【摘 要】
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目前,随着工程领域应用中对轻量化和功能化要求的不断提高,高效、低成本的设计结构功能一体化的产品,在竞争日益激烈的全球市场显得至关重要。事实证明,有限元仿真技术作为验证产品结构设计的工具,可以模拟产品在复杂环境和多工况条件下的服役性能,通过静态和动态分析模拟不同环境下服役可靠性,从而实现复杂结构的优化设计,已成为工程领域中复杂结构产品设计及优化的重要分析方法,特别针对髋关节种植体和航空飞机发动机部件
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目前,随着工程领域应用中对轻量化和功能化要求的不断提高,高效、低成本的设计结构功能一体化的产品,在竞争日益激烈的全球市场显得至关重要。事实证明,有限元仿真技术作为验证产品结构设计的工具,可以模拟产品在复杂环境和多工况条件下的服役性能,通过静态和动态分析模拟不同环境下服役可靠性,从而实现复杂结构的优化设计,已成为工程领域中复杂结构产品设计及优化的重要分析方法,特别针对髋关节种植体和航空飞机发动机部件的高压涡轮叶片等复杂结构件。为实现结构设计合理性和满足产品服役可靠性的应用需求,论文针对产品在制造和服役过程中可能存在的结构合理性和突发失效等问题,采用有限元模拟分析优化的研究方法,研究了髋关节植入体和燃气涡轮叶片的应力分布状态,以及不同运动状态或应用环境下机械行为和服役可靠性。论文的主要工作和创新性成果如下:（1）通过Solid Works创建分析用三维模型,使用整个身体来分析髋关节上的合力和作用力,计算出不同活动的峰值负荷及合力方程;并设计了三维高压燃气轮机叶片用于分析其结构应力和热应力,将考虑整个燃气轮机来检查叶片根部区域中的应力奇异性和叶片中应力-应变状态。（2）采用有限元方法对髋关节假体进行结构分析,分析计算不同类型载荷条件下的应力、位移和应变关系。对新型材料组合进行分析研究发现,通过比较植入物的应力和应变分布,材料的最佳组合是带有CRF-PEEK外壳的氧化铝增韧氧化锆（ATZ）陶瓷髋臼杯,CFR-PEEK材料的刚度与天然骨接近,因此有望替代钛合金材料来满足临床使用要求。（3）采用有限元方法分析研究了具有冷却管和不同厚度的热障涂层的瞬态载荷下燃气轮机叶片的热力行为。模拟分析结果发现,与CMSX-4相比,钼基合金中产生的应力高,Mo-12Si-8.5B合金比多晶状态的镍超合金具有更好的抗蠕变性。因此,钼基合金Mo-12Si-8.5B作为新型涡轮叶片材料具有很大潜力,并确定了叶片上的陶瓷热障涂层（TBC）最佳厚度分布。通过选用不同结构和应用环境的复杂曲面构件,设计过程中利用有限元分析,代替实际应用研究或粗略计算模型等造成一系列产品制造和应用问题,从而精简设计工艺,缩短生产周期,降低生产成本,并为复杂结构件采用3D打印工艺制造构件提供了理论基础和技术支撑。
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