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2025年第47卷第4期
- 摘要：工作辊辊颈轴承段经常因轴承卡死等出现烧伤失效问题，现场通常采用增材制造的方式进行修复，对修复后的辊颈进行寿命预测是现场生产预估工作辊安全服役并进行检修的关键，但目前缺乏针对相关问题的研究。针对上述问题，对四辊轧机工作辊辊颈轴承段进行了应力分析和多轴寿命预测。基于西姆斯（SIMS）模型和影响函数法计算得到了轧制力和辊间应力，在轴承段取矩建立辊颈端力矩平衡方程，建立了辊颈轴承段弯曲应力模型。将变形抗力视为单位体积的塑性变形能，计算得到了变形区的轧制力矩，建立了辊颈轴承段扭转切应力模型。使用第一强度理论，联立弯曲应力和扭转切应力得到了等效应力。选用多轴疲劳模型，在证明模型计算精度的基础上，对辊颈轴承段进行了疲劳寿命预测，并与实际轧辊在生产线的服役寿命进行了对比。结果表明，该四辊轧机工作辊辊颈轴承段应力计算模型符合实际的辊颈应力状态，理论模型预测得到的服役寿命与实际服役寿命相比，误差小于20%，满足工程实际误差的要求。关键词：四辊轧机;工作辊辊颈轴承段;多轴疲劳;寿命预测10|3|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：针对车桥等零部件企业难以获取零部件耐久性试验规范的局限，提出一种前桥动力学模型驱动载荷构建方法，为前轴系统级台架试验与寿命验证奠定基础。基于整车动力学模型与实测道路载荷获取前轴寿命，以其过程及结果为参考，进行前桥模型驱动信号迭代。首先，对实测轮心六分力进行频带调整；其次，以前轴在各工况下的损伤/寿命与参考值差值最小为目标，结合响应面法与遗传算法对轮心三向力幅值调整系数进行优化，优化后的轮心三向力与其余三向力矩构成了前桥模型驱动信号。仿真结果表明，采用构建的轮心驱动信号进行前桥模型动态载荷模拟，获取的前轴寿命、风险点失效顺序以及各路况对危险点的损伤贡献比等都与参考结果具有较好的一致性，验证了提出方法的有效性，可为系统级台架耐久性试验的驱动信号构建与零部件寿命评估提供参考。最后，经过损伤主导载荷修正后，轴管损伤分布也与参考结果一致。关键词：前桥动力学模型;前轴寿命;响应面法;动态载荷模拟;台架试验8|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：针对光电探测器的储存寿命评估问题，综合考虑样品关键性能参数有无变坏或者向好的趋势情况，提出了一种基于蒙特卡洛法的多参数竞争失效储存寿命评估新方法。首先，通过性能退化建模选择单一参数的最优退化模型，从而对于退化趋势递增的样品根据失效阈值计算其伪寿命，对于退化趋势递减的样品将其伪寿命看作右删失数据；然后，根据伪寿命数据结合最大期望（Expectation Maximization, EM）算法选择单一性能参数的最优分布；最后，通过蒙特卡洛采样法进行多参数的竞争失效评估。以光电探测器储存案例为实例，验证了该方法的可行性。关键词：多参数性能退化;竞争失效;储存寿命;最大期望算法;蒙特卡洛采样8|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：针对外转子直驱永磁发电机在时变磁拉力载荷作用下外转子铁芯机械响应进行理论解析、仿真计算和试验验证。首先，解析了外转子发电机转子铁芯磁拉力的来源及其随载荷变化规律，确定了转子磁拉力表达式以及时间阶次和空间阶次特征。同时分析了外转子铁芯基本振动模型，确定了外转子铁芯基本振动方程。然后，建立了外转子直驱发电机的仿真计算模型，得到了单位面积磁拉力的时空阶次特征和典型日下随时间变化规律。将电磁场得到的单位面积磁拉力密度作为输入载荷导入结构场，进行磁-固（结构）耦合仿真，计算分析了外转子铁芯在参考时刻的变形和应力的分布及振动噪声响应的变化规律。最后，用一台13 kW外转子直驱发电机模拟实例印证了解析和仿真的准确性。研究结果确定了外转子铁芯所承受的时变载荷及其作用下的机械响应分布规律，发现了发电机运行时转子铁芯应该重点检测的时刻和部位，同时分析了时变载荷下的噪声特性，为发电机的维护和设计提供了一定的参考依据。关键词：外转子直驱永磁同步发电机;机械响应;磁拉力;时变载荷;电磁噪声5|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：风电机组齿轮箱长期处在随机风载等复杂环境下，其齿轮接触疲劳成为限制风电机组装备稳定性与可靠性的关键因素，进行齿轮接触损伤演化机制研究面临着应力状态复杂、损伤各向异性及失效建模困难等难点。材料构型力理论可以描述缺陷构型变化对材料自由能的影响，可用来预测材料的损伤和失效行为。基于构型力理论建立齿轮接触损伤模型，选取齿轮接触承载关键区域进行齿轮接触界面应力场仿真分析，模拟在接触载荷作用下齿轮接触损伤演化过程。结果表明，构型力理论损伤模型可以有效模拟齿轮接触损伤现象，解释齿面点蚀和剥落，对准确预测齿轮接触疲劳寿命具有指导意义。关键词：风电齿轮;齿轮接触;构型力;界面应力;损伤演化34|67|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：传统Paris公式预测裂纹扩展时忽略了裂纹扩展过程中各种不确定因素的影响，导致预测的裂纹扩展过程与真实的裂纹扩展过程相差较大。为提高疲劳裂纹扩展预测的精度，提出了一种基于改进粒子群优化粒子滤波（Improved Particle Swarm Optimization-Particle Filtering, IPSO-PF）算法的疲劳裂纹扩展预测方法。首先，在粒子滤波（Particle Filtering, PF）算法的框架上，利用粒子群优化（Particle Swarm Optimization, PSO）算法对基于观测信息更新后的部分粒子进行优化，保持大权值的粒子状态不变，将小权值的粒子趋向于高似然区域，设计了IPSO-PF算法；然后，将IPSO-PF算法与Paris公式结合，构建了基于Paris公式和IPSO-PF算法的疲劳裂纹扩展预测模型；最后，使用公开的2024-T351铝合金数据集对该模型的有效性进行了验证。结果表明，与传统PF算法相比，IPSO-PF算法能够提高粒子的多样性，使用IPSO-PF算法构建的裂纹扩展预测模型的预测误差为2.6%，优于基于PF算法的9.2%。关键词：疲劳裂纹;裂纹扩展预测;粒子滤波;粒子群优化;算法优化5|1|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：以含不同初始裂纹长度的某1.5 MW风力机塔筒为研究对象，对其分别施加竖向和横向地震载荷，每种地震载荷均包含4个地震烈度和3个实际地震震级。针对竖向和横向地震载荷对风力机塔筒裂尖应变场的影响进行研究与对比。结果表明，无论是在竖向还是在横向地震载荷下，随着地震烈度的增加，裂尖等效塑性应变面积均增加，但在横向地震载荷下，裂尖等效塑性应变面积增加更为快速。在Ⅵ和Ⅶ级地震烈度下，竖向地震载荷较横向地震载荷带来的影响更大；随着地震烈度的增加，在Ⅷ和Ⅸ级地震烈度下，横向地震载荷带来的影响急剧增加，远超过竖向地震载荷的影响。竖向实际地震载荷对裂尖等效塑性应变面积的影响与震级和地震加速度时程曲线有关，横向实际地震载荷对裂尖等效塑性应变面积的影响与地震加速度时程曲线有关。关键词：竖向地震载荷;横向地震载荷;地震烈度;实际地震;裂尖应变场;风力机塔筒5|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：为了研究含褶皱缺陷的碳纤维多向层合板的压缩损伤演化规律并准确预测损伤的萌生与扩展的力学行为，通过采用空间分解损伤变量法建立损伤本构，提出了一种通过减少材料参数个数以降低参数不确定性问题和简化空间变换计算流程的渐进损伤计算方法。首先，利用最大应力和Puck失效准则预测层内损伤的萌生，并结合混合模式损伤演化规律计算损伤变量。其次，基于损伤变量的物理意义在断裂面坐标系下进行空间分解，并代入损伤柔度矩阵推导出损伤本构。然后，为了预测层合板层间应力状态与损伤行为，建立了双线性牵引力-分离法则的内聚力模型。最后，编写了相应的Vumat子程序，并应用于Abaqus软件中完成了0.25 mm/min的准静态压缩加载的数值仿真分析。结果表明，采用此方法建立的有限元模型所预测出的应力-位移曲线和层合板的损伤分布与试验结果相吻合。利用所提计算方法计算真实应力简单直接，便于分析和确定含褶皱缺陷复合材料层合板的损伤位置与损伤演化情况。关键词：碳纤维增强复合材料;损伤本构;渐进损伤模型;内聚力模型;褶皱缺陷5|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：为了模拟腐蚀疲劳的裂纹扩展，提出了一种近场动力学腐蚀-疲劳断裂耦合模型，并将该模型应用于A7N01P-T4铝合金的裂纹扩展模拟分析。在该模型中，用氢和应力的交互作用体现腐蚀中阳极溶解和氢致开裂两种机制之间的协同作用，在量化材料因腐蚀产生断裂行为时，将腐蚀求解步骤和力学求解步骤进行耦合。由于氢使材料的塑性降低并发生脆性断裂，在研究中采用适合模拟各向同性脆性破坏的键型近场动力学理论，并使用准脆性材料的本构力函数来描述近场力与伸长率之间的关系，该函数包含线性和非线性力学行为。通过将仿真结果与A7N01P-T4铝合金在3.5%NaCl溶液中的试验结果进行比较，发现两者之间吻合较好，从而验证了该模型的可行性。关键词：近场动力学理论;本构方程;腐蚀疲劳;阳极溶解;裂纹扩展8|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：涂层广泛应用于各类重要零部件表面以提升其使用寿命，研究涂层的力学性能是评价该项技术优劣程度的一个关键因素。采用真空离子镀膜技术在铝基复合材料表面制备TiAlN/Ti和TiN/Ti叠层涂层，并通过扫描电镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、X射线衍射仪（X-Ray Diffraction, XRD）和纳米压痕测试仪对涂层的微观结构、物相组成和力学性能进行表征和分析。基于量纲分析理论推导出材料力学性能参数与纳米压痕加/卸载参量之间的量纲一函数关系，结合有限元模拟的方法，确定其具体表达式。通过建立叠层涂层的纳米压痕仿真模型，分析了残余压应力对叠层涂层拉伸性能的影响。结果表明，残余压应力可以提高叠层涂层的屈服强度。其中，TiN/Ti叠层涂层的残余压应力为-564 MPa，提高了31.25%的屈服强度；TiAlN/Ti叠层涂层的残余压应力为-871 MPa，提高了50%的屈服强度。此方法为定量分析涂层力学性能的影响因素提供了重要的理论和试验基础。关键词：纳米压痕;叠层涂层;残余压应力;有限元;反演分析6|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：压裂泵柱塞密封副长期在变载荷、往复摩擦及高压、酸性压裂液的环境下运行，是压裂泵液力端最容易失效的部件之一。为研究过盈量、介质压力等对V形密封圈密封性能的影响，采用自动收缩配合模拟V形密封圈的装配过程，基于流体压力渗透模拟V形密封圈的实际流体压力作业工况，建立了V形组合密封圈的有限元模型；分析了V形密封圈在准静态和动态密封下的最大Mises应力和接触压力的变化规律；提出了一种双级压差的柱塞密封结构，并对该结构进行了密封性能分析。结果表明，密封圈的最大接触压力都出现在靠近高压流体侧的V形密封圈处，最大应力主要在V形密封圈与支撑环和压环相接触的唇部和肩部；V形密封圈与柱塞接触一侧更容易发生失效；采用双级压差柱塞密封能够有效减小V形密封圈的Mises应力、剪切应力，以及与柱塞间的摩擦力，可延长压裂泵柱塞密封的工作寿命，提高压裂作业的可靠性和经济性。关键词：V形密封圈;过盈装配;流体压力渗透;结构设计;密封性能6|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：以聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene Terephthalate, PET）泡沫芯层和铝合金面板制成的三明治结构为研究对象。首先，在制备三明治结构过程中，使用4类芯层，分别为未处理PET泡沫芯层，以及进行减材工艺处理（单向开槽、双向开槽、打孔）的PET泡沫芯层；然后，通过滚筒剥离试验测试铝合金面板与PET泡沫芯层的抗剥离性能，通过纯剪切试验测试减材工艺处理对三明治结构剪切性能的影响；最后，分析结构的剥离及剪切失效模式、载荷-位移响应、剥离及剪切强度。结果表明，双向开槽、单向开槽、打孔工艺使得三明治结构面板与PET泡沫芯层的剥离强度相对未处理试样分别提升了48.31%、32.29%、16.67%；虽然双向开槽、单向开槽、打孔工艺对PET泡沫芯层有损伤，但3种芯层处理工艺反而使得三明治结构的剪切屈服强度相对未处理试样分别提升了3.12%、3.90%、2.92%。关键词：PET泡沫三明治;芯层减材处理;滚筒剥离;剥离性能;剪切试验;剪切性能6|0|0更新时间：2025-04-25
·疲劳·损伤·断裂·失效分析·
- 摘要：直齿轮啮合点的相对曲率是齿廓的关键几何参数之一，对齿轮应力分布和啮合刚度有着显著影响。从等相对曲率（Constant Relative Curvature, CRC）齿轮的相关研究出发，基于考虑齿轮时变啮合特性的相对曲率控制策略，构建了3种非渐开线直齿轮齿廓，并对其进行啮合仿真，分析了相对曲率控制对齿轮最大接触应力、最大弯曲应力及啮合刚度的影响，验证了控制策略的有效性，为基于相对曲率控制的直齿轮设计提供了一定的参考。关键词：相对曲率;直齿轮设计;啮合过程;应力分析6|1|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：鉴于风力机叶片内部结构与植物叶片存在一定的相似性，基于仿生学方法将植物叶片中轴形态应用于5 MW风力机叶片，提出一种新型仿生叶脉结构分布，并提出完整的复合材料叶片铺层方案。通过流固耦合方法对新型仿生叶脉叶片进行模态分析与静力学分析。结果表明，仿生叶片前6阶固有频率相较于传统铺层叶片均有所提高且不易发生共振，其抗扭转特性也有所提高；在50 m/s的极端风载荷作用下，仿生叶片叶尖位移量明显小于传统叶片，应变分布与切应力分布较传统叶片分布更加均匀，但切应力最大值有所增加。关键词：风力机叶片;复合材料;叶脉;仿生学;铺层设计6|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：目前对超声速民机机翼的研究主要侧重于低声爆设计技术和超声速减阻技术，针对机翼结构设计的研究相对较少。因此，提出了一种面向超声速民机初步设计阶段机翼结构设计的多级优化方法，包括机翼结构布局参数化建模、结构尺寸优化有限元模型的自动生成、深度神经网络代理模型的搭建与训练，以及基于深度神经网络代理模型进行优化求解。分析结果表明，提出的优化策略能够对超声速民机机翼结构进行良好的快速设计，深度神经网络模型相比于传统代理模型具有更高的预测精度，提高了机翼结构初步设计的效率。关键词：超声速民机;参数化;深度神经网络;代理模型;结构设计6|1|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：短路工况下的冲击电流是影响试验变压器结构可靠性的关键因素。因此，提出了基于概率密度演化理论的变压器结构可靠性分析模型。首先，介绍了概率密度演化理论的基本原理，给出了磁-电耦合下短路工况绕组电磁力场分析方法。以此为基础，利用Abaqus软件有限元分析方法构建了变压器结构力学数值分析模型。以某AGF型20 kV试验变压器为例，对上述模型进行了论证，选取绕组纵向Mises应力为模型控制变量，给出了结构的应力分布特征和概率密度演化特征，计算了可靠度指标，并进一步讨论了铁芯和绕组的力学极值响应和分布区域。结果表明，短路冲击电流作用下绕组应力显著提升，可达阈值的82%左右，是影响可靠性的控制因素，提高变压器阻抗对于提升可靠性有显著影响。关键词：试验变压器;结构可靠性;绕组;概率密度演化;短路6|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：为保证燃气透平机组安全稳定运行，掌握主机箱体通风系统的换热机制，开展了燃气透平机组主机箱体通风散热研究。基于场协同原理，对主机箱体内部流场、温度场和关键设备的散热性能进行分析，并提出加装导流装置的优化方案。结果表明，主机箱体内高温区域体积占比达到7.6%，主要集中在燃气轮机轴部件附近，该部件为主机箱体内主要热源，外表面平均温度高达86.94 ℃；加装50°导流装置后，主机箱体高温区域体积占比减至5.1%，燃气轮机轴外表面平均温度降至81.98 ℃，散热效果得到显著提升。关键词：燃气透平机组;通风散热;数值模拟;场协同原理;优化设计6|0|0更新时间：2025-04-25
- 摘要：为提高大型运载火箭加筋圆锥壳舱段结构轴压承载效率，开展了数据驱动的加筋圆锥壳多保真度近似建模轻量化设计。针对单保真度近似建模优化方法效率不高、精度不足等问题，搭建了基于变可信度期望改进（Variable-Fidelity Expected Improvement, VF-EI）加点准则的数据驱动多保真度近似建模优化框架，并据此开展加筋圆锥壳结构轻量化设计。综合利用不同网格规模的加筋圆锥壳有限元模型，建立了加筋圆锥壳极限承载的Co-Kriging多保真度近似模型；优化迭代中，利用VF-EI加点准则生成多保真度采样点，以此序列提升Co-Kriging多保真度近似模型的全局和局部近似精度。典型数值和工程算例验证了上述方法的有效性，相比径向基函数近似模型和Kriging模型，Co-Kriging多保真度近似建模优化方法的效率和精度更高，获得了相比初始设计减重11.5%的优化加筋圆锥壳结构，具有一定的工程应用价值。关键词：加筋圆锥壳;多保真度近似建模;序列近似优化方法;轻量化设计;VF-EI加点准则6|0|0更新时间：2025-04-25
·优化·可靠性·
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