿管线呈概率分布,提出一种适用于此类接触条件下的顶力计算模型。研究结果表明：在理想状态下,钢管在顶进过程中与周围岩层之间接触角度在0.57°～1.15°范围内,可认为管岩之间处于点或线接触状态;与沉渣带接触时,当沉渣带分布沿管线占比为0.5～1.0时,实测顶力曲线基本被包络在管渣接触曲线的上下限之间,证明所提出顶力计算模型是有效的,可为相关工程研究提供参考。     

基于瞬态接触的地铁直线轨道波磨特性分析

为阐明地铁直线轨道上的异常波磨现象,从轮轨滚动接触层面研究钢轨波磨特性。首先,调研实测线路波磨特征,并建立三维轮轨滚动接触有限元模型;然后,分析轮轨黏滑特性以及轮轨接触和钢轨磨耗特征,以期从微观瞬态角度解释钢轨波磨的演化过程;最后,结合系统稳定性分析,从宏观上表征钢轨波磨的发展趋势。研究结果表明,在无波磨工况下,轮轨接触未出现黏滑过程,因而钢轨波磨不会形成;在波磨工况下,轮轨接触出现了轻微的黏滑运动,进而促使初始波磨继续发展。对于轨面接触区域中的固定节点,其所在断面的应力和应变最大值会随着车轮运行逐渐从次表面转移至表面,由于断面损伤易发位置与应力和应变最大值密切相关,因此,损伤易发位置也会在次表面首先形成并逐渐转移至表面,这从微观角度说明波磨断面波峰/波谷的形成是一个由下而上的损伤累积过程;在车轮单次运行后,波磨区域发生了明显的不均匀相对滑移,进一步说明初始波磨仍处在发展过程中;轮轨系统不稳定振型对应频率与实测波磨通过频率相近,表明初始波磨将随着车轮运行逐渐加剧。     

残余应力对接触疲劳裂纹萌生寿命的影响

采用光学显微镜跟踪测量法研究了支承辊钢滚动接触疲劳垂直短裂纹的形成和不扩展特性。结果表明:这种短裂纹生成很快、初始扩展速率非常高,但很快就停止扩展;经过大约表面损伤寿命的70%~80%周次循环后,一部分短裂纹又转向沿圆周方向且平行于表面扩展,并具有长裂纹扩展特征。利用垂直短裂纹的这种不扩展特性及其可跟踪性,将其转向扩展作为区分长短裂纹分界点判据。根据这种判据,实验测得残余拉压应力下的寿命比为0.5~0.54,与理论计算的残余拉压应力下的寿命比0.333~0.375相差较大。     

纳米级粗糙峰法向接触特性研究

为了突破有限元法在微观尺度下界面接触特性分析中的局限性,采用分子动力学方法研究纳米级粗糙峰的法向接触行为。利用大规模原子/分子并行模拟器(LAMMPS)建立3种不同半径的Cu单粗糙峰与金刚石刚性平面法向接触的分子动力学模型,从原子尺度模拟纳米级粗糙峰法向接触动态过程,分析法向接触力、实际接触面积、接触应力等参量的动态变化特性。结果表明：粗糙峰半径一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积与接触变形率正相关;接触变形率一定时,法向接触力、接触应力、实际接触面积均随粗糙峰半径的增大而递增;不同于宏观接触行为,由于原子间相互作用力,纳米级粗糙峰在法向初始接触阶段出现负的法向接触力以及非零的实际接触面积;粗糙峰的接触变形过程伴随着原子位错以及应力集中。     

非规则颗粒形态表征与离散元模拟方法研究

颗粒物质在自然界和人类生产与生活中广泛存在,对于非规则颗粒,其宏观物理力学特性与几何形态密切相关.本文以本课题组和合作者的相关研究为基础,介绍了非规则颗粒几何形态的获取、重构、评价、随机生成以及离散元模拟方法等方面的研究进展.总结了非规则颗粒形态不同获取方法的优缺点;将颗粒二维形态和三维形态分别划分为星形和非星形两种类型,介绍了各类型几何形态的计算几何重构方法;系统总结了非规则颗粒不同层次形态评价指标的定义,及基于计算几何的指标计算方法;介绍了基于逆蒙特卡罗法的二维星形与三维星形随机颗粒生成方法,以及可考虑一阶系数固有关系和其他阶系数经验相关性的二维非星形与三维非星形虚拟颗粒生成方法;对于非规则颗粒的离散元模拟方法,重点总结了颗粒几何形态表示、颗粒接触判断与颗粒接触力计算方法等核心问题的研究进展.     

动力作用下加筋土挡墙的数值模拟

通过引入筋—土、面板—土、面板—面板接触单元,建立由土体单元、接触单元、面板单元和加筋材单元组合的加筋土挡墙有限元模型,用ANSYS对一足尺加筋土挡墙进行了有限元数值模拟．主要研究了地震荷载的频率成分和最大水平加速度对加筋土挡墙地震下性能的影响,得出了一些关于加筋土挡墙动力响应的定性结论．     

电磁软接触连铸圆坯结晶器磁场分布数值模拟研究(Ⅱ)——结构参数和操作参数的影响

系统地研究了三维圆坯连铸结晶器内磁场分布,分别考察了结晶器切缝长度、切缝宽度、切缝数和结晶器壁厚等结构参数,钢液液面高度、电流强度等操作参数对结晶器内磁场分布的影响.切缝长度从130mm增加到220 mm,磁感应强度最大值从0.056 T增加到0.071 T;切缝宽度从0.3 mm增加到1.1 mm,磁感应强度最大值从0.058 T增加到0.089 T;切缝数从8增加到32,磁感应强度增加明显,32后不再明显;结晶器壁厚从10 mm增加到19 mm,磁感应强度最大值降低近50%;钢液液面应该位于线圈中心位置从而获得最大磁感应强度;磁感应强度最大值随电流强度线性增加.     

中厚板轧制过程头部弯曲成因分析及其控制

针对国内中厚板轧机普遍存在的头部弯曲问题,通过对轧制过程进行分析,得出轧件上下表面温差和上下辊辊径比对轧件头部弯曲的影响规律,建立轧件头部弯曲曲率、轧机上下辊辊径比和轧件上下表面温差之间的关系模型.利用该模型可以根据轧制参数预测轧件弯曲曲率,为现场配辊提供理论依据.提出一种采用CCD摄像机测量轧件弯曲曲率的测量方法.     

液-液循环流化床制冰过程的(火用)分析

采用水与另一种非相溶载冷流体直接接触换热结冰的液液循环流化床是一种新型动态制取流体冰方法.针对该方法建立了研究床内多相流动与传热过程的数值模拟平台,以热力学第二定律为基础提出了液液循环流化床制冰过程的火用损失计算模型.采用数值试验方法探讨了水滴直径、载冷液体入口温度和速度对系统的制冰能力和火用损失的影响.研究结果发现,减小水滴直径和入口温度可以不断提高循环流化床的制冰能力,但减小入口速度的作用有限,而减小水滴直径是兼顾制冰能力和过程火用损失的最有利途径.