岩土离心模型试验软接触式微型土压计研制及性能评价

微型土压计是岩土离心模型试验的重要测量技术之一。为解决刚性土压计测量中拱效应、尺寸效应、厚径比等经典误差问题及提升频响速率和精度,尝试开发了一种全新软接触式微型土压计ESP-II,介绍了其技术创新和设计方法。以两种国际代表性土压计为参考,设计开展一系列离心模型试验,对其感应精度、速率和适用性进行评价。主要结论:①逐级加载离心加速度5g~50g试验下,各深度ESP-II和两种参考传感器测试结果与理论值的平均误差分别为5.16%,6.70%,4.85%,三者沿深度拟合K_(0)优度系数R^(2)均≥0.9893。②脉冲荷载试验中ESP-II最大响应时间约7.8 ms,略优于两种参考传感器,具有良好的频响速率。③不同幅值正弦、地震等动荷载试验下,3种传感器测得土压力均呈一致增量趋势,K_(0)约由0.43~0.45增至0.51~0.56,与既有规律认识吻合。④离心机下降卸荷过程中,ESP-II测得时程表现良好连续性和光滑性,反映软接触式设计有利于保障土体与传感器良好接触和稳定响应。研究成果,初步证明了软接触式土压计适应于静、动力离心试验需求,具有重要价值与应用前景。

基于隧道离心试验的柔性软接触土压计测试可靠性评价

开展一系列离心模型试验,选取线性误差、平均幅值误差、响应速率作为指标,基于隧道模型对柔性软接触新型土压计ESP-II和两种国际代表性传统土压传感器(PDA、EPL-D1)进行对比评价,验证新研发土压力计测量的可靠性。主要结论如下:①静力状态下,ESP-II、PDA、EPL-D1线性误差分别为19.36%,12.7%,21.0%,平均幅值误差为5.79%,48.2%,22.6%,证明ESP-II土压力计相比国际两种土压计具有较好静力测试性能。②动力荷载下,ESP-II、PDA、EPL-D1土压力计的平均响应速率分别为67.1,51.5,65.8 Hz,ESP-II的响应速率略高于其他两种土压力计,具有良好的响应频率;序列地震动荷载下ESP-II、PDA测得土压力与EPL-D1不同,呈现一致增量规律,而数值存在一定差异,反映土体具有较强结构性。③卸载过程中,3种土压力计测得数据均呈现不同程度的非线性变化特征,PDA和EPL-D1土压力时程曲线产生了偏折、跳变现象,而ESP-II土压力时程曲线保持了较好数据连续性,一定程度说明软接触式设计能实现土压力计与土体的良好接触。

基于兔毛的软接触摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种可以从环境中捕捉细微的能量并转换成电信号输出的新型能源收集研究热点,由于受结构和材料限制,导致其易受机械磨损而输出性能稳定性下降。研制了一种基于兔毛作为软接触材料的摩擦纳米发电机(TENG),并探究了聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)分别作为兔毛摩擦纳米发电(R-TENG)的介电材料时,R-TENG在不同转速(30、60、90和120 r/min)下具有的输出性能。结果表明,PVDF作为介电材料在基于兔毛的软接触配合中,其效果明显优于PTFE。在转速为120 r/min时,基于PVDF的R-TENG输出短路电流与开路电压分别可达3.3μA和873.27 V。将R-TENG在120 r/min转速下连续工作24 h后,得到测试前后短路电流和开路电压的衰减率分别为6%~7%和4.5%~6.5%,验证了基于兔毛软接触的R-TENG具有良好的耐久性,能够在实际应用中大大降低人工维修成本。对R-TENG进行功率匹配,在外部电阻为50 MΩ时,其输出功率可高达0.96 mW。利用R-TENG为电容进行供电实验,0.1μF的电容能够在短时间内充电到2.384 V,验证了以兔毛作为软接触材料时R-TENG的高性能特点,为传感器供电提供策略。

电磁软接触方坯连铸凝固过程夹杂物碰撞长大行为

电磁软接触对于方坯连铸而言是一项重要的电磁技术。采用数值模拟方法分析了电磁软接触连铸机内电磁力场、流场和夹杂物场的分布特点。数值结果表明,应用电磁软接触后,电磁力主要集中在靠近结晶器的铸坯表面;电磁力在水口两侧产生涡流,同时加快了液面处钢液的流动。电磁软接触下连铸机内夹杂物分布与无电磁软接触下夹杂物分布大体相似。在结晶器下方,随着距液面距离的增加,夹杂物数量密度逐渐降低,夹杂物特征半径逐渐增大。在液面处,电磁软接触下夹杂物浓度、数量密度和特征半径明显降低。

软接触结晶器结构对磁场分布影响的研究

试验研究了软接触电磁连铸结晶器内的磁场分布规律 ,考察了开缝数、切缝宽度以及感应线圈对结晶器的相对高度对磁场的影响。试验结果表明 :增加开缝数不但提高了结晶器的透磁性 ,而且使磁场沿圆周方向的分布更加均匀 ,但降低了磁场沿轴向和径向分布的均匀性 ;开缝宽度对开缝处的轴向磁场影响较大 ,对其他位置处磁场的影响不明显 ;

方坯软接触电磁连铸初始凝固区高频磁场的分布

通过实验俭测和数值模拟方法研究结晶器切缝形式、弯月面位置以及感应线圈匝数等因素对方坯软接触电磁连铸结晶器内高频磁场分布的影响．分析结果表明：采用通体切缝形式的结晶器具有比封闭切缝形式结晶器更好的透磁性；增加感应线圈匝数时，可增大高频磁场在铸坯初始凝固区的有效作用范围：当液态金属弯月面位于感应线圈上沿附近时，高频磁场作用于初始凝固区的有效作用范围较大、电磁压力分布的不均匀程度较小，有助于获得高表面质量的铸坯．通过拉坯实验获得了表面质量得到明显改善的 Ｓｎ—１０Ｐｈ合金铸坯．

矩形电磁软接触连铸结晶器内弯月面行为

通过静态热模拟实验,采用低熔点Sn-32%Pb-52%Bi(质量分数)合金作为钢液的模拟介质,研究不同工艺参数下矩形电磁软接触连铸结晶器内弯月面行为的变化规律。结果表明:由于矩形电磁软接触结晶器本身的结构限制,其弯月面沿周向上的分布具有不均匀性;随电源功率增大,弯月面高度增大,同时波动加剧;实际生产中线圈应尽量靠近结晶器口部位置安装,有利于提高弯月面高度和增强弯月面稳定性;浇注过程中,应该使浇注液面尽可能的控制在线圈中心偏上位置;当电源频率增大时,应该同时适当的提高电流来保证软接触效果。

软接触结晶器电磁连铸中磁场的均匀化

研究了屏蔽片对软接触结晶器中磁场分布的影响，通过对磁场的测定和液态金属成形实验，找出了屏蔽片的不同尺寸对磁场分布影响的定量规律。结果表明，在不改变结晶器切缝数和宽度的条件下，通过加适当的屏蔽片，可使结晶器中磁场分布均匀化。

软接触电磁连铸结晶器内磁场分布与弯月面行为

通过实验测试和数值模拟的方法研究两段式软接触电磁连铸无缝结晶器结构、线圈位置、电源功率以及弯月面位置等因素对结晶器内高频磁场分布的影响。并采用Sn作为钢液的模拟工质测量了不同实验条件下两段式结晶器内的弯月面高度。研究结果表明:两段式结晶器的透磁效果随着结晶器上半段厚度的减薄而提高;增加电源功率时,可以增大高频磁场在铸坯初始凝固区域的强度及作用范围,有利于弯月面的形成;线圈位置越靠上,越有利于磁感应强度透过结晶器,有助于弯月面高度的增大;当金属液面位于感应线圈高度中心与线圈顶端位置之间时,高频磁场作用于初始凝固区域的有效作用较强,可产生较大的电磁压力,有助于获得高表面质量的铸坯。

电磁软接触铸造7050高强铝合金扁锭的组织和力学性能

通过数值模拟与试验研究的方法,采用软接触电磁铸造技术制备7050高强铝合金扁铸锭。模拟结果表明,施加软接触电磁场后,铸锭内部的流动场和温度场分布均发生改变。试验结果表明:采用电磁软接触铸造技术后,铸锭表面粗糙度由常规铸造时的101.1μm降低至48.6μm,平均晶粒由常规铸造时的80～85μm细化至55～70μm,晶粒尺寸不均匀度由常规铸造的21.69%降低至11.50%;此外,采用电磁软接触铸造工艺后,铸锭的合金化元素偏析得到抑制,Zn、Mg、Cu三元素的最大偏析率分别由常规铸造时的6.62%、9.54%、7.92%降低至3.87%、3.63%、1.36%,合金化元素分布更加均匀。

AZ61镁合金软接触电磁连铸的研究

采用软接触电磁连铸法制备了AZ61镁合金铸锭,对其晶体结构、金相组织、力学性能及抗腐蚀性能进行了研究,并与金属模铸法制备的铸锭作了比较。实验发现:两种方法制备的铸锭相结构相同;软接触电磁连铸铸锭晶粒细小,第二相弥散分布,促使其力学性能有很大提高,常温抗拉强度和延伸率分别提高了约30%和27%,其断口形貌具有更多韧性断裂的特征;在3.5%NaCl溶液中的动电位极化测试表明,软接触电磁连铸可以使镁合金的自腐蚀电压升高,腐蚀电流密度降低,从而提高镁合金的耐腐蚀性能。

电磁软接触连铸圆坯表面振痕演变机理

在实验室立式连铸机上对碳素结构钢Q235B进行了电磁软接触连铸实验,测量了结晶器内磁场分布和Sn-Pb-Bi合金熔体弯月面形状.结果表明,采用电磁软接触连铸技术.可以显著改善铸坯表面质量;当电源功率达到最佳值时,振痕完全受到抑制,铸坯表面光洁:但当电源功率过大时,铸坯表面出现波浪形振痕.分析认为,铸坯表面质量得到改善是高频电磁场的Lorentz力效应和Joule热效应共同作用的结果;当电源功率过大时,分瓣结晶器内的磁场分布不均匀,沿结晶器周向呈波浪形分布,加之钢水液面波动也更加剧烈.因此在铸坯表面产生波浪形振痕.

软接触电磁连铸技术分析

运用数学解析的方法。对连铸软接触技术中若干电磁参数进行了理论分析、通过对电磁波在铜、钢水和充满钢水的铜结晶器内的衰减的分析．以及对电磁体积力的数学推导．确认了电磁力的大小取决于磁感应强度沿径向衰减的快慢，即ＢＺ对ｒ的导数 当频率增加时、铸坯表面的电磁力增加．并向铸坯中心迅速衰减 电磁压力沿径向的分布决定弯月面的形状．一定结构的结晶器应选一个最佳频率，才能得到最大的电磁约束力．

软接触电磁结晶器内三维弯月面形状数值模拟

建立了软接触电磁结晶器内交变磁场和三维弯月面形状的耦合模型。在用实验结果验证的基础上 ,模拟了方坯连铸结晶器三维弯月面形状 ,研究了弯月面形状的不均匀特性 ,讨论了感应线圈与初始钢液面之间的相对位置、电流强度和电源频率等因素对弯月面形状的影响。结果表明 :当初始钢液面位于感应线圈中心位置附近时 ,电磁力对金属的约束成形作用最强 ;电流强度比电源频率能更明显地改变弯月面形状 ,但提高电源频率不仅能适当增加弯月面高度 ,还有利于弯月面的稳定。在实际应用中应采用 2 0 k

方坯软接触电磁连铸结晶器内三维电磁场的数值模拟

通过有限元法三维数值模拟,对方坯连铸软接触结晶器系统中的电磁参数进行了计算.得到磁感应强度、电磁体积力、感应涡流在分瓣结晶器系统中的分布规律.在切缝区域连铸坯表面磁感应强度较其他区域稍强,20000 Hz时约为10％;由于电磁场透过切缝作用于连铸坯上,连铸坯表面所受的电磁体积力在横向较为均匀;当钢液面位于感应线圈中部时,沿拉坯方向钢液面以下附近电磁场的作用最强,然后逐渐降低.

软接触电磁连铸的数值模拟和实验分析

结合软接触电磁连铸的准三维电磁场数值模拟和金属Sn的连铸实验，分析了软接触电磁连铸中结晶器分解结构和感应留位置、尺寸、电流对铸坯表面碰通密度、电磁力和电磁压力的影响结果表明：软接触结晶器中的磁通密度随切经数的增加而上升，但增幅渐小；铸坯表面在切维处因孩通密度增大而产生纵向凹痕；结晶器的切缝数以12－20，切维定度以0.5－1．0mm为宜；感应圈的高度应覆盖铸坯的初凝固区段，感应国的位置应使其顶端与铸坯弯月面边缘格齐；

矩形软接触结晶器内磁场分布的实验研究

研究了不同条件下矩形软接触结晶器内的电磁场分布规律.结果表明,矩形软接触电磁连铸结晶器角部存在明显的磁场叠加现象;沿结晶器窄面的磁场分布比较均匀,而宽面上的磁场分布均匀性较差.通过合理布置切缝,可提高软接触结晶器内的磁感应强度和磁场分布的均匀性.宽面上的切缝应采用不均匀方式布置,可在宽面中心位置附近布置相对较多的切缝,在矩形软接触结晶器角部不布置切缝.磁感应强度的最大值出现在线圈中心偏上位置附近,随感应线圈上升,该最大值增大,其位置上移.将线圈靠近结晶器入口安装,有助于均匀周向磁场.在线圈中心位置附近的磁感应强度分布较均匀,实际浇铸过程中,应将液面控制在线圈高度中心与线圈顶端位置之间.

钢的软接触电磁连铸技术

介绍了软接触电磁连铸技术并分析了其作用原理,该技术可有效提高铸坯的表面质量,着重分析探讨了工业上实现钢的软接触电磁连铸在结晶器结构、材质以及电磁场参数等方面需要解决的关键问题,并介绍了该技术的最新研究成果:高频调幅磁场电磁连铸技术和无结晶器振动的电磁连铸技术。

电磁软接触连铸高频磁场的数值模拟

以经典电磁场理论为依据，利用有限元软件ANSYS建立了电磁软接触连铸高频磁场计算的数学物理模型。用小线圈法实测了线圈内磁感应强度的分布，并将实测值与计算值进行比较，验证了模型的有效性。通过计算，分析了割缝结晶器内磁感应强度分布的不均匀性以及感应线圈匝间距对结晶器内磁感应强度分布的影响。结果表明：切缝对结晶器中半径小于25mm范围的影响很小，使接近结晶器壁处圆周上磁感应强度分布的不均匀性较大；减小线圈匝间距可以提高结晶器内磁感应强度，线圈匝间距以5～10mm为宜。

高温合金叶片类铸件电磁软接触成形过程研究

传统高温合金叶片类铸件制备过程中,熔体长时间在陶瓷模壳材料中保温,易受其污染,而借助于交变电磁场与液态金属相互作用产生的电磁压力可使高温合金呈半悬浮状态,减少了熔体与磁模结晶器的接触面积和时间,能尽可能避免污染的产生。将该方法和定向凝固技术相结合,提出了1种实现高温合金复杂形状电磁软接触成形的定向凝固工艺,探讨了该工艺下不同结晶器材料、磁化套高度及其所加方位对线圈中磁感应强度的影响,并在实验室中成功制备出了2种近叶片形状的高温合金电磁软接触成形的定向凝固样件。