新工科背景下高校工程训练课程建设探索

针对高等工程教育存在“重技能、轻素养”问题,结合新工科建设培养目标,将课程思政教学理念融入工程训练课程建设,制定机械类专业课程培养方案。结合基于学习产出的教育模式(OBE),通过构建面向未来能力需求的工程训练培养体系,面向知识、能力、素养的课堂教育方式,建立更加科学全面的工程训练课程评价体系,以及提高教师工程训练教学的胜任力四个方面进行工程训练课程体系建设,以期为国家培养出技术能力与非技术能力兼备的复合型人才。

基于数字孪生的纤维缠绕虚拟仿真系统开发和应用

纤维缠绕复合材料具备优异的比强度及良好的可设计性,被广泛应用于航天航空等高技术领域。目前,国内纤维缠绕成型技术的研究多集中在缠绕理论及CAD/CAM软件方面,关于纤维缠绕在线虚拟仿真技术的开发尚处于起步阶段。本文通过OpenGL软件建立物理机床的虚拟映射,提出一种新的缠绕轨迹反向求解计算方法,对纤维缠绕过程中的纤维轨迹进行实时显示;通过Modbus TCP协议建立虚拟机床与物理机床之间的联系,实现了对纤维缠绕过程关键参数的实时监测;通过华中9型数控系统提供的NC-API接口实现了虚拟机床与物理机床之间的数据交换及部分操作指令的双向控制。缠绕试验表明,基于数字孪生技术开发的纤维缠绕虚拟仿真系统能够完成纤维缠绕过程的实时运动仿真、缠绕过程关键参数的监测及对缠绕过程的直接控制,并验证了纤维缠绕过程远程监测、远程控制等功能的可行性。

热塑性FRP自动铺放成型缺陷的多尺度研究进展

纤维增强型复合材料(FRP)自动铺放成型缺陷形成过程涉及多个时空尺度,仅依靠宏观失效理论及实验分析等方法无法实现对FRP铺放成型缺陷机理的研究。为了解决以上问题,本文针对热塑性FRP,分析了其铺放制造过程中常见的缺陷类型及其形成的基本原因,并结合气泡成核、热力耦合、界面增强理论及原位固结技术的国内外研究成果,指出现阶段FRP铺放缺陷机理研究方法的不足,根据现有的多尺度分析法及材料设计的嵌套式关系,提出反串行嵌套式多尺度分析方法,并讨论了基体的流动性、结晶度、黏弹性及吸湿性等微观力学参数的分析和计算方法。最后,采用灰色关联及多目标优化法,提出FRP铺放成型工艺的多尺度协同设计方法。未来研究重点是在铺放样机应用化的基础上,分析工艺参数、成型缺陷与力学性能的关联特性,揭示缺陷形成机理并优化工艺参数。

高速车削钛合金刀具宏-介观扩散磨损特性

为了研究不同合金成分对刀具磨损的影响机理,利用宏-介观跨尺度关联法及分子动力学理论,采用YG8、YT15及YW2刀具高速车削钛合金,探明刀具宏观热力学特性及磨损特征,分析了三种材料在切削过程中原子群乱序程度,揭示了不同刀具材料原子群扩散特征.结果表明:YW2前刀面温度最高,原子群乱序运动类型已达到晶面解理,向内扩散程度高,扩散磨损严重;YG8和YT15原子群密度和能量稳定,原子群乱序运动类型为微裂纹扩展,向外扩散程度低,扩散磨损较小.三种材料刀具在高速车削过程中扩散磨损程度由高到低依次为YW2>YT15>YG8.

纤维缠绕Kagome网格卫星承力筒承载性能分析及结构优化研究

承力筒是卫星的主要承力部件,对整体结构承载性能具有重要作用。纤维缠绕Kagome网格式承力筒有质轻高强的特征,是卫星承力筒常用的结构。但网格结构设计中,结构参数之间相互耦合,对网格承载性能的影响尚不清晰。本文针对纤维缠绕Kagome网格卫星承力筒,开展结构优化研究。首先采用有限元建模方法,对卫星特定工况下的承载性能进行分析,提出螺旋筋及环筋相对独立的设计思想,结合参数化建模策略,获得各个结构参数对承载性能的作用规律;其次采用多目标遗传算法,以承载性能及质量为主要优化目标,对承力筒结构参数进行优化,并分析了最优结构的强度和屈曲性能。结果表明,最优结构质量降低了21.2%,力学性能满足卫星特定工况条件;最后采用自主研制的桌面式缠绕机对网格承力筒进行了缠绕成型。

3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成型质量的研究进展

连续纤维增强热塑性复合材料正在汽车工业、航空航天等领域得到日益广泛的应用。近年来连续纤维增强热塑性复合材料3D打印技术得到了研究人员越来越多的关注,成为新的研究热点。与自动纤维铺放、缠绕等传统复合材料的增材制造方式相比,3D打印技术逐层堆积的成型原理使其具有更大的制造灵活性。但是当材料或工艺参数发生改变时,3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的成型质量将发生较大改变,这一直困扰着复合材料3D打印领域的研究人员。目前学者对3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成型质量的研究多集中于通过实验探究最优的工艺参数,缺乏对各工艺参数影响机理较为全面的总结。本文从成型质量出发,对3D打印连续纤维增强热塑性复合材料的研究现状进行综述分析,重点分析了设备工艺原理、工艺参数(打印温度、速度、纤维取向、纤维体积分数、打印间距及打印层厚度)和其他因素(材料类型、堆叠方向及使用环境)对材料性能的影响,总结出各因素对成型质量的影响主要体现在纤维体积分数、孔隙率及界面特性等方面。最后展望了3D打印连续纤维增强热塑性复合材料成型质量研究领域的发展前景,为制备具有优异成型质量的3D打印连续纤维增强热塑性复合材料产品提供参考。

脉冲氙灯加热高性能热塑性复合材料工艺参数分析

关于脉冲氙灯加热高性能热塑性复合材料工艺分析的研究尚无报道。采用单因素试验和响应面法研究了预浸料表面粗糙度、电压、脉宽和热源移动速度对热塑性预浸料表面加热温度的影响规律。结果表明,预浸料的表面粗糙度越小,加热温度越稳定,粗糙度越大,加热温度波动越大;加热温度随电压的增加而增大,随脉宽和速度的增加而降低。通过响应面法获得脉冲氙灯加热CF/PEEK预浸料的最佳工艺参数为:电压221 V、脉宽2 ms、热源移动速度125 mm/s、脉冲频率60 Hz、灯口与预浸料之间的距离10 mm,此时加热温度为381℃,树脂能够发生较好的熔化。

热塑性复合材料机器人铺放系统设计及工艺优化研究

针对热塑性复合材料的铺放功能及其实际需求,以机器人为载体,开展了热塑性复合材料铺放设备关键技术及工艺优化研究。根据机器人铺放头特点,提出了铺放头总体设计方案,设计了加热、剪断、重送、夹紧、张力调控等功能模块,开发出了电气控制、PID张力控制、温度控制等控制单元,实现热塑性复合材料机器人铺放设备的搭建。采用GF/PP热塑性预浸料,开展工艺对比试验及检测试验,并探究了显微结构对力学性能的影响,结果表明:铺放工艺制备的试样中层与层间有明显区分,且结晶度较低,是造成其力学性能不及真空袋辅助成型的主要原因。采用响应面法优化了铺放工艺参数并进行试验验证,优化后铺放工艺成型构件的缺陷较少,其力学性能与真空袋辅助成型制备的构件相当,从而验证了热塑性复合材料机器人铺放设备的可行性及有效性。

复合材料自动铺丝工艺参数对应力波传播特征的作用机制

利用应力波特征能够有效识别材料结构中内部缺陷及其分布形式,为了将工艺载荷作为应力波激励源对预成型体内部缺陷进行识别,应首先研究铺丝过程中工艺参数对应力波传播特征的影响,以确定应力传感器的放置位置。本文采用有限元方法构建了铺丝过程热力耦合模型,分析了应力波特征参数与工艺参数之间的关系,并进行了实验验证。为了从微观能量角度解释工艺参数对应力波特征的影响规律,采用分子动力学方法,建立了预浸丝界面的分子模型,并计算出总能量、纤维表面能、基体内能等能量参数,识别和评价了不同工艺参数作用下的应力波驱动能量及其贡献比,以揭示工艺参数对应力波特征的能量作用机制。结果表明,以基体内能作为驱动能量的侧向应力波与工艺参数的关系明显,在不同工艺参数施载下,内部缺陷的形成对该波形的作用易于识别,该结论可作为应力传感器放置位置的参考依据。

太空历险记

现在是216世纪21524年5月30日上午9点42分。长官将我叫过来,对我说:“现任命你为宇宙探险小组组长,指挥飞船‘幽灵’号。”探险小组共有40人,包括15名探险队员、5名厨师、10名工程师和10名电脑专家。

变角度自动铺丝制造缺陷特性及影响因素的研究进展

自动铺丝作为一种先进的复合材料自动化成型技术被广泛应用于航空航天等领域,其中采用变角度自动铺丝能够提升航空航天结构件的设计空间,对于提高构件整体力学性能具有重要的意义。但目前该技术的加工工艺并不成熟且在成型过程中不可避免产生制造缺陷,对构件的力学性能带来不利的影响。针对变角度自动铺丝成型过程中的制造缺陷特性及其主要影响因素进行综述,介绍了自动铺丝的工作原理及变角度铺丝的优势,分析了褶皱、间隙和重叠缺陷的形成机制及其对变刚度层合板力学性能的影响,深入探讨了变角度铺丝制造缺陷的影响因素类型及作用机理,并论述了制造缺陷的抑制方法,最后总结了现阶段变角度自动铺丝技术存在的不足,并对该技术的未来研究趋势进行了展望。