科教融合驱动的机械工程类专业教学体系改革研究——以合肥工业大学为例

中国制造业快速发展并持续转型升级,机械工程学科教育在多学科交叉、新科技快速发展的背景下,对本科院校的人才培养和教学改革提出了新的挑战。机械工程是工程科学,机械工程的科研项目具有显著的前沿性、创新性、综合性和应用性等特点。通过以科教融合驱动的机械工程类本科教学体系改革,结合合肥工业大学机械工程学院的教学体系设置及人才培养目标,探索从课程体系、课堂教学、实践教学三个层面融入科研项目内容,从而建立“科研项目—课程—教师—学生”之间的桥梁,以期培养更适应行业发展的创新型、复合型高素质本科人才。

基于颜色直方图的电路板表面缺陷检测

为了提高废旧电路板的回收再利用率,针对回收电路板常见表面缺陷,在均匀分块基础上,提出了四叉树分裂颜色直方图缺陷检测方法。该方法能快速定位电路板表面缺陷,并通过支持向量机(SVM)实现缺陷分类,进而为电路板的二次利用提供质量保障。重点分析了分块大小与判断阈值对缺陷定位结果的影响,在保证检测精度的同时,检测速度相比均匀分块方法得到明显提升。与Faster-RCNN网络方法进行对比,结果表明该方法定位效果好,分类准确率平均达81%。

基于熔池热历史的陶瓷增强金属基复材激光定向能量沉积质量实时监测方法

针对激光定向能量沉积(L-DED)制备陶瓷增强金属基复合材料(CRMMC)过程中成形质量不稳定的问题,提出一种基于熔池热历史的CRMMC质量监测方法。为实现在CPU硬件上的实时监测,构建了单路结构的轻量级全深度可分离卷积神经网络模型(FD-Net)。输入9个不同激光能量制备不同状态的CRMMC成形质量,使用红外热像仪同步采集熔池红外图像作为数据集训练和测试FD-Net,并与当前先进的轻量级卷积神经网络(CNN)模型进行性能对比。结果表明:FD-Net在Inter-CPU上以7.90ms/帧的推理时间实现了高精度监测,显著低于其他CNN模型,证明所提方法可在工业微型计算机上实现CRMMC质量状态的实时监测。

压合衬套二次冷挤压强化数值仿真与实验研究

采用压合衬套二次冷挤压工艺对7050铝合金耳片孔进行挤压强化;通过X射线衍射仪、三坐标测量机和粗糙度仪,研究二次冷挤压对耳片孔内表面的残余应力、塑性变形以及粗糙度的影响,并通过有限元仿真进行验证。实验结果表明:相较于一次冷挤压,压合衬套二次冷挤压可有效改善试样两端残余应力的不均匀性。随着二次冷挤压相对挤压量增大,残余压应力峰值和应力层深度都进一步增大,塑性变形程度也更大,同时降低了孔壁表面粗糙度。在相对挤压量为2.5%时,最大残余压应力可达-400.3 MPa,并形成了约14 mm的残余压应力层;试样端面A与端面B内径分别增大了0.56 mm和0.54 mm;孔壁表面粗糙度降低幅度达到71.0%。相较于一次冷挤压,二次冷挤压强化后孔壁沿径向形成了更深的残余压应力层和塑性变形层,显著提高了耳片孔的整体服役性能。

基于涂层材料分布状态的超声应力反演模型构建

随着金属增材制造工艺的工业化应用,涂层成形过程中残余应力及其超声无损检测技术日益受到重视,但涂层结构中材料复杂分布状态使其局部声弹性特征不确定,导致出现一定的误差。针对这一问题,通过分析涂层结构材料区域分布,提出其应力反演方法。首先,基于声弹性理论,分析不同材料及应力分布下超声传播及信号演化过程。其次,结合等离子喷焊增材工艺中涂层结构不同区域的成形过程,分析涂层结构的材料分布状态,重点讨论结合区域的材料分布规律及其声弹性特征表达,构建涂层结构的应力反演模型。最后,采用等离子喷焊增材工艺,设计并制备基体材料(C45E4)和涂层材料(Cu)的涂层结构试件,开展拉/压应力下的超声检测试验,通过实测值与模型值的比较分析,验证了所提出的涂层结构应力反演模型的有效性,并分析了模型在涂层结构应力检测中的可行性,可将其作为等离子喷焊增材工艺中涂层成形质量评估及状态监测的方法支撑。

激光表面织构对过盈配合界面微动损伤的影响

采用自主研制的过盈配合微动试验装置,研究了激光表面织构对过盈配合界面在服役过程中微动损伤特性的影响.以列车转向架为研究对象,采用激光打标机对空心轴外表面进行织构化处理,通过WPA-20型试验机对织构化试样进行微动损伤试验,研究了不同载荷频次下过盈配合界面微动损伤的演变特性.试验结果表明:激光表面织构增强了空心轴外表面的表面强度,显著减小了空心轴外表面服役过程中的微动损伤.分别从微观结构、残余应力和电子功函数三方面对试验结果进行分析,经过织构化处理后,试样表层材料的细晶强化和位错强化有效地提高了轴过盈配合表面强度;试样表面的残余压应力延缓了轴过盈配合表面微动损伤的扩展;同时,试样表面的电子功函数增加了4.4%,提高了表面材料的抗剥离性.

面向再制造的510L钢疲劳裂纹扩展磁记忆检测

为探索磁记忆信号在铁磁性材料裂纹扩展过程中的变化规律,以510L钢为研究对象,采集裂纹扩展过程不同区域的磁记忆信号,计算裂纹尖端的应力强度因子,分析疲劳断口形貌,探讨金属磁记忆方法对铁磁材料疲劳损伤与裂纹扩展检测的可行性,并建立裂纹尖端磁记忆信号梯度Kmax值和应力强度因子KI之间的关系。结果表明:M(T)试样宏观切口处的磁记忆信号特征量比裂纹尖端应力集中处的磁记忆信号特征量明显;梯度Kmax值和应力强度因子KI在疲劳循环累积下均呈指数形式增加,从断裂力学角度说明Kmax反映疲劳累积损伤的可行性;磁记忆信号特征量ΔHp(y)及Kmax可以反映经过不同服役期的510L钢损伤情况,为再制造修复和加工提供依据。

绿色设计中的材料选择多目标决策

成本与环境影响是绿色设计中材料选择的重要决策因素,为此提出了一种材料选择的定量化多目标决策分析方法,分析了绿色设计中材料选择问题的决策目标与约束条件,建立了以生命周期成本与生命周期环境影响为目标变量,以定量的物理性能属性、回收性能及定性属性为约束条件的多目标决策模型。从材料的直接成本、加工制造成本及回收成本三方面定量化构建材料的生命周期成本,采用生态指数方法定量化分析材料及其过程的生命周期环境影响。为了求解决策模型,给出了材料预选择的可行解集搜索算法PSSA,并进一步采用TOPSIS方法对可行解集求解最优解。最后分析了一个台灯设计中的材料选择实例,结果表明所提出的多目标决策模型对绿色设计中的材料选择有重要指导作用。

面向回收的产品模块化设计方法

随着人们环境意识的提高,产品的回收利用性能成为模块化设计的一个重要目标。从寿命分析、材料相容性、回收经济性、环境影响、结构与物理交互5个方面,建立了面向回收的产品模块化设计准则;描述了面向回收的产品模块化构建问题,并针对零件的模糊关系矩阵采用模糊聚类算法进行模块划分;最后以空调器室外机组为实例进行了验证与分析。

材料环境效能因子在绿色设计中的应用

材料选择是绿色设计中的重要内容,材料的生命周期环境影响是重要决策目标之一,基于材料的效能因子提出环境效能因子的概念,并结合空调器底板设计进行实例分析。采用生态指数方法定量化分析材料及其过程的生命周期环境影响,建立材料选择的环境效能因子分析模型。以空调器室外机组的底板设计为例说明环境效能因子分析方法的应用,分别给出刚性约束与强度约束条件下的材料最小环境影响,结果分析表明提出的方法对绿色设计中的材料选择有重要指导作用。

基于GMR效应的金属磁记忆检测方法与应用

针对铁磁性构件疲劳暗伤部位产生的磁记忆信号特征,采用基于GMR效应的金属磁记忆检测方法,开发出一套基于GMR效应传感器的磁记忆检测系统。以TI公司TMS320LF2407A芯片为处理器核心;信号放大采用差分放大器,提高系统抗干扰能力;采用16位A/D转换芯片提高数据采集精度;采用自适应滤波运算去除信号中的混杂噪音。最后对5个不同应变阶段510 L车桥板材的拉伸试样磁记忆检测信号进行分析,结果表明:基于GMR效应的磁传感器能够灵敏、精确地检测出铁磁性试样的磁记忆信号Hp(y),灵敏度达到6.9 mV/(A·m-1);铁磁性材料试样在进行拉伸试验时,随着拉伸试样载荷的增加,磁记忆信号在过零点处的梯度值也随之增大。

基于金属磁记忆技术的车桥桥壳损伤检测

为探索金属磁记忆现象的物理本质,深入研究车桥桥壳损伤的磁记忆无损检测方法,首先对标准试件进行测试,然后对某系列新桥壳进行疲劳试验,得出桥壳危险区域不同位置、不同加载次数下磁记忆信号法向分量及其梯度值K的变化,并用X射线检测残余应力与磁记忆检测结果进行对比;再以疲劳试验为基础,针对退役驱动桥壳进行变形量测定及对其危险区域进行磁记忆检测,确定桥壳变形量与磁记忆信号间的关系。研究表明:施加载荷前桥壳表面的初始磁状态不同,施加载荷后磁记忆信号呈现规律性的变化;随着循环次数的增加,梯度K值峰值增大;利用磁记忆检测与X射线复合检测的方法能较好的判断出构件缺陷;桥壳的变形量和磁记忆信号梯度K值以及加载的循环次数之间有良好的对应关系,可以为驱动桥壳再制造检测提供依据。

面向产品设计的全生命周期能量分析方法

在分析机械产品能量消耗特性的基础上,从产品设计角度出发,建立了能量消耗的抽象过程模型,并导出全生命周期能量模型。运用键合图等理论,分析产品生命周期各阶段的能量因素与能量消耗之间的关系,给出各阶段能量的量化公式。并将模型进行扩展运用于方案优选。结合机床传动机构设计实例对提出的模型和方法进行了验证。

水泥石力学变形能力的影响因素实验分析

针对从实验角度计算水泥石在一定井下条件的变形能力研究相对较少的问题,结合弹性耦合力学模型,利用实验结果计算并分析了在一定工况下,水泥浆配方、实验温度、围压、养护时间、水泥环厚度5个方面对水泥石变形能力的影响。结果表明,加入弹韧性材料能够降低水泥环的弹性模量,且加入胶乳后的水泥环力学变形能力较纤维水泥环明显要好;随着养护温度的升高,水泥石的弹性模量减小,从而增加了水泥环的总变形能力;随着围压的增大,水泥环变形能力有减弱趋势;随着水泥环在井下的时间增长,在一定程度上提高了水泥环的力学变形能力;虽然水泥环厚度对水泥石自身性能无影响,但水泥环厚度从38.1 mm减小到19.1 mm,水泥环在井下条件的变形可增大85.5%。

零件表面损伤对再制造修复件承载能力影响的超声相控阵检测研究

零件使用过程中出现的表面损伤会影响其再制造修复时的界面结合质量,从而降低承载能力。为得到零件表面损伤大小对修复件承载能力的影响,对表面预制不同宽度损伤的基体材料进行等离子喷焊再制造修复,采用超声相控阵对施加三点弯曲载荷的修复件进行检测。根据检测结果,提取A扫波形图中二次底波声程,得到不同载荷下二次底波声程变化曲线,根据曲线转折点得出修复件界面裂纹萌生时的载荷F_A;通过定量化处理C扫俯视图中缺陷并计算其面积占比,得到不同载荷下缺陷面积占比的变化曲线,根据曲线转折点得出界面初始缺陷演化时的载荷F_C。结果表明,F_A和F_C都能够反映修复件承载能力与基体表面损伤的线性关系;在误差小于5%的前提下,表面损伤宽度每增加1 mm,修复件承载能力约下降0.1 kN;并且相较于F_A,F_C的大小降低了11.12%,从而能够建立表面损伤对修复件承载能力的影响规律,为评定表面损伤零件的再制造质量提供了及时有效的途径。

环境价值链分析方法及应用研究

为了在产品系统中体现环境意识,提出了减小产品环境影响的环境价值链分析方法。依据Eco-Indi-cator’99方法,基于生命周期作业单元进行环境影响的定量化分析,建立了环境价值定量化分析模型,采用环境价值来规范度量环境影响。分析了环境价值链的概念与内涵,指出产品系统环境价值最大化的环境价值链分析目标。最后,通过空调压缩机的供应商选择实例说明了环境价值链分析的应用。

产品环境价值分析方法与应用

为了设计出环境友好的产品,将生命周期评价方法集成到设计过程,提出环境价值分析方法,分析了其基本概念、目标与设计应用·通过功能结构映射将产品实体抽象化,将产品结构系统转化为功能系统;对功能系统进行基于功能的生命周期过程环境影响评价;进行环境价值评估与计算;通过功能分析与改进将功能系统再实物化为新的结构实体·最后用台灯设计实例说明了环境价值分析的应用·

等离子喷焊熔覆层的磁记忆应力评价

运用金属磁记忆检测技术对等离子喷焊熔覆层进行应力评价。对标准等离子喷焊熔覆层试样进行静载拉伸试验,检测不同拉伸应力下熔覆层表面的磁记忆信号法向分量H_p(y)和切向分量H_p(x),分析H_p(y)梯度值K及H_p(x)均值H_p(x)_(avg)随拉伸应力的变化。结果表明:在弹性阶段,H_p(y)曲线随着拉伸应力的增大逆时针旋转,K值随着拉伸应力的增大呈指数增加;同时H_p(x)_(avg)随着拉伸应力的增大而线性增加。在塑性阶段,H_p(y)曲线随着拉伸应力的继续增大而顺时针旋转且K值减小;同时H_p(x)_(avg)随着拉伸应力的增大而线性减小。基于等离子喷焊熔覆层微观组织和磁机械效应探讨了熔覆层应力的磁记忆评价机理。

阀口开度对二通插装阀压力流量特性的影响

对二通插装阀进出口压力流量特性曲线的理论计算值和实际值进行了研究,结果表明两者之间的误差随开口度的增大而变大;在三维绘图软件所建立阀体内部流道实体模型的基础上,利用Fluent对二通插装阀内部流道进行流场分析,结果显示节流口处压力损失对阀进出口压力流量特性具有重要影响。结合阀口两端压力—流量理论计算公式推导原理和fluent仿真结果,对阀内部结构进行改进,有效降低了进出口两端实际压力流量特性曲线和理论公式计算压力流量特性曲线之间的误差。

激光雕刻机二维步进电机运动控制系统研究

基于步进电机的运动控制系统有着广泛的应用。文章在成功设计激光雕刻机运动控制系统的经验基础上,综合考虑控制系统的成本与性能,提出了两种基于步进电机与PC机的二维运动控制系统设计方案,并分析了设计中的几个关键问题。提出的两种控制方案均成功应用于激光雕刻机,在提高雕刻加工效率的同时,明显改善了系统稳定性。