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考虑线性插值模型的热力耦合结构多材料拓扑优化
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作者 曹辰飞 胡捷 +4 位作者 姚松 陈兴 李家春 孙峪鹏 曹文康 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2026年第1期388-401,共14页
针对传统单材料拓扑优化设计难以实现热力耦合结构多材料自由选配以获得目标性能最优的问题,提出一种基于线性插值模型的热力耦合结构多材料浮动投影拓扑优化高效求解方法。首先,结合线性材料插值模型和热应力系数,解决热弹性载荷设计... 针对传统单材料拓扑优化设计难以实现热力耦合结构多材料自由选配以获得目标性能最优的问题,提出一种基于线性插值模型的热力耦合结构多材料浮动投影拓扑优化高效求解方法。首先,结合线性材料插值模型和热应力系数,解决热弹性载荷设计依赖和低密度区域材料寄生问题;其次,构建热力耦合多材料拓扑优化模型,取代常规的多重体积约束,在单质量约束条件下优化热力耦合结构柔度目标性能;最后,不同于常规采用密度插值模型结合惩罚因子来获得清晰拓扑构型的惩罚类方式,采用隐式浮动投影函数驱动的非惩罚类拓扑成形机制,逐渐驱动设计变量更新趋于0/1清晰拓扑分布。研究结果表明:所提方法避免了多材料惩罚因子等复杂优化参数选取,获得了结构更紧凑、热力传递更合理的光滑拓扑构型;相比常规多重体积约束设计与等质量单材料设计,本文方法实现了单质量约束下结构多材料拓扑相自适应去留,在200℃的矩形结构算例中,可实现优化柔度目标性能分别降低34.214%和30.656%。 展开更多
关键词 拓扑优化 线性多材料插值模型 热力耦合 浮动投影 单质量约束
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履带车辆鼓式制动器热力耦合分析及疲劳寿命预测
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作者 周强 吴江波 +2 位作者 张家乐 纪飞龙 秦训鹏 《机械强度》 北大核心 2026年第1期116-123,共8页
【目的】针对加长型履带所需的高制动性能要求,采用具有高摩擦因数的摩擦片及大制动气室以提高制动力,对改进后的制动器在典型制动工况下的温度场、应力场和疲劳寿命进行分析。【方法】采用Ansys有限元仿真软件,建立了鼓式制动器的三维... 【目的】针对加长型履带所需的高制动性能要求,采用具有高摩擦因数的摩擦片及大制动气室以提高制动力,对改进后的制动器在典型制动工况下的温度场、应力场和疲劳寿命进行分析。【方法】采用Ansys有限元仿真软件,建立了鼓式制动器的三维热力耦合模型。通过台架试验验证了仿真模型的准确性,并采用Manson-Coffin模型预测了制动鼓的疲劳寿命。【结果】结果表明,制动鼓温度升高会显著增大应力,持续制动工况下制动鼓的温度和应力均高于单次制动工况。制动过程中,由于制动鼓的塑性变形,摩擦片表面的应力分布并不均匀,影响了制动平稳性,缩短了鼓式制动器的疲劳寿命。试验结果进一步证实,改进后整车的制动性能得到了极大改善。 展开更多
关键词 鼓式制动器 热力耦合 温度场 应力场 疲劳寿命预测
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“Ω”型引线成形热力耦合仿真及结构优化设计
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作者 虞欣铂 王道宽 +1 位作者 岳小栋 宇慧平 《现代电子技术》 北大核心 2026年第6期7-14,共8页
为提高“Ω”型引线成形应力释放能力,缓解电子元器件引线在高温度梯度下因热应力而导致断裂失效的问题,文中对“Ω”型引线成形在热应力下的释放能力进行了理论分析。考虑到高温度梯度下引线沿长度方向上材料性能的不均匀性,建立了引... 为提高“Ω”型引线成形应力释放能力,缓解电子元器件引线在高温度梯度下因热应力而导致断裂失效的问题,文中对“Ω”型引线成形在热应力下的释放能力进行了理论分析。考虑到高温度梯度下引线沿长度方向上材料性能的不均匀性,建立了引线热力耦合仿真模型,提出了引线安全系数计算公式。进一步地,基于代理模型建立了“Ω”型引线成形的优化模型,并利用混合整型序列二次规划(MISQP)算法进行全局优化求解。理论分析和仿真研究结果均表明,在高温度梯度环境下,“Ω”型引线成形应力释放能力与引线中间圆弧位置的尺寸有关,随着圆弧半径的增加,其应力释放能力有所提高。通过结构优化设计,得到了最佳的引线成形方案,优化后引线的安全系数从1.09增加到5.75,显著提高了引线使用的可靠性。 展开更多
关键词 “Ω”型引线 引线成形 热力耦合 应力释放 高温环境 代理模型 结构优化
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基于热力耦合的裂纹尖端应力强度因子特性分析
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作者 赵中强 曹田野 +1 位作者 王辉 刘径伊 《机械强度》 北大核心 2026年第1期109-115,共7页
【目的】为明确接触疲劳失效机制和影响因素,提高机械零件抗疲劳性能,延长疲劳寿命,开展了接触疲劳下表面裂纹萌生和疲劳扩展机制的研究。【方法】采用有限元法和断裂力学理论对滑动接触时热力耦合作用下裂纹尖端应力强度因子的影响因... 【目的】为明确接触疲劳失效机制和影响因素,提高机械零件抗疲劳性能,延长疲劳寿命,开展了接触疲劳下表面裂纹萌生和疲劳扩展机制的研究。【方法】采用有限元法和断裂力学理论对滑动接触时热力耦合作用下裂纹尖端应力强度因子的影响因素进行分析,分别计算并得到了不同压力载荷、摩擦因数、裂纹长度、裂纹角度、滑动速度下裂纹尖端应力强度因子的变化规律。【结果】结果表明,滑动接触热力耦合下裂纹为Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹,随着滑块逐渐靠近裂纹,裂纹由Ⅰ型向Ⅱ型转变;热效应会抑制裂纹的Ⅰ、Ⅱ型扩展,且热效应越显著,抑制作用越强,但K_(Ⅰ)对热效应更为敏感,而K_(Ⅱ)受其影响较弱;压力载荷和裂纹角度增加,复合型裂纹扩展加剧;增大摩擦因数,裂纹的Ⅰ型扩展加剧,Ⅱ型扩展减弱;裂纹长度增加,Ⅰ型扩展减弱,Ⅱ型扩展增强;裂纹的Ⅰ、Ⅱ型扩展均随滑动速度的增加而减弱。 展开更多
关键词 固体力学 滑动接触 热力耦合 裂纹 应力强度因子 有限元
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考虑残余应力的2195-T8铝锂合金激光焊接热力耦合建模及焊接强度研究
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作者 杨正伟 张言 +2 位作者 寇光杰 刘红升 张妮 《兵器装备工程学报》 北大核心 2026年第1期244-252,共9页
针对2195-T8铝锂合金激光焊接过程热力耦合机理不明导致焊接强度受限的问题,采用“面热源+体热源”混合模型及“2进1”网格过渡方法,运用ABAQUS软件,建立了2195-T8铝锂合金激光焊接热力耦合模型,研究了激光焊接过程中温度场、残余应力... 针对2195-T8铝锂合金激光焊接过程热力耦合机理不明导致焊接强度受限的问题,采用“面热源+体热源”混合模型及“2进1”网格过渡方法,运用ABAQUS软件,建立了2195-T8铝锂合金激光焊接热力耦合模型,研究了激光焊接过程中温度场、残余应力场和塑性应变场多场耦合的分布规律,并通过3组焊接和拉伸试验验证了模型的可靠性。结果表明:在激光焊接过程中,温度场在激光中心前缘和后缘呈现非对称性,激光前缘温度陡峭,后缘因热惯性冷却缓慢,最高温度区域高于2195-T8铝锂合金的熔点(634℃)形成熔池;残余应力在焊接起点和终点处达到峰值,并沿焊缝中心对称分布,向热影响区逐渐降低,塑形应变集中在熔池中心。当焊接参数P=1800 W,v=20 mm/s时,焊缝拉伸强度最高,且仿真模拟强度均高于实际拉伸强度,主要归因于模型未考虑实际焊缝的气孔、裂纹等缺陷;仿真与试验平均误差分别为12.3%、14.4%、13.7%,均处在合理误差范围。 展开更多
关键词 铝锂合金 激光焊接 热力耦合模型 多场耦合 拉伸强度
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热力耦合作用下混凝土分级流变试验及微观分析 被引量:1
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作者 乔雪垠 周静 +1 位作者 王文飞 肖东 《水电能源科学》 北大核心 2025年第5期107-110,共4页
为研究热力耦合作用下混凝土流变行为及影响机制,以粉煤灰陶粒混凝土为例开展不同温度下应力水平σ/f_(c)(f_(c)为单轴抗压强度)的分级压缩流变试验,探讨了热力耦合下粉煤灰陶粒混凝土的流变特性,并结合SEM试验揭示其微观结构演化。试... 为研究热力耦合作用下混凝土流变行为及影响机制,以粉煤灰陶粒混凝土为例开展不同温度下应力水平σ/f_(c)(f_(c)为单轴抗压强度)的分级压缩流变试验,探讨了热力耦合下粉煤灰陶粒混凝土的流变特性,并结合SEM试验揭示其微观结构演化。试验结果表明,粉煤灰陶粒混凝土的流变行为具有明显的温度和应力依赖性;采用Burgers流变模型对粉煤灰陶粒混凝土流变应变进行拟合,其理论曲线与试验值吻合较好;粉煤灰陶粒具有较强的耐火性,高温下保持结构完好,而基体凝胶结构逐渐变得疏松多孔,且粉煤灰陶粒与基体的粘结性能受损严重。 展开更多
关键词 混凝土 热力耦合作用 粉煤灰陶粒 分级流变 微观结构
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道岔区轮轨滑动接触摩擦热力耦合特征分析
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作者 韩峰 李国民 +3 位作者 魏昊 刘洋 陈磊 刘泽龙 《铁道学报》 北大核心 2025年第6期113-121,共9页
以12号单开道岔转辙器区14~16号轨枕处基本轨和尖轨为研究对象,研究LM磨耗型踏面车轮通过道岔转辙器区的轮轨间滑动摩擦热力特性。基于非稳态热传导原理,建立轮轨热力耦合动力学模型,计算不同工况下磨耗车轮通过岔区的钢轨接触点力学变... 以12号单开道岔转辙器区14~16号轨枕处基本轨和尖轨为研究对象,研究LM磨耗型踏面车轮通过道岔转辙器区的轮轨间滑动摩擦热力特性。基于非稳态热传导原理,建立轮轨热力耦合动力学模型,计算不同工况下磨耗车轮通过岔区的钢轨接触点力学变化特性及接触斑处温升,判断在相应道岔区的摩擦热高温区和应力集中区。研究结果表明,随着轮轨滑动摩擦,道岔区轮轨产生摩擦高温,最大温升点位于接触斑后半部。列车轴重是影响道岔区钢轨温升的主要因素,轴重越大,轮轨之间的接触压力越大,热源越强,导致轮轨摩擦温升更高,滑动速度对其影响较小。尖轨和基本轨的摩擦热与接触应力的差异稳定在14.67~48.90 MPa范围内,说明该区域道岔结构稳定,两轨受力均衡。 展开更多
关键词 道岔区 铁道工程 摩擦热 热力耦合 数值模拟
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热力耦合下CRCP微裂缝处力学响应及影响因素研究
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作者 李盛 王渺 +2 位作者 李亮辉 孙煜 张海涛 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第7期2895-2911,共17页
横向微裂缝是连续配筋混凝土路面(continuously reinforced concrete pavement,CRCP)的薄弱位置,易在温度和荷载作用下劣化扩展,导致出现基层冲刷脱空和冲断破坏等病害,严重影响CRCP结构耐久性。为探究热力耦合作用下CRCP微裂缝处力学... 横向微裂缝是连续配筋混凝土路面(continuously reinforced concrete pavement,CRCP)的薄弱位置,易在温度和荷载作用下劣化扩展,导致出现基层冲刷脱空和冲断破坏等病害,严重影响CRCP结构耐久性。为探究热力耦合作用下CRCP微裂缝处力学响应规律和影响因素,建立CRCP热力耦合有限元模型和非均布荷载模型,研究微裂缝处力学响应分析的最不利温度场与最不利荷位;分析与CRCP结构及微裂缝相关的5个因素对热力耦合下微裂缝处力学响应的影响。研究结果表明:微裂缝处力学响应分析的最不利温度场为冬季早上6:00左右的温度场,最不利荷位是横向微裂缝沿行车方向的缝后位置;随着裂深比增大,钢筋对裂缝的约束作用增强,裂缝处拉应力先增加,越过钢筋后迅速减小;采用小裂缝间距、大配筋率、小钢筋直径和小埋置深度可降低裂缝处拉应力,推荐试算配筋率为8‰左右,同时,建议将裂缝间距控制在1.2 m左右;采用大裂缝间距、小配筋率、小钢筋直径和小埋置深度可提高纵向钢筋承载效率;在热力耦合下,影响微裂缝处力学响应的因素从大至小依次为裂深比、裂缝间距、钢筋埋深、配筋率、钢筋直径。研究结果可为CRCP结构耐久性设计提供理论与数据支撑。 展开更多
关键词 连续配筋混凝土路面 微裂缝 热力耦合 力学响应 非均布荷载
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气候变化环境下青藏高原含冰冰碛土斜坡水热力耦合特性与长期稳定性 被引量:3
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作者 李奇龙 周佳庆 +3 位作者 李长冬 刘洪斌 王雪萦 吕豪 《地质科技通报》 北大核心 2025年第1期112-125,共14页
全球气候变暖形势严峻,温度的升高将直接导致广泛分布于青藏高原的各类含冰堆积体与冻结堆积体出现冻结区退化、热融沉降、失稳破坏等一系列工程地质问题。随着青藏地区人类生产实践与工程活动的日益频繁,这些工程地质问题将严重威胁着... 全球气候变暖形势严峻,温度的升高将直接导致广泛分布于青藏高原的各类含冰堆积体与冻结堆积体出现冻结区退化、热融沉降、失稳破坏等一系列工程地质问题。随着青藏地区人类生产实践与工程活动的日益频繁,这些工程地质问题将严重威胁着该地区的人民生命财产安全和重大工程建设进程。本研究建立了考虑冰水相变作用的岩土体渗流-传热-变形耦合数值模型,并通过与已有试验研究以及数值模拟研究的结果进行对比,充分验证了所搭建耦合模拟方法的有效性。基于所搭建的耦合模拟方法,聚焦帕隆藏布流域广泛分布的含冰冰碛土斜坡,结合历史气象数据和气候预测数据(SSP1-2.6与SSP5-8.5两种情景下),开展了自2020-2100年,时长80 a的斜坡多场耦合模拟与长期稳定性计算研究。结果表明,坡体内部各深度土体在长期变暖进程中均呈现不同程度的升温,并进一步导致坡体内部冻结区出现不可逆转的退化,从而导致相应的不可逆转的热融沉降与稳定性下降现象。冻结区的退化与其相应导致的不良工程地质现象受未来不同气候演化模式影响巨大。在SSP5-8.5情景下,持续升温至2080年前后,年均大气温度共抬升了3.84℃,坡体内部开始出现冻结区不可逆的退化与随之出现的不可逆沉降现象。在2080年坡体表层出现冻结区永久退化之后,坡体的热融沉降进程与稳定性的下降过程开始出现显著的加速现象,直至2100年,坡体热融沉降可达0.06 m,坡体稳定性较2020年下降了6.3%,这一非线性演化特征深刻反映了含冰土体这一特殊岩土材料在温度升高作用下由量变向质变转变的演化过程。而在SSP1-2.6情景下,冰碛土斜坡并未出现显著的冻结区退化与稳定性劣化的现象。本文构建的嵌入气候模型、考虑了冰水相变的岩土体温度-渗流-应力多场耦合模拟平台,量化评估了不同未来气候情景下坡体退化程度与失稳风险,揭示了气候驱动下含冰冰碛土斜坡水热力多场响应机制,阐明了斜坡长期稳定性演化规律,其成果为高寒高海拔地区地质灾害气候响应和区域地质风险评估奠定了重要理论基础。 展开更多
关键词 气候变化 青藏高原 含冰冰碛土 热力耦合 斜坡稳定性
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小模数齿轮断续滚齿热力耦合建模与试验研究 被引量:1
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作者 夏宁伟 刘辉华 +2 位作者 杨国祥 王俊 周长江 《湖南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第2期88-97,共10页
小模数齿轮加工过程中,滚齿切削时易于产生显著的热变形,进而影响其尺寸精度和服役性能.基于展成法加工原理和齿坯材料切除机制,提出小模数齿轮断续滚齿切削热力耦合计算模型.设计多级滚切速度下的钢制小模数齿轮试件试验,测算试件表面... 小模数齿轮加工过程中,滚齿切削时易于产生显著的热变形,进而影响其尺寸精度和服役性能.基于展成法加工原理和齿坯材料切除机制,提出小模数齿轮断续滚齿切削热力耦合计算模型.设计多级滚切速度下的钢制小模数齿轮试件试验,测算试件表面缺陷、粗糙度与公法线偏差.对比公法线偏差测量值和塑性应变仿真值,验证上述计算模型的正确性.研究齿轮模数、切削速度和传热条件对切削应力、表面温度及热变形的影响规律.结果表明:切削应力水平与模数负相关,与切削速度正相关;齿面缺陷密集度、表面温度和热变形均与切削速度正相关.适当降低滚刀转速、减小滚刀直径及强化切削区对流换热,可减小滚齿热变形,提高齿形精度和表面质量. 展开更多
关键词 小模数齿轮 齿轮加工 热力耦合 传热 热变形
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热力耦合作用下高速列车橡胶球铰疲劳耐久性评估方法 被引量:1
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作者 公衍军 熊伟 +2 位作者 由天宇 尹盛文 王中钢 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第1期66-76,共11页
为进一步提升高速列车转向架关键橡胶节点在运行工况下的疲劳耐久性分析精度,对橡胶球铰在热力耦合作用下的疲劳耐久性进行研究。以某型号高速列车转向架橡胶球铰为对象,采用多体动力学方法建立高速列车车辆动力学模型,提取转向架转臂... 为进一步提升高速列车转向架关键橡胶节点在运行工况下的疲劳耐久性分析精度,对橡胶球铰在热力耦合作用下的疲劳耐久性进行研究。以某型号高速列车转向架橡胶球铰为对象,采用多体动力学方法建立高速列车车辆动力学模型,提取转向架转臂橡胶球铰在列车不同运行速度条件下的载荷历程数据,并施加于橡胶球铰有限元模型的载荷边界,分析橡胶球铰在列车运行载荷历程下的应力-应变场及其变化规律。基于Fortran语言编写程序计算橡胶球铰生热率,赋予各个橡胶单元,设定热边界及载荷条件。采用热力耦合方法计算橡胶球铰的温度场与热耦合应力-应变场,并在热力耦合作用下分析橡胶球铰的疲劳耐久性。结果表明:随着列车运行速度增加,轮轨间冲击激扰作用增强,转向架部位橡胶球铰交变载荷频率加快,有效载荷增大,进而导致橡胶球铰结构应力相应增大;考虑热力耦合作用时,橡胶材料的动态黏弹性在交变载荷激励下的阻尼引起橡胶生热并随列车运行速度提高而逐步增加,橡胶球铰温升导致热应力增加,疲劳耐久性显著降低;在列车运行时速400km/h、环境温度25℃时,橡胶球铰最高温度为43.14℃,对比同等条件下未考虑热力耦合作用的橡胶球铰,最大应力增大22.80%,疲劳寿命下降39.11%。研究结果为进一步提高列车转向架橡胶球铰疲劳耐久性的预测精度提供了方法与参考。 展开更多
关键词 橡胶球铰 热力耦合 温度场分析 疲劳耐久性 转向架
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铝合金选区激光熔化成形过程中热力耦合分析及残余应力预测 被引量:1
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作者 刘尚阳 杨波 茅健 《粉末冶金技术》 北大核心 2025年第3期350-358,共9页
本文利用ANSYS有限元分析软件对AlSi10Mg的选区激光熔化成形过程进行热–力耦合分析并进行实验验证。针对目前铝合金选区激光熔化数值模拟不够精确,残余应力预测效率低的问题,利用JMatPro软件计算出AlSi10Mg在不同温度下的非线性热物性... 本文利用ANSYS有限元分析软件对AlSi10Mg的选区激光熔化成形过程进行热–力耦合分析并进行实验验证。针对目前铝合金选区激光熔化数值模拟不够精确,残余应力预测效率低的问题,利用JMatPro软件计算出AlSi10Mg在不同温度下的非线性热物性参数,并通过ANSYS的UDMAT子程序实现材料状态的转换,以此提高数值模拟的准确度。通过建立的热力耦合数值模型,研究不同的激光工艺参数对温度场和应力场的影响,最后进行相应的AlSi10Mg样件打印实验,并通过X射线应力分析仪测量样件残余应力。结果表明:每一层的扫描过程中,曲线均有明显的波峰,轨道间和层间可实现较好的重熔搭接;随着扫描速率的减小或激光功率的增加,最高温度和熔池尺寸随之增加;在成形过程中,沿着扫描方向的应力最大,垂直于扫描方向的应力最小。通过热力耦合模型所得到的残余应力与实验值误差小于8%,可以通过该热力耦合模型对选区激光熔化制件的残余应力进行预测。 展开更多
关键词 选择性激光熔化 热力耦合分析 残余应力 数值模拟 AlSi10Mg
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不同环境温度下弓网系统热力耦合研究
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作者 姜杭艳 周宁 +3 位作者 高海翔 李牧迪 罗建伟 张卫华 《城市轨道交通研究》 北大核心 2025年第9期172-176,共5页
[目的]在极端的环境温度下,弓网接触区易出现温升过高、接触力波动加剧等问题。对此,有必要揭示不同环境温度下的弓网热力耦合效应,探究温度与应力演化规律。[方法]基于动力学和热力学理论,建立了一种考虑热、动力学和电等多物理场影响... [目的]在极端的环境温度下,弓网接触区易出现温升过高、接触力波动加剧等问题。对此,有必要揭示不同环境温度下的弓网热力耦合效应,探究温度与应力演化规律。[方法]基于动力学和热力学理论,建立了一种考虑热、动力学和电等多物理场影响的弓网系统热力耦合模型,研究了环境温度对弓网系统热力耦合特性的影响。[结果及结论]碳滑板的稳态温度与环境温度呈正相关,总温升及稳态应力同环境温度呈负相关。环境温度每上升20℃,碳滑板碳条稳态温度增加12.6℃,温升减少7.4℃,稳态应力减少0.755 MPa。当环境温度为-60℃及90℃时,总温升分别可达到249.46℃和183.46℃。即使在低环境温度下,碳滑板表面的温度也会迅速上升至一个可能导致严重磨损的水平。 展开更多
关键词 高速列车 受电弓 碳滑板 热力耦合 环境温度
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热力耦合作用的贮箱椭球底结构变厚度优化设计
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作者 高佳伟 李鑫 +1 位作者 滕浩龙 牛斌 《宇航学报》 北大核心 2025年第2期346-353,共8页
针对受热力耦合作用的大型薄壁椭球底结构的轻量化设计问题,提出了基于厚度曲面映射的变厚度设计方法。通过选取合适位置和数量的控制点构建厚度曲面,并通过厚度曲面获得结构各位置厚度,结合参数优化的方法寻找最优的厚度曲面,实现厚度... 针对受热力耦合作用的大型薄壁椭球底结构的轻量化设计问题,提出了基于厚度曲面映射的变厚度设计方法。通过选取合适位置和数量的控制点构建厚度曲面,并通过厚度曲面获得结构各位置厚度,结合参数优化的方法寻找最优的厚度曲面,实现厚度连续光滑变化的变厚度设计。针对承载、减重的需求,采用控制点的厚度元素作为设计变量,引入结构的最大Mises应力和应力均匀程度作为约束,建立以最小结构质量为目标的优化列式,实现了热力耦合作用下结构的厚度优化设计。最后,通过数值算例验证该方法的有效性,并与传统等厚度优化方法进行对比分析。结果表明:采用变厚度设计的椭球底结构质量减轻了53.6%,减重效果较等厚度设计提升了22.7%。 展开更多
关键词 椭球底 变厚度 热力耦合 厚度映射 优化设计
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热力耦合作用下熔盐储罐的力学性能评估及加强筋布置方案研究
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作者 任博 田家铭 +2 位作者 李彪 卢泳玮 王跃社 《西安交通大学学报》 北大核心 2025年第10期126-136,共11页
针对熔盐储罐在运行过程中因液位变化和温度波动导致的罐壁应力集中问题,开展热力耦合作用下的结构评估与优化研究。首先,基于有限体积-有限元耦合方法,建立熔盐储罐的热力学耦合模型,通过多物理场仿真分析不同液位工况下罐壁温度场、... 针对熔盐储罐在运行过程中因液位变化和温度波动导致的罐壁应力集中问题,开展热力耦合作用下的结构评估与优化研究。首先,基于有限体积-有限元耦合方法,建立熔盐储罐的热力学耦合模型,通过多物理场仿真分析不同液位工况下罐壁温度场、应力场及变形场的分布特性;其次,结合模拟结果识别关键失效风险区域;最后,提出针对性优化方案并验证其有效性。模拟结果表明:液位变化导致储罐温度呈现显著分层现象,罐壁最大温差达8℃;在热力耦合作用下,罐壁应力随液位的升高而增大,最大应力为105 MPa,且集中于第1、2层罐壁区域;拱顶部位因受热膨胀约束最小,变形最为显著,最大变形可达0.16 m,而罐壁其他区域需保持热变形自由状态以避免附加应力;通过局部布置加强筋优化结构设计后,危险点应力降幅达38%,有效改善了结构的力学性能。该研究可为熔盐储罐的设计优化与安全运行提供理论支撑。 展开更多
关键词 熔盐储罐 热力耦合 热变形 加强筋布置
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航空轮胎胎面橡胶滑动摩擦试验与顺序热力耦合仿真研究
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作者 胡月 李英杰 +4 位作者 孙文博 代振帮 谭德强 贺强 王晓建 《表面技术》 北大核心 2025年第13期85-95,共11页
目的针对航空轮胎在滑行过程中温度场实测难度高、误差大的现状,以某型号航空轮胎胎面橡胶材料为研究对象,探究航空轮胎胎面橡胶在不同滑动工况下的力学及热学变化规律。方法通过环-块接触模拟航空轮胎胎面与道面的滑动摩擦过程,使用红... 目的针对航空轮胎在滑行过程中温度场实测难度高、误差大的现状,以某型号航空轮胎胎面橡胶材料为研究对象,探究航空轮胎胎面橡胶在不同滑动工况下的力学及热学变化规律。方法通过环-块接触模拟航空轮胎胎面与道面的滑动摩擦过程,使用红外热成像仪实时记录橡胶温度场变化。依据摩擦试验台建立环-块仿真模型,使用顺序热力耦合有限元法进行求解,结合试验与仿真结果得到胎面橡胶在不同载荷和滑动速度下的力学与热学变化规律。结果静态接触和滑动工况下,随载荷从40 N增大到90 N,橡胶块-砂轮的接触面积和接触压强都增加,静载条件下,接触面积从51.097 mm^(2)增大到80.570 mm^(2),接触压强从0.783 MPa增加到1.117 MPa。与静载相比,滑动工况下接触面积和最大接触压强都明显减小。滑动工况下,胎面橡胶温度先急剧增加再趋于稳定,以80 N载荷、200 r/min转速工况为例,10 s前橡胶块温度由26.4℃迅速增加至76.3℃,10~60 s橡胶块温度缓慢上升至102.1℃。随着载荷和滑动速度的增加,橡胶温度增大,滑动速度对温度场影响更显著,在相同载荷下,400 r/min转速最高温度近似于200 r/min转速下的2倍。仿真和试验在2种滑动速度下最高温度的平均误差仅为0.606%和0.974%,试验和仿真结果有较高的一致性。结论载荷与滑动速度都会使橡胶温度场快速上升,但速度影响更大。基于环-块仿真模型采用顺序热力耦合法对航空轮胎胎面橡胶滑动摩擦试验的力学及温度场求解具有较高准确率。 展开更多
关键词 航空轮胎 胎面橡胶 滑动摩擦 顺序热力耦合 力学分析 温度场分析
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富有机质页岩高温作用后微观力学特征与热力耦合模拟研究 被引量:1
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作者 李冕 严张萍 唐鑫 《工程地质学报》 北大核心 2025年第2期491-502,共12页
非常规页岩油气勘探与开发呈现出“非常规、深层、难开采”等新特点,储层环境和岩体结构极为复杂。为明确储层勘探开发中的有利温度点及力学特征,本文选取牛蹄塘组富有机质页岩样品,针对常温(25℃)及高温作用(300℃、400℃、500℃)下的... 非常规页岩油气勘探与开发呈现出“非常规、深层、难开采”等新特点,储层环境和岩体结构极为复杂。为明确储层勘探开发中的有利温度点及力学特征,本文选取牛蹄塘组富有机质页岩样品,针对常温(25℃)及高温作用(300℃、400℃、500℃)下的页岩样品,结合纳米压痕、原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)等技术,开展了页岩油储层在高温作用下微观力学性质变化及其影响因素的系统研究。研究结果表明:脆性矿物(硬组分)的弹性模量和硬度显著大于黏土基质(软组分),硬组分的压痕表面深度较深,且在400℃高温作用下,压痕深度明显增加。随着温度的升高,在300℃至500℃的高温作用区间,页岩的整体力学性质呈“V”形变化趋势。在400℃高温作用后,页岩孔隙可见度增大,微裂隙显著增加,受力后出现剪切和张性开裂,弹性模量和硬度显著下降。各参数之间的相关性较好,拟合值接近“1”,表明温度引起的页岩微观结构变化是其力学性质变化的主要原因。该研究为非常规页岩油气的勘探开发提供了重要的微观力学依据,有助于深入理解高温作用对储层性能的影响。 展开更多
关键词 高温作用 微观结构 纳米压痕实验 原子力显微镜实验 热力耦合
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热力耦合下玻/碳纤维混杂复合材料层合板的拉伸强度及其损伤分析
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作者 马佳宾 孙双双 王强强 《材料科学与工程学报》 北大核心 2025年第4期661-669,696,共10页
本研究开发了用户定义(UMAT)子程序,采取顺序热力耦合的分析方法,利用ABAQUS软件分析了玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)层合板在受到机械载荷与热载荷共同作用下的强度和损伤,讨论了混杂方式、铺层顺序及温度对G/CFHC层合板强度及损伤的... 本研究开发了用户定义(UMAT)子程序,采取顺序热力耦合的分析方法,利用ABAQUS软件分析了玻/碳纤维混杂复合材料(G/CFHC)层合板在受到机械载荷与热载荷共同作用下的强度和损伤,讨论了混杂方式、铺层顺序及温度对G/CFHC层合板强度及损伤的影响。结果表明:相同温度环境下,(0_(C)/90_(G))_(2S)铺层下的层合板强度最高;玻/碳纤维混杂比为1∶3时,层合板的拉伸强度最高;随着温度的不断提高,各单层板的损伤范围不断扩大,各单层板损伤差距明显。层合板的失效损伤是由多种损伤共同作用导致的,在外界热载荷的作用下,纤维与基体之间存在热不匹配现象,基体的热膨胀系数远超于纤维,基体的受热变形大于纤维,而纤维会限制基体的变形,进而导致基体的损伤。 展开更多
关键词 玻/碳纤维混杂复合材料 热力耦合 拉伸强度 损伤
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PDC切削齿热力耦合特征研究及优选策略
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作者 李成 吴仲华 +3 位作者 袁玉宝 曹继飞 黄哲 孙健翔 《石油机械》 北大核心 2025年第12期43-49,共7页
深部坚硬地层钻进时,PDC钻头存在机械钻速低、磨损快、钻井成本高等问题。以准中火成岩为研究对象,建立PDC切削齿破岩应力-温度耦合仿真模型,分析异形齿破岩热力耦合特征;从全局出发,提出深部坚硬地层破岩异形齿优选策略,并从几何结构... 深部坚硬地层钻进时,PDC钻头存在机械钻速低、磨损快、钻井成本高等问题。以准中火成岩为研究对象,建立PDC切削齿破岩应力-温度耦合仿真模型,分析异形齿破岩热力耦合特征;从全局出发,提出深部坚硬地层破岩异形齿优选策略,并从几何结构、功能、适用性等方面对异形齿进行规范化定义。研究结果表明:仿真模型的应力和温度误差分别为3.6%和8.0%,满足精度需求;以使用最小的扭矩、保持最佳的钻头稳定状况、造成剧烈的岩石力学反映、达到最高的破岩效率、产生最低的温度这5项指标作为钻头优选的策略,推荐斧形齿和三棱齿为主攻击齿,锥形齿为刀翼后排齿。所得结果能够为异形齿设计、齿形优选、钻头优化、提速方案设计提供更加规范化的理论依据。 展开更多
关键词 PDC钻头 异形齿 齿形优选 热力耦合 火成岩 破岩效率 机械比功
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传统热力耦合计算方法与ABAQUS直接热力耦合对比研究
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作者 苏雨茹 王鑫 +2 位作者 李志辉 柳治辉 马强 《计算力学学报》 北大核心 2025年第2期249-257,共9页
准确预测航天器结构在强气动力/热环境下的结构热力耦合响应,对于航天器寿命末期陨落再入过程分析及再入轨迹预报等十分关键。结构热力耦合响应分析方面,不仅有学者们基于各种假设提出的有限元模拟方法,而且热力耦合计算模块已嵌入很多... 准确预测航天器结构在强气动力/热环境下的结构热力耦合响应,对于航天器寿命末期陨落再入过程分析及再入轨迹预报等十分关键。结构热力耦合响应分析方面,不仅有学者们基于各种假设提出的有限元模拟方法,而且热力耦合计算模块已嵌入很多大型商业软件,然而条件假设和控制方程的不明确,导致无法确定商软计算结果的准确性和其适用性。本文对动态热力耦合基本控制方程进行了梳理,对其热传导方程中的耦合项和采用的假设进行了详细分析。通过典型算例计算结果对比发现,当初始温度为0时,ABAQUS的直接耦合计算和以传统热传导有限元基本方程为基础的有限元算法的计算结果有较大差异。对ABAQUS的热力耦合计算的基本控制方程进行了推导和推测,并建立了相应的有限元算法,通过算例计算结果进行了验证。研究结果表明,对于直接耦合,传统热传导有限元基本方程的耦合项只考虑了初始温度项,而ABAQUS则只考虑了温升项,两者的耦合项都不完全。当初始温度高于温升时,以传统热传导有限元基本方程为基础的传统热力耦合有限元算法的计算结果更准确,而当温升高于初始温度时,采用考虑温升项的有限元计算,如ABAQUS软件的直接耦合计算则更为适用。 展开更多
关键词 热力耦合 顺序耦合 直接耦合 有限元算法
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