磨料水射流冲击角对砂岩切割性能影响的试验研究

磨料水射流是一种高效的切割技术,通过砂岩切割试验对岩石类材料的最佳冲击角和倾斜切割机理等问题展开研究,在对切缝内壁进行宏观和微观观测的基础上,开展水晶玻璃切割试验,探究不同冲击角下磨料水射流的切割运动过程,揭示了不同切割压力及冲击角下的切缝深度、切缝内壁特征、磨料颗粒运动轨迹与晶体破坏类型等变化规律。试验结果表明:平均切缝深度随切割压力的增加逐渐增大,同时改变冲击角能明显改变射流的切割能力,在75°冲击角获得的切割效果最佳;随切缝深度增加在切缝内壁逐渐出现弯曲射流轨迹纹理,且在其底部均形成典型的冲蚀坑与拖尾现象;切缝内壁主要表现为穿晶断裂、沿晶断裂、切槽或凹坑、胶结物覆盖等4类破坏特征,值得注意的是,不同冲击角下4类破坏特征在切缝中出现的位置不同,该种现象主要是因为射流的偏转情况、反射流的运动方向、冲击波和膨胀波的反射作用改变;对靶件破坏起主导作用的是垂直向及水平向射流分量(与推进方向同向),与推进方向反向的水平向射流分量则对已形成切缝起二次冲蚀及抛光作用,但不同冲击角下的作用程度不同;结合切缝表面观测和射流切割过程观察结果,建立了磨料水射流切割过程的宏观模型。

储气库救援井磨料水射流管外开窗试验研究

针对井筒不完整和存在落鱼的废弃事故老井出现井下封堵困难和气窜问题,如何实现有效封堵已成为老井改造储气库的关键。为此开展了储气库救援井磨料水射流钻杆成孔试验。试验结果表明:随着喷射距离的增大,单位时间内钻杆成孔深度显著减小;随着喷射压力的增大,钻杆成孔所需的时间缩短;钻杆成孔所需的最佳磨料质量分数为6%~8%,磨料粒径分布在40~60目范围内,可实现较好的破坏效果。通过正交试验分析认为,钻杆成孔的极限喷距随着喷射压力的增大而增大,随着喷射距离增大而减小;为缩短作业时间,应调整参数为高喷射压力(>25 MPa)和短喷射距离(<20 cm)。所得结论可为现场作业提供技术借鉴。

工艺参数对磨料水射流切割钢板效果的影响

基于有限元(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)耦合方法,利用数值模拟手段研究了磨料水射流切割钢板的加工机理,重点分析了磨料浓度、射流压力、射流角度对切割钢板效果的影响。结果表明,加入磨料的水射流对钢板的切割能力明显提高,切割截面呈“U”型;随着磨料浓度的增大,钢板切割深度呈增加趋势,切口宽度则变化不大;钢板切割深度随射流压力的提高则呈近似线性增加的趋势;当射流角度由垂直(90°)转变为一定倾斜角后,钢板切割深度有所降低,材料的整体去除量略有减少。

微孔的磨料水射流抛光CFD模拟及试验

为解决飞秒激光微孔难以抛光的问题,结合磨料水射流去除函数稳定、自适应性强等特点,采用磨料水射流抛光方法提高飞秒激光微孔质量。利用Fluent软件对不同工艺参数下的磨料水射流微孔抛光过程进行计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模拟,分析不同参数下的流场分布、侵蚀速率及壁面剪切力作用规律;然后通过响应面法对射流靶距、射流压力及磨料粒径等3因素进行优化试验,以微孔内壁面剪切力均方差为响应值,建立其响应面方程,获得最佳抛光参数组合并进行试验验证。结果表明:射流压力对微孔内壁面剪切力的影响最大,当射流压力从0.80 MPa增至1.50 MPa时,微孔内壁面剪切力增大2倍以上。射流的不同结构段因性质不同可适用于不同工况。利用响应面法分析得到水射流微孔抛光的最佳工艺参数组合是:射流冲击角,90°;射流靶距,3.5 mm;射流压力,1.10 MPa;磨料粒径,15.0μm。在该条件下抛光微孔内壁面的表面粗糙度R_a降至0.354μm。磨料水射流抛光可显著改善微孔壁面质量,且响应面法预测的数据模型有较高准确性。

基于ALE-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟及其机理分析

磨料水射流在钻井提速、深穿透射孔和压裂增产等方面应用效果显著,深入认识磨料水射流破岩机理是提升其应用效果的关键之一。本文基于任意拉格朗日—欧拉耦合有限单元算法,提出了独立封装有限元网格描述磨料的方法,将水射流单元设定网格随物质的运动而变化以实现流体流动特性,速度设置给物质;将磨料单元设定网格不随物质的运动而变化以实现固体颗粒特性,速度设置给网格。综合考虑岩石的动态冲击损伤作用以及水射流和磨料的协作,建立了可表征水射流流动和岩石损伤破坏的多相多物理场耦合过程的磨料水射流破岩模型,模型聚焦磨料颗粒和水射流对岩石微秒级的冲击破坏。采用2套网格捕捉磨料和水射流的协同破岩作用,得到了岩石破碎体积、岩石损伤场、水射流压力场、水射流和磨料对岩石破碎的能量贡献率等关键参数的时空演化特征。结果表明,磨料水射流破岩过程磨料起主导作用,水射流起辅助作用。分析得到磨料水射流中磨料—水射流协同破岩机理认识,磨料撞击岩石使岩石局部产生的高程度损伤降低了水射流破岩的难度,此外磨料冲击破碎岩石使得水射流和岩石之间产生新界面,促使水射流的冲击压力升高,提高了水射流的破岩能力,因此磨料水射流中的水相比于纯水射流具有更高的射流打击力和能量利用率,磨料冲击预损伤岩石叠加水射流聚集增压的磨料—水射流协同作用破岩是磨料水射流破岩效率和能量利用率高于纯水射流数倍的重要机理之一。研究结果对优化磨料水射流破岩参数提供了理论模型和设计依据。

基于Halcon的磨料水射流加工断面特征识别与分析

针对加工断面特征参数测量效率低的问题,提出一种基于机器视觉的断面特征识别方法。首先对采集到的加工断面图像进行灰度形态学降噪、双边滤波等预处理;然后通过Otsu阈值分割结合形态学操作得到水射流加工断面的条痕区域;最后完成对处理后条痕区域特征参数的测量。结果表明:所用方法能够有效对加工断面条痕区域进行较清晰的提取,提高了断面特征参数的测量效率。

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩特征及影响研究

磨料射流是一种高效、绿色的破岩方式,其辅助机械刀具破碎岩石能显著降低刀具的磨损,提高破岩掘进效率。为揭示磨料射流冲击作用岩石的损伤破碎特征,明确其高效破岩参数,本文基于SPH-FEM耦合算法建立了磨料射流冲击岩石的数值模型,获得了磨料射流冲蚀深度、面积及岩石损伤宽度的变化规律。结果表明:5种不同工况下,冲蚀坑都大致呈“V”型;磨料浓度的增加,对主裂纹的萌生及发育具有促进作用;磨料水射流较纯水射流具备更大的冲击能量,导致更大的冲蚀深度及更大的破碎面积。本研究条件下,磨料最优浓度为23%,该研究成果对磨料射流高效切割及破碎岩石的参数优化选取等具有重要意义。

基于SPH-FEM耦合算法的磨料水射流破岩数值模拟

磨料水射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题。针对磨料水射流破岩过程的复杂性以及有限元分析法在处理超大变形问题时存在的网格畸变问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)的方法模拟了磨料水射流破岩过程,并结合模拟结果分析了在磨料浓度30%不同速度磨料水射流作用下岩石的损伤范围。其中磨料水射流采用SPH算法模拟,并通过修改关键字文件实现水与磨料两种不同组分,岩石采用H-J-C累计损伤模型。研究表明:岩石冲蚀坑首先成漏斗状,随着冲蚀坑不断加深,最终形成"V"形剖面和圆形截面组成的"子弹"体;损伤值由冲蚀坑沿径向方向向外急剧减少,岩石的损伤半径与冲蚀坑半径随着射流速度减小而减小,两者之比在1.8-2.2之间。计算结果与相关文献基本吻合,为研究磨料水射流破岩提供一种研究的方法。

前混合式磨料水射流磨料粒子加速过程数值模拟

针对前混合式磨料射流磨料加速过程运动复杂、实验研究困难及有限元处理超大变形存在网格畸变等问题,基于光滑粒子(SPH)耦合有限元(FEM)方法模拟前混合式磨料射流喷嘴不同阶段磨料粒子加速特征及磨料射流破碎靶体全过程。其中水介质用SPH建模,磨料粒子、喷嘴、靶体等用FEM建模。揭示磨料粒子群在喷嘴中的运动轨迹及喷嘴结构对磨料粒子加速影响规律。研究表明,磨料粒子进入喷嘴收敛段之前已基本达到与水介质相同速度,进入收敛段后因与水介质存在速度差使其获得加速,但与水介质速度差逐渐增大;进入直线段后水介质与磨料粒子一直加速,且水介质速度在直线段末端趋于稳定,在离开喷嘴的短距离范围内水介质速度趋于稳定,磨料粒子在核心段水流作用下继续加速,最终趋于稳定;磨料粒子群在喷嘴收敛段相互碰撞运动剧烈,进入直线段后相对平缓;流量一定下磨料粒子速度随喷嘴收敛段延长而增加,但增加有限;随直线段延长而增加,增加显著。数值模拟结果与相关文献吻合较好。

新型后混合式磨料水射流系统的研制

提出一种新型后混合式磨料水射流系统,是对传统后混合式磨料水射流系统的重大改进和发明。采用ANSYS Fluent对所提出的新型喷射系统进行了流场仿真,分析两个磨料入口都与大气相通和一个磨料入口与大气相通、一个磨料入口与浆体溶液相连,对这两种方式喷射系统流场进行了对比分析,并通过相应的试验验证了其流场仿真的正确性,为新型后混合式磨料水射流系统的研制提供了理论基础。然后,研制出了新型后混合式磨料水射流系统,该磨料水射流系统由供压系统、喷射系统、搅拌与输送系统组成,并进行了浆体溶液输入量测试和磨料混合效果测试,试验测试表明,该磨料水射流系统效果好、磨料混合均匀、能够实现磨料浓度的任意调节和精确控制。因此,该新型后混合式磨料水射流系统优于传统的后混合式磨料水射流系统,必将促进后混合式磨料水射流系统的更加广泛的应用。

磨料水射流加工去除模型研究

采用ANSYS Fluent对磨粒流场进行瞬态CFD仿真,得到射流过程中磨粒的分布和速度;并研究射流加工区磨粒运动机制,研究表明,新型后混合式磨料水射流加工中磨粒很容易穿过射流加工的静压区直接与工件发生作用进而去除材料。建立磨粒冲击塑性材料的冲击变形磨损模型,并结合Finnie塑性剪切磨损去除模型建立磨料水射流加工去除模型,模型表明,射流加工中心区域的材料去除量最高。根据新型后混合式磨料水射流系统进行塑性材料的磨料水射流加工试验,结果表明,射流加工中心区域材料去除最高,这是由于射流加工中心区域磨粒冲击角度较大、磨粒速度较高,材料以冲击变形磨损去除为主;远离射流冲击中心区域材料去除较低,材料以剪切磨损去除为主,与磨料水射流加工去除模型是完全一致的,证实磨料水射流加工去除模型的正确性。

磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析

为验证磨料气体射流破岩可行性,对比分析磨料水射流和磨料气体射流破岩效果。理论分析了磨料水射流和磨料气体射流中磨料加速机理,得出磨料动能与磨料水射流和磨料气体射流入口压力之间的数值关系。基于统一强度理论,建立了适用于磨料射流破岩的能量准则,得出了岩石破坏时所需的临界能量。根据磨料加速理论和岩石破坏临界能量计算了岩石破坏临界磨料速度以及所需入口压力。基于理论计算结果,试验验证了磨料水射流和磨料气体射流冲蚀灰岩的破碎效果。结果表明:当磨料速度达到270 m/s时,所需气体射流压力的理论值为15 MPa,水射流压力的理论值为45 MPa;两种磨料射流冲蚀坑形状相同,均呈现"V"型,磨料水射流的冲蚀坑形状相较于磨料气体射流具有"口小","坑深"的特征,磨料气体射流破灰岩形成的冲蚀坑体积要大于磨料水射流。

前混合磨料水射流连续加料系统设计与实验研究

针对现有前混合磨料射流系统不能实现磨料连续供给的问题,提出利用射流泵原理抽吸和混合磨料实现连续加料的新思路,即利用有压水从射流泵喷嘴以一定速度喷出而引起的负压场卷吸磨料进入射流泵内的混合腔,并与水混合后经喉管和扩散管进入高压胶管,最后经切割喷嘴加速后喷出,形成连续磨料水射流。为使系统性能最优,分析了连续加料系统的结构组成及工作原理,并设计了系统的结构与尺寸;运用数值模拟方法对影响连续加料与射流性能的主要因素——切割喷嘴与射流泵喷嘴面积比进行优化设计,分析了其对系统性能的影响规律,确定了其最优取值范围;通过室内压力测试、连续加砂及切割试验对系统性能进行了验证,结果表明,在合适的面积比结构下,该连续加砂系统在磨料入口能形成负压及足够的压力梯度,将磨料吸入并加速,且在切割喷嘴端仍然保留足够的静压转化为动能,实现前混合磨料水射流的连续高效作业。

前混合式磨料水射流喷嘴外流场仿真与实验

通过建立磨料水射流喷嘴有限元模型，对2种不同直径的前混合式磨料水射流的喷嘴外流场进行仿真分析．结果表明，在喷嘴其它几何条件相同的情况下，出口直径对喷嘴的出口速度影响比较大，出口直径越大，出口速度越小；在一定程度上将混合管适当地加长，可以提高磨料射流在喷嘴出口处的速度；磨料水射流最佳的切割距离为喷嘴出1：7直径的2．0—5．0倍．磨料水射流切割靶体实验结果与靶体冲击仿真结果基本吻合．

基于FLUENT的磨料水射流喷嘴内流场的可视化研究

根据液固两相流理论对磨料水射流喷嘴内的流场进行了分析,并建立了喷嘴内流速度场的可视化模型,利用FLUENT分析软件求解磨料水射流喷嘴内各节点的速度。根据速度场分布图,讨论了影响磨粒速度的主要因素。研究表明,存在一个最优磨料喷嘴长度,使得磨料速度最大。喷嘴混合腔的长度对磨料粒子的加速有显著影响,为了达到最大磨料速度,磨料混合腔长度可在水射流喷嘴直径30~40倍的区间内选取。磨料粒子最高速度会随磨料混合腔内圆锥角的增加而降低。从降低喷嘴磨损角度看,应减小混合腔内锥角。

磨料水射流作用下岩石损伤场的数值模拟

磨料水射流(AWJ)破碎岩石的过程是多相流体与结构物体之间非线性碰撞动力耦合问题,其内部的复杂机制涵盖了诸多方面。基于ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)流-固耦合罚函数算法,从连续损伤力学和细观损伤力学角度出发,建立了磨料水射流冲击破碎岩石模型。研究表明:岩石的破坏主要以冲击破坏为主,破坏具有明显的局部效应,破碎过程以漏斗状交替推进;岩石内部的损伤场以阶段性演化,即分为线弹性阶段、非线性失稳破碎阶段,岩石在射流冲击交替应力的作用下50μs内完全破坏。计算结果与相关文献基本吻合,研究结果对深入研究磨料水射流破岩理论及应用有着重要的学术和现实意义。

微磨料水射流技术及其应用

介绍了微磨料水射流技术及其在半导体制造工艺中的应用。在分析研究微磨料水射流技术国内外发展基础上，提出了微磨料水射流的产生方法及关键技术。对增压发生器的压力、喷嘴直径、微磨料粒子的精度、浆液磨料制备方法、浆液磨料的输送及质量流量的控制、工作平台的运动精度等关键技术进行了分析讨论。研究表明，为了产生射束直径100μm以下的微磨料水射流，必须采用湿式磨料，同时完全避免空气进入。采用300nm至8μm氧化铝浆液磨料和Ф40—50μm喷嘴，应用运载方法可以产生束径达Ф40-50μm级的微细加工磨料水射流。在同样水压力下，其切割的能量密度是普通磨料水射流的4～5倍。微磨料水射流在半导体材料加工、微型电子机械系统制造以及光学器件生产上具有广阔应用前景。

微磨料水射流加工技术研究现状

现代制造技术正朝着产品小型化和加工过程微型化的方向不断发展,用于加工微型零件的材料越来越难加工,对加工精度的要求也越来越高,当前微细加工技术面临巨大挑战.近十几年来,微磨料水射流加工技术（射流直径10~100μm）快速发展,已实现对金属、陶瓷、光学玻璃、半导体以及复合材料等难加工材料的精密微细加工,其加工精度和表面质量已达到激光加工水平,是一种具有广阔应用前景的新型微细加工技术.为进一步了解该项技术的最新发展动态,本文介绍了微磨料水射流加工技术的基本原理、研究现状以及未来的发展趋势.

磨料水射流喷丸对渗碳GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响

为研究后混合磨料水射流喷丸对渗碳后GDL-1钢表面完整性及疲劳性能的影响规律,利用X射线应力衍射仪、粗糙度仪、显微硬度仪、金相显微镜、扫描电镜、透射电镜等分析了水射流喷丸强化对试样表面残余应力场、粗糙度、硬度、形貌、组织的变化规律,并用升降法测定了抛光及抛光+水喷丸两种状态下渗碳GDL-1钢拉压疲劳性能。结果表明:试样经水喷丸处理后,表面粗糙度有所增加,并且有磨料撞击形成的小凹坑及在表面残留有玻璃磨料,但同时表层脱碳层大部分被去除,硬度得到显著提升、残留奥氏体含量降低,晶粒得到细化,并且在表面形成一定深度的残余压应力层。经水喷丸处理的试样,其较未经水喷丸的疲劳极限提高了19%,且疲劳源全部在远离表面接近1/2R位置形成,这说明水射流喷丸在表层产生的高残余压应力和晶粒细化可以显著提高渗碳钢的疲劳性能。

高压磨料水射流水下切割不锈钢的实验研究

采用高压磨料水射流切割装置,用3档切割压力(320、350、380 MPa),分别在2、5、8 mm切割靶距和6种切割速度下,对不锈钢进行水下切割实验。分析切割压力、靶距、切割速度等参数对切割厚度的影响,建立基于实测数据的半经验数学模型。对获得的实验数据进行分析表明,切割压力、靶距和速度与被切割厚度呈现指数关系。