基于CEL法熔滴冲击基板的TPF/FSI数值模拟

航空发动机和燃气轮机的高温工作环境会对其热端金属部件造成不可逆损伤,热障涂层(thermal barrier coatings,TBCs)能够承受高温和高压的侵蚀性环境,从而保证金属部件使用的安全性及可靠性。以空心Y_(2)O_(3)-ZrO_(2)(yttrium-stabilized zirconia,YSZ)粒子在等离子焰流中的2种形态,即全熔熔滴和空心熔滴为研究对象对其冲击铺展过程进行了模拟。基于ABAQUS/EXPLICIT耦合欧拉-拉格朗日(coupled Eulerian-Lagrangian,CEL)有限元方法,首先针对ABAQUS缺少相变模型,导致使用CEL方法计算熔滴铺展形貌失真的问题,给出了适用的动力黏度随温度变化的经验公式。此外,考虑周围空气对熔滴铺展过程的影响,提出了“两相流(two phase flow,TPF)/流-固耦合(fluid-structure-interaction,FSI)”2.5D模型,对熔滴冲击基板凝固成型及空气卷入的过程进行了模拟,并揭示了2种熔滴铺展形貌存在较大差异的机理,对制备隔热性能更优的热障涂层具有指导意义。

航空薄壁零件切削加工技术研究进展

航空薄壁零件的加工精度和效率直接影响飞机的性能和可靠性。本文系统综述了航空薄壁零件切削加工技术,包括夹具技术、加工变形预测与控制方法、颤振预测与控制技术,以及数字孪生技术应用等多个方面。夹具技术详细研究了各种夹具的操作模式、结构特点、功能与应用等方面。变形预测与控制分析了薄壁件加工变形原因,并介绍了相关的控制技术和方法。颤振预测与控制探讨了切削过程稳定性分析技术和颤振控制技术,包括在线监测与识别、主动与被动控制技术和方法。数字孪生技术的应用部分介绍了该技术在薄壁件加工中的实际应用情况。通过对航空薄壁零件加工技术的系统综述,全面深入地介绍了相关内容,可为学者们的研究提供参考与指导。

基于机器人的自动化检测技术在航空制造中的应用进展

随着航空工业的发展,各类航空器的性能日益提升,对质量检测的要求也不断提高。相较于传统人工方法,基于机器人的自动化检测技术具有更高的操作精度和效率,在航空制造与检修过程中已经得到广泛应用。本文重点关注了近10年基于机器人的自动化检测技术在零件加工、成品质量检测及飞机整机维护检修等各个环节中的应用情况。对比了六轴工业机器人、移动机器人和无人机等不同种类机器人与超声、光学和其他类型检测技术的应用效果。最终总结得出,基于机器人的自动化检测技术的研究对提高航空制造与检修过程中的质量控制具有重要的实际意义,但仍面临小型化、智能化、实用化的挑战。

高能束表面改性技术在航空领域的应用

高能束表面改性适用于各种金属和合金,能够显著提升材料表面硬度、耐磨、耐蚀等性能指标,是航空部件实现性能提升的有效手段之一。本文总结了6种高能束表面改性技术的基本原理、设备构成和改性应用,其中激光相变硬化通过马氏体相变强化金属材料表面;激光熔覆通过选择不同粉末实现表面修复和表面性能提升,重点在于控制裂纹缺陷;激光冲击强化可有效解决航空发动机部件高周疲劳断裂问题;强流脉冲电子束和强流脉冲离子束一方面需要提高设备的性能和运行稳定性,另一方面要针对航空部件应用开展深入研究;而离子束辅助沉积则可以通过制备固体润滑涂层实现对微动磨损的有效防护。最后,提出对高能束表面改性机理深入研究、发展专业化智能化装备和实现多种束源复合与集成的发展方向。

不同成形方式对WE43镁合金组织和力学性能的影响

采用激光选区熔化成形(SLM)、铸造及挤压方式制备了WE43镁合金试样,通过维氏硬度计、密度测试计、光学显微镜、扫描电镜以及拉伸试验机等设备分析了不同制备方式下WE43镁合金的宏微观组织和力学性能变化规律;设计了基于指数函数的模型对不同成形方式的WE43应力–应变曲线进行统一拟合,为WE43材料未来增材、减材以及等材工艺复合制造复杂零件打下基础。结果表明,SLM成形WE43有明显的各向异性,铸态和挤压态不明显。SLM成形WE43镁合金的强度最高,抗拉强度达到313 MPa,是铸态的183%;挤压态WE43镁合金塑性最好,伸长率达到10.2%,是铸态的232%;此外,SLM态镁合金密度只有1.731 g/cm^(3),仅为挤压态的85.7%和铸态的95.2%。在断裂特性上,SLM态和挤压态为韧性断裂,而铸造态为脆性断裂。在内部存在20μm左右孔洞形缺陷的情况下,SLM成形镁合金依然具有最高的强度,主要原因是SLM成形WE43镁合金平均晶粒尺寸仅为2.6μm,基体内存在大量的稀土相沉淀以及纳米级亚稳相。由此可知,通过进一步的后处理方法焊合SLM态镁合金内部孔洞形缺陷后,材料力学性能可以大幅提高。

前混合水射流喷丸单丸粒冲击特性研究

单丸粒冲击特性是研究混合射流表面喷丸强度和覆盖率的基础指标,丸粒特性与靶材特性均会对冲击后的弹坑形态产生影响。以不同热处理后的18CrNiMo7-6低碳合金钢为靶材,研究了不同丸粒冲击条件下的弹坑特性。从弹坑形成机理出发,建立了单丸粒冲击弹坑尺寸模型,并通过试验研究,修正了高硬度靶材弹坑的误差,使弹坑深度预测误差降低到30%以下。在此基础上,研究了弹坑相关特征参数(深径比、坑深坑直径占比、脊高)的规律。结果表明,丸粒硬度和靶材硬度对深径比以及坑深直径占比影响最为显著,而弹坑周边的脊状结构只存在于低硬度靶材中。各参数对脊高的影响由大到小分别为丸粒直径、丸粒硬度和丸粒速度。

不锈钢激光选区熔化单道成形表面介观模拟与实验验证

目的为了获得不锈钢激光选区熔化单道成形质量好的加工参数,提高成形质量。方法对于316L不锈钢材料的激光选区熔化(SLM)成形,采用离散元方法(DEM)构建颗粒随机分布的三维介观模型,采用流体体积法(VOF)动态追踪SLM成形过程熔池传热、流动和凝固等行为,该模拟考虑相变潜热、热物性参数随温度非线性变化、Marangoni效应,研究了温度梯度引起的表面张力和蒸汽反冲力等现象对熔池液态金属流动和凝固的影响,并对不同激光参数和扫描速度对熔池温度场和内部流动的影响规律进行了分析。结果当激光功率为150 W、扫描速度为400 mm/s时,激光能使不锈钢粉末充分熔化,凝固后的轨迹形貌连续光滑。通过提高激光扫描速度和降低激光功率使得热输入减小,熔道表面成形出现球化等缺陷。结论通过单道成形实验观察和分析熔池与熔道的三维尺寸与形貌,有效验证了数值模拟的正确性,较好地预测出SLM过程中的缺陷种类,为深入理解SLM过程中的复杂物理现象和优化工艺参数提供了参考。

脉冲激光熔覆Inconel 718涂层热行为数值模拟及其对显微组织的影响

目的揭示脉冲激光作用下Inconel 718合金涂层凝固传热行为的演化机制,改善涂层中Nb、Mo元素偏析现象,提升Inconel 718合金熔覆涂层的力学性能,为优化Inconel 718熔覆涂层质量提供理论依据。方法综合考虑物性参数随温度、脉冲激光热源、粉末传输形式,以及凝固过程中相变潜热对涂层凝固热行为的影响,构建脉冲激光熔覆传热模型。基于数值模拟技术和激光熔覆试验,利用VHX-2000电子显微镜对涂层显微组织形态进行分析验证,采用日立SU8010场发式扫描电镜观察分析显微组织和元素偏析情况,并使用显微硬度计测试涂层的硬度值。结果由数值模拟分析结果可知,脉冲激光涂层的冷却速度、温度梯度、凝固速度均大于连续激光涂层,其枝晶生长细密且No、Mo元素呈弥散分布,显微组织自底向顶以平面晶、胞状枝晶、柱状枝晶、等轴枝晶等形式存在,Laves相的体积分数降低至2.93%,在细晶强化和固溶强化作用下,熔覆涂层的平均显微硬度提升至307HV0.1。结论脉冲激光涂层热行为数值模拟分析结果符合Inconel 718涂层组织形态快速凝固变化的规律,数值模型可靠。脉冲激光形成的高冷却速度和高温度梯度,能在一定程度上抑制Inconel 718合金涂层中Nb、Mo元素的偏析,离散并细化γ枝晶组织,降低Laves相的体积分数,显微组织在细晶强化和固溶强化双重作用下,提升涂层的力学性能。

气流与激光联合作用铝合金板热响应研究

为了获得激光加工等应用中气流环境激光辐照材料的热响应特性和熔穿规律,采用面热源近似和不定常热传导分析方法构建了包括热传导、对流换热、熔化烧蚀等主要机制的物理模型,并通过实验校核后进行了气流环境激光辐照铝合金热学响应定量评估,获得气流环境不同激光功率密度下铝合金靶板温升和烧蚀熔穿规律。结果表明,相同靶参数下,熔穿时间随着激光功率密度增加而急剧减小,并且熔穿时间变化规律与热平衡积分方法气化烧蚀模型结果一致;不同条件下熔穿时间显示,在激光功率密度较小(500 W/cm^(2)附近)时,气流引起对流换热因素对激光烧蚀熔穿影响较大,而在激光功率密度较高(1500 W/cm^(2)以上)时,气流引起对流换热因素对激光烧蚀熔穿影响较小。建立的气流条件下激光辐照热响应模型与实际物理过程更接近,计算获得的熔穿规律为激光辐照模型合理简化提供了定量的参考依据。

基于双混联机器人协同运动控制的薄壁件镜像铣削研究

为提高薄壁件镜像铣削过程中的加工质量,本文提出一种针对双混联机器人镜像铣削的协同运动控制策略。首先,结合机器人运动控制特点,研发出一种双CPU主从控制架构的开放式数控系统,以实现人机交互和运动控制;然后,为实现双机协同运动并提高薄壁件加工质量,在数控系统中集成了4大关键技术,分别是双机器人的镜像路径生成、同步速度规划、协同运动学和运动误差实时补偿;最后,基于自主开发的集成式镜像铣削数控系统,开展了单点和多点支撑、双机协同与非协同加工的平面薄壁件槽铣削试验,多点支撑的平面铣削试验,大曲率路径高速协同运动试验与曲面薄壁件槽铣削加工试验。试验结果表明,提出的协同运动控制策略能够保证双机器人具有较高的同步位置精度。此外,多点支撑方式在保证薄壁件铣削壁厚的同时,还可提高工件铣削的颤振稳定性。

TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具干切削TC4钛合金切削性能

钛合金因其化学活性和切削高温引起刀具磨损严重。刀具表面施加涂层是有效地延长刀具服役时间的方法。借助PVD阴极电弧蒸发技术,使用TiAlSi靶和CrAlSi靶交替叠加制成TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层刀具,并使用这种刀具分别切削常规钛合金和3D打印钛合金。所制成的TiAlSiN/CrAlSiN纳米多层涂层表现了较高的硬度;切削钛合金时,刀具的磨损形式表现为涂层剥离,前刀面月牙洼,后刀面均匀磨损和刀尖崩刃。引起刀具磨损的主因是粘结,其次是高温氧化。三个切削用量中,切削速度对切削力和切削温度的影响要远大于切削深度和进给量对二者的影响。与常规TC4相比,3D打印TC4因伸长率和硬度下降,弹性模量提高促使切削温度和切削力均低于常规TC4,刀具寿命相应的延长。

TC4钛合金侧铣加工表面形貌分析及工艺参数优化

TC4钛合金是1种典型的不易加工材料,其切削加工表面质量很难控制。为实现面向侧铣加工表面形貌的切削工艺参数优选,开展了TC4钛合金侧铣加工实验研究。首先,探究了加工表面微观缺陷特征及其形成机制;然后,采用粗糙度参数R_(a)和S_(a)对铣削表面形貌进行定量表征,并分析了切削速度、进给量和切削深度对表面粗糙度参数的影响;最后,基于遗传算法(GeneticAlgorithm,GA)对铣削工艺参数进行了优化。研究发现,加工表面微观缺陷主要有进给刀痕等固有缺陷和黏附颗粒等随机缺陷。铣削表面粗糙度随主轴转速的增大先减小后增大;随径向切深的增大先增大后减小;随进给量先增大后减小。在主轴转速n=1093r/min、径向切深a_(e)=0.2mm、每转进给量f=0.06mm/r的条件下可以获得较小的表面粗糙度。

用于三维机织物预成形变形预测的各向异性超弹性本构模型

随着三维机织物逐渐广泛应用在航空发动机叶片、机匣等复杂曲面结构的制造方面,预测三维碳纤维机织物在曲面结构制造的预成形过程中的复杂变形行为对提升纤维结构的成形质量具有重要意义。基于连续介质力学理论,本文提出一种各向异性超弹性本构模型描述三维机织物在成形过程中由于大变形所引起的各向异性力学变形行为。通过三维机织物的变形试验,建立了应变能密度函数,获取了三维机织物材料参数,并通过偏轴拉伸、半球冲压预成形有限元仿真与试验对比,验证了本文提出的超弹性本构模型的有效性。超弹性本构模型的提出可对三维机织物成形的有限元仿真模型与成形工艺优化设计起指导作用。

激光熔凝处理对P20钢组织及性能的影响

目的提高P20模具钢的表面硬度和耐磨性能。方法采用激光熔凝技术对P20模具钢表面进行强化处理。通过硬度梯度检测和摩擦磨损测试,分别评价熔凝层的硬度分布特征和耐磨性能,并通过光学显微镜和扫描电子显微镜对熔凝层及磨痕形貌进行分析。结果使用激光输出功率为500W、光斑直径为2.5mm、聚焦透镜距离为40 mm、扫描速度为6 mm/s、搭接率为45%、氮气保护的激光熔凝工艺所得熔凝层的组织细小,无脱碳、畸变、裂纹等缺陷,熔凝处理质量高。熔凝过程中单道激光熔凝层呈半椭圆形分布,最大深度为610~620μm。熔凝处理后表面硬度提升显著,熔凝层的硬度分布与熔凝层的区域位置有关,具有较高硬度且硬度保持基本稳定的熔凝层深度约为400μm;单道激光熔凝层最高硬度可达460~480HV,重叠影响区即双熔凝区的最高硬度在540~560HV之间,即熔凝层硬度普遍较基体硬度提高了60%以上。此外,P20模具钢经过激光熔凝处理后耐磨性能提升明显,其平均摩擦因数约为0.85,熔凝处理的磨损失重较未处理的试样减少了约61%,其磨损机制主要表现为磨粒磨损和少量的黏着磨损或剥落脱离。结论激光熔凝处理能够显著提高P20模具钢的表面硬度和耐磨性能,试验采用的激光熔凝工艺可在P20钢表面获得硬度较高且稳定可靠的熔凝层深度在400μm左右,能将P20模具钢的表面硬度及耐磨性提高60%以上。

结构-功能一体化异种复合材料壁板优化与验证

基于航空壁板结构承载-电气功能的一体化需求,对适用于智能蒙皮的异种复合材料壁板开展了优化设计与试验验证。通过在高模量碳纤维蒙皮的外侧增加玻璃纤维层,进行了以碳纤维-玻璃纤维-金属结构单元阵列-玻璃纤维复合顺序的壁板承载-电气功能一体化设计。针对异种复合材料结构的铺层优化需要考虑共胶接的分区域及铺层连续性的工艺要求,发展了基于丢层序列的优化方法,并对于加筋壁板的几何外形、筋条数量、筋条几何参数以及筋条与蒙皮的铺层角度进行了优化设计。通过压缩稳定性试验验证了该结构在承载能力和稳定性方面的收益,明晰了其压缩载荷下的屈曲模态及后屈曲失效机理。

激光-超声辅助磨削氮化铝表面改性机理

目的利用激光-超声辅助磨削技术(LUAG),研究氮化铝表面创成改性机理。方法通过分子动力学,从磨削力、原子相变和亚表面损伤深度方面,分析氮化铝表面材料去除的微观特性演变过程,对激光-超声双物理源条件下的单粒辅助磨削进行分子动力学(MD)模拟,对氮化铝分别进行传统磨削、激光辅助磨削、超声辅助磨削、激光-超声辅助磨削分子动力学分析,探讨不同工况下AlN的去除行为及损伤演化机制。结合LUAG过程中生成的氧化铝增强相,探明氮化铝表面力学性能提升原因。结果与传统磨削(TG)相比,LUAG过程的磨削力降低了50%,表面粗糙度Ra降低28.4%。AlN的表面硬度可达1298.6HV,相较于TG提高了25%。AlN表面摩擦磨损因数和亚表面损伤深度分别降低了50%和33%。结论LUAG生成的少量氧化铝被用作扩散强化的增强相,氧化铝相的生成实现了材料的弥散强化,填补了氮化铝原子间的空位以实现基体的材料硬化并提高耐磨性。该研究成果加深了人们对激光、超声波和磨粒加工耦合作用下材料去除和损伤的理解,同时促进和实现了氮化铝基底表面的高性能制造。

复合材料热压罐成型模具结构参数对温度场的影响

固化过程中热压罐内温度场分布的均匀性对于复合材料的结构性能、强度等方面具有重要影响。本文以目前航天制造业中广泛使用的用于制作复杂大型结构件的框架式模具作为研究对象,在COMSOL中建立了热压罐框架式模具在固化过程中的非定常三维温度场,研究了模具的不同筋板厚度和通风孔尺寸的情况以及型面下方半圆形散热孔存在与否的情况对模具型面温度场均匀性的影响。对比支撑筋板厚度分别为10,8,6和4 mm模具的温度标准差曲线发现:减小支撑筋板厚度可增加型面温度场均匀性,但模具整体稳定性随着筋板厚度变薄而迅速降低,更易发生受压失稳现象;对比纵向通风孔尺寸为130 mm×220 mm、150 mm×220 mm、170 mm×220 mm和190 mm×220 mm模具的温度标准差曲线发现:适当加宽筋板通风孔尺寸可提高型面温度场的均匀性,但宽度170 mm与190 mm的曲线基本重合,影响已不明显;同样型面下方散热孔的存在可以提高型面温度场的均匀性。

缘条类复合材料零件变形修正系统的开发

复合材料比强度、比刚度、可设计性高,目前已经在飞机制造上得到广泛应用,但受到回弹变形等因素的影响,零件几何精度较低,复合材料变形修正问题亟待解决。针对如何将复合材料变形修正工艺数模规范化、快速化构建等问题,本文提出了自动追踪、离散布点等辅助生成外形面的方法,提出了归并排序法、插值查找法等辅助生成内形面的算法,列举了部分构造工艺数模中用到的曲面处理方法,在CATIA环境下完成了复合材料零件变形修正系统的开发。经实例验证,修正后总体效率提升了734.5%,表明该方法能够高效、规范地构建工艺数模,提升工艺数模的生成效率。

航天器蜂窝夹层结构板制造工艺可靠性研究

针对航天器蜂窝夹层结构板的制造效率、形位精度、胶接强度和预埋件拉脱力等可靠性要求,根据其制造工艺特点,通过建立基于制造工艺流程的串联模型、基于制造工艺单元的顺序关联模型、基于制造工艺参数的网状关联模型和考虑检验工序的功能关联模型4种典型的制造工艺可靠性模型,明确工艺设计的控制内容及工艺改进方向和要求。通过常见故障模式和原因分析,进一步验证可靠性模型的分析结果,明确制造工艺改进措施。在实际生产应用中,通过零件定型,优化制造工艺流程和减少串行制造工艺单元;通过优化工艺参数、固化工艺状态、应用自动化智能工艺装备,减小制造偏差,提高产品可靠性和生产效率。

基于空洞分层注意力胶囊网络的X射线焊缝缺陷识别方法

由于X射线焊缝图像的复杂多样性,使得很多传统基于X射线焊缝缺陷检测方法的准确性不高,泛化能力较差。提出一种基于空洞分层注意力胶囊网络(DHACNet)的X射线焊缝缺陷识别方法。DHACNet由卷积模块、空洞分层注意力和胶囊网络(CapsNet)组成。卷积模块用来提取图像的卷积特征,空洞分层注意力用来提取多尺度显著性特征,CapsNet利用胶囊层和动态路由算法替代卷积神经网络(CNN)中的池化操作和全连接操作。DHACNet具有强大多尺度特征提取能力,能够克服CNN只关注图像局部特征和池化操作导致图像部分信息丢失等不足。在构建的X射线焊缝缺陷图像集上进行识别试验,识别准确率为96%以上,与传统方法进行比较,结果表明,该方法有效可行,能够为X射线焊缝缺陷识别系统提供技术支持。