含典型缺陷的风电塔筒环焊缝强度分析

气孔、夹渣、裂纹等缺陷在风电塔筒环焊缝缺陷中占比较高,严重影响风电塔筒的安全运行,因此对含典型缺陷的风电塔筒环焊缝进行强度分析具有重要的工程应用价值。以某2 MW风电塔筒为研究对象,采用规则的空心球体、半圆柱体、空心矩形对缺陷进行表征,基于子模型技术建立了含环焊缝缺陷的风电塔筒非线性有限元模型,并采用基于屈服强度的失效判据,对3种极限载荷工况下含不同类型、大小和位置的环焊缝缺陷进行了强度分析。研究表明:对于单个球形气孔缺陷,随着气孔半径从2 mm增加到8 mm,塔筒的环焊缝最大等效应力增大,且气孔越靠近风电塔筒内外表面,最大等效应力越大;对于裂纹缺陷,最大等效应力随着裂纹缺陷长度增大而增大,但当缺陷长度大于25 mm时,最大等效应力出现降低趋势。在Fxy,max工况下,超过屈服强度,影响风电塔筒的安全性,属于较为危险的缺陷形式,而该研究可以对实际含焊接缺陷的风电塔筒的安全性判定提供理论参考。

热处理对不同体积分数B_(4)C增强铝基复合材料组织和力学性能的影响

为了探究热处理对碳化硼颗粒增强铝基复合材料(B_(4)C/6061Al)性能的影响,课题组选择体积分数分别为10.0%,17.5%,25.0%和31.0%的B_(4)C增强铝基复合材料进行热处理(535℃保温5.0 h后温水淬,165℃时效4.5 h),采用扫描电子显微镜(SEM)观察复合材料的微观组织形态,并运用万能拉伸试验机测试其力学性能。研究结果表明:随着B_(4)C体积分数的增加,B_(4)C颗粒呈现聚集、破碎和剥落现象;热处理后的B_(4)C/6061Al复合材料的强度随着B_(4)C体积分数的增加而提升,延伸率随B_(4)C体积分数的增加则呈下降的趋势。B_(4)C体积分数为10.0%时,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别是220.8和246.0 MPa,延伸率为11.76%;当B_(4)C体积分数增加至31.0%时,复合材料的屈服强度和抗拉强度分别为330.2和358.3 MPa,延伸率为2.18%。热处理之后,复合材料发生了动态再结晶,B_(4)C增强颗粒周围出现高位错密度区域。

纱线间距对复合材料拉伸性能的影响

为研究纱线间距对编织复合材料拉伸性能的影响,课题组建立了4组纱线间距的芳纶纤维橡胶基复合材料单胞模型;并通过有限元软件对沿经(纬)纱和纤维束交织2种拉伸方向的单胞模型进行拉伸性能仿真分析。结果表明:随着纱线间距的增加基体和增强相的等效应力逐渐增大,且沿经(纬)纱方向拉伸的等效应力小于纤维束交织方向;通过均质化理论计算出复合材料等效弹性常数,弹性模量随着纱线间距的增加逐渐减小,经(纬)纱方向计算的弹性模量平均高出纤维束交织方向21%。

连续碳化硅纤维增强钛基(SiC_f/Ti)复合材料的制备技术及界面特性研究综述

连续碳化硅纤维(SiCf)由于具有比强度、比模量高,耐磨性、热稳定性好等性能优点,常作为增强体制备SiC纤维增强钛基复合材料。与钛合金基体相比,其具有密度更低、强度更高、疲劳蠕变性能大幅提升等优点,但横向性能却明显下降。因此,该类材料常被设计制作成单向增强性部件,广泛应用在航空航天等领域,如发动机的传动轴、整体叶环、盘类及风扇叶片等多种复合材料的结构件。碳化硅纤维增强钛基复合材料的性能主要由碳化硅纤维的性能、基体性能及纤维与基体之间的结合界面性能决定。目前批量生产的SiC纤维性能较差,界面结合状态与复合材料性能之间关系的研究开展较少,还不能为钛基复合材料构件设计提供足够的数据支持。因此,近年来研究者们主要从SiCf/Ti基复合材料力学行为的研究角度出发,探究不同基体及纤维类型、复合材料制备工艺方法、界面特性及产物对SiCf/Ti基复合材料界面结合力及破坏机制的影响,获得了大量有价值的数据,以期开发出成本低、产物稳定性好、可批量生产SiCf/Ti基复合材料的制造工艺方法。目前较为成熟的碳化硅纤维有英国DERA-Sigma公司提供的Sigma系列SiCf及美国Textron公司提供的SCS系列SiCf,后者强度最高达到6 200 MPa。SiCf/Ti基复合材料的制备工艺包括金属箔-纤维-金属箔工艺(FFF)、单层带工艺(MT)、基体-涂层纤维工艺(MCT)等,制备复合材料的工艺根据零部件的用途来定,FFF适用于制备板材等大尺寸构件,MCT适用于制备叶环、轴、管、叶片等复杂结构件。界面是增强体与基体之间的纽带和桥梁,界面结构设计、界面反应控制及反应产物均影响着界面的力学特性。在SiCf/Ti基复合材料的纤维和基体之间添加过渡层能够减缓它们之间的相互扩散及化学反应,过渡层选用反应层和惰性涂层组成的双层涂层较好。界面反应产物受涂层成分、基体组织、复合和热处理工艺、环境因素等的影响,增强纤维及基体性能、优选制备工艺、控制界面反应及产物有利于提高复合材料的力学性能。本文总结了连续SiC纤维(SiCf)增强钛基复合材料的应用研究现状,详述了SiCf/Ti基复合材料的钛合金基体材料、SiCf的种类及性能,SiCf与SiCf/Ti基复合材料的制备方法,分析了SiCf/Ti基复合材料界面结构设计及反应产物,阐明了界面力学特性与复合材料性能的关系,指出国内SiCf/Ti基复合材料发展的重点应放在高性能SiC纤维的研究与开发、界面层设计及界面与性能的关系以及复合材料分析检测手段三个方面,为SiCf/Ti基复合材料的制备及其今后的实际应用提供了参考。

WC/45钢复合材料的温压烧结工艺及其磨损性能

选取尺寸为0 076～0 100mm的WC颗粒为增强相,45钢为基体,系统地研究了粉末冶金真空烧结法制备颗粒增强钢基复合材料的温压烧结工艺,考察了常温压制烧结和温压烧结两种工艺条件下材料的滑动摩擦磨损性能.结果表明:对于50%WC+50%45钢(质量分数)粉末,采用硬脂酸锌作润滑剂,在压制温度为140℃、压力为320kN时,得到了较为理想的压坯密度(9 4362g/cm3),其相对密度达到91 6%,比常温压制的压坯密度(9 1292g/cm3)提高了3 4%.销盘磨损试验结果表明:温压试样的耐磨性分别是15Cr高铬铸铁的2 9倍,20Cr高铬铸铁的2 6倍,同样工艺条件下常温压制试样的2 8倍.通过扫描电镜分析了复合材料的磨损机理.

YL12/Cu/0Cr18Ni9Ti异种材料扩散连接接头微观分析

选取纯铜箔作过渡层,采用真空热压扩散工艺,在加热温度480～500℃、压力10MPa、真空度1.0×10^(-2)Pa工艺条件下,制备了变形铝合金LY12和不锈钢0Cr18Ni9Ti双金属复合材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、电子探针(EPMA)、X射线衍射(XRD)、显微硬度(HV)等测试分析方法对双金属复合材料的两个连接界面及基体进行组织及性能分析。结果表明:不锈钢—纯铜界面形成了宽为1.5μm的互扩散区,但其过渡区无金属间化合物生成;铝/铜界面生成了宽约35μm的扩散过渡区,过渡区的相组成为金属间化合物Al_4Cu_9,Al_2Cu。

扩散连接Al/Cu/0Cr18Ni9Ti复合材料界面生长机理研究

采用真空热压扩散连接法制备出冶金结合的钢铜铝复合材料,采用电解腐蚀法对所制备的复合材料从铜侧进行分层腐蚀,并结合扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和X射线衍射(XRD)对所腐蚀德连接界面的各个扩散层进行了形貌、成分、相分析。结果表明:铜/铝界面,从铜侧到铝侧以次为铝在铜中的固溶体,CugAl_4和CuAl2;不锈钢/铜界面为铜在不锈钢中的固溶体。研究得到了适用于本实验条件下的铝铜金属间化合物生长方式。

扩散连接Al/Ni/0Cr18Ni9Ti复合材料的界面组织

选取纯Ni箔作过渡层,采用真空热压扩散工艺,在加热温度480℃、压力10 MPa、真空度1.0×10-2Pa的工艺条件下,制备了变形铝合金2024和不锈钢0Cr18Ni9Ti双金属复合材料.利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪和显微硬度仪等测试分析方法,对双金属复合材料的2个连接界面及基体进行了组织、性能分析.结果表明:不锈钢/纯Ni界面形成了宽约8μm的互扩散区,但其过渡区无金属间化合物生成;Al/Ni界面生成了宽约4μm的扩散过渡区,过渡区的相组成为金属间化合物Al3Ni2、Al3Ni及Al3Ni5.

基于ANSYS的大型风力机塔筒的屈曲分析

以2.5 MW的大型风力机塔筒为研究对象,通过工程上的计算和有限元软件ANSYS Workbench的模拟分析,分析了塔筒在风轮、机舱、轮毂和自身重力下引起的塔筒屈曲问题,研究了塔筒底部门洞处有无门框对于塔筒结构屈曲的影响。结果表明:塔筒在理论计算下的轴向载荷是大于实际塔筒所受到的轴向载荷,且塔筒的屈曲强度和弯矩满足安全要求。塔筒底部门洞处加上门框对于门洞的临界载荷存在提升作用,为以后的塔筒设计和优化提供了一定的参考作用和理论依据。

置氢改性钛合金扩散连接机理研究

利用置氢技术改善TC4钛合金的扩散连接性,优化扩散连接工艺参数。在Gleeble1500D热模拟机上,采用固态置氢技术进行了不同氢含量的置氢TC4钛合金的真空扩散连接试验;采用扫描电镜对界面孔洞弥合率和界面组织形貌进行了分析。结果表明:由于氢的扩散系数大,可显著提高置氢TC4钛合金的扩散系数,降低α+β→β相转变温度,稳定合金中β相,促进晶界扩散,提高晶界活性,使材料热加工变形得到改善;当置氢钛合金中氢的质量分数为0.25%、扩散连接温度为840℃、压力为15 MPa、保温时间为60 min时,界面结合良好,此时焊接区无扩散孔洞,钛合金基体组织仍为等轴α+β双相组织,且晶粒无明显长大。

B4CP/6063Al板材等应变速率挤压模具优化

针对B4CP/6063Al基复合材料伸长率低、塑性变形困难的特点,设计出适用于B4CP/6063Al板材的等应变速率挤压模具。基于热压缩模拟试验结果建立材料的本构方程。利用Deform-3D软件对采用所设计的等应变速率挤压模具和传统挤压模具的挤压过程分别进行有限元模拟,对比研究了采用两种模具时挤压过程中的坯料应力场、温度场以及坯料流动性。结果表明:采用等应变速率挤压模具较传统挤压模具所需最大拉应力减小了28. 5%,坯料在模具出口处的温度升高了0. 6%,模具出口的金属流速均匀性提高了44%。模拟结果表明,等应变速率挤压模具较传统挤压模具,更利于B4CP/6063Al板材成形。

TP304H/T22异种钢焊接接头微观组织特性对焊缝失效的影响分析

异种钢焊接接头在锅炉再热器与过热器中具有广泛的应用,但长期服役于高压高温等工况易萌生裂纹导致早期失效。通过对某运行已超过20万小时的TP304H/T22异种钢焊接接头的焊缝、母材与垫板交界区域,近熔合线侧的热影响区及远离焊缝的母材区域的微观组织及裂纹萌生与扩展进行研究,考察分析接头裂纹区域与非裂纹区域的组织特征对焊缝失效的影响。结果表明:焊缝、母材及垫板三者的交界处的微观晶粒分布密集呈无规则排列且随着服役时间的增长存在明显的粗化现象,导致该区域易萌生裂纹并扩展延伸;非裂纹区域的显微组织结构排列均匀有序并存有大量孪晶,钢材热稳定性提高,不易产生裂纹。本研究能够为开发高性能异种钢焊接接头工艺以及现有焊接接头性能检测和维护提供研究基础。

连续碳纤维增强金属基复合材料研究进展及展望

连续碳纤维增强金属基复合材料具有轻质、高比强度、高比模量、耐腐蚀、抗拉伸等优良的综合性能,在新材料领域发展迅速,应用广阔。本文对连续碳纤维增强镁基、铝基、镍基、铜基复合材料的研究进展进行了综述,指出了目前各自存在的最主要问题是界面问题并对关键技术难点给出相应的研究思路,如可以从纤维涂层研究、纤维与基体界面反应等方面入手,以及加强该领域复合材料损伤机理研究。提出激光增材制造连续碳纤维增强金属基复合材料的工艺新思路,并进行了工艺研究现状论述和初步实验探索。最后指出先进制造技术对比传统工艺,在降低复合材料制备成本、改善界面强度、增加零件结构复杂度方面具有优势。

热处理对Fe-B-C合金显微组织和性能的影响

研究含1.4%-2.0%B和0.4%-0.6%C的Fe-B-C合金凝固过程和凝固组织以及不同淬火加热温度下的显微组织、力学性能和耐磨性的变化规律。结果表明，Fe-B-C合金凝固组织由Fe2B、Fe3（C, B）和Fe23（C, B）6等硼化物及马氏体、珠光体和铁素体等金属基体组成。淬火后硼化物局部断网且无硼化物新相出现，基体全部转变成马氏体，硬度大于55 HRC。随淬火温度升高，Fe-B-C合金硬度增加，冲击韧性变化不明显。Fe-B-C合金在静载销盘磨损和动载冲击磨损条件下，都具有优异的耐磨性。

基于主动视觉的测量装置精度校准方法

针对工业在线监测对测量装置精度及稳定性的要求,对视觉测量装置精度校准及维护方法进行研究。分析透视原理下引入图像畸变的测量装置成像模型,推导测量装置相对基准激光做直线运动时光斑在畸变图像中的轨迹方程,提出一种基于主动视觉的测量装置精度校准方法:首先,通过控制测量装置做二维平移运动得到校准所需的特征点信息;接着,利用光斑的畸变轨迹方程求解测量图像的畸变系数并对图像进行畸变校正;最后,求解图像平面到被测平面的单应性矩阵从而完成精度校准。对特征点的布置方式进行优化。研究结果表明:校准后的定位测量峰值误差为0.373像素,均方根误差为0.178像素。该方法精度较高且易于实施,能满足工业在线检测的要求。

复杂工业环境下激光束中心快速精确定位方法

针对工业现场在线检测对计算机视觉算法稳定性、实时性、精度和抗干扰能力的要求,结合两万吨挤压机活动部件五自由度实时监测系统的具体情况,在现有方法的基础上,提出了一种复杂工业环境下激光束中心快速精确定位方法.首先,在图像预处理的基础上通过Canny算法实现图像边缘二值化,并对得到边缘进行筛选,剔除不符合光斑轮廓特征的边缘.接着,采用一种改进的快速Hough变换初步确定激光光斑的大致位置和半径,依据Hough变换计算结果设置光斑有效区域,在有效区域内通过最小二乘法椭圆拟合得到亚像素精度的激光束中心坐标.实验研究表明,该方法在存在噪声的环境下单次检测时间小于50ms,精度达0.15像素(pixel).可在较强干扰下实现激光束中心的精确定位,与传统方法相比,精度高,实时性好,适应性强.

应力释放扁挤压筒的优化设计

利用材料力学中的力线平移定理并结合有限元方法,综合分析了扁挤压筒优化设计中孔型、层间过盈量、层厚等结构优化参数对扁挤压筒应力分布的影响;提出了一种扁挤压筒内应力分布优化的新方法,可应用于一般扁挤压筒的设计;通过分析扁挤压筒的内应力分布情况,提出了一种应力释放扁挤压筒新结构。通过有限元模拟分析验证,得到了较为合理的扁挤压筒新结构的外套宽度和层间过盈量,可使扁挤压筒应力峰值降低5%以上,从而可提高扁挤压筒的使用寿命。此项研究可为优化扁挤压筒结构及装配提供参考。

两层扁挤压筒结构设计

扁挤压筒是挤压大型扁宽薄壁型材的一种非常有效的工具.由于扁挤压筒的挤压环境恶劣,应力分布集中,容易开裂.为了提高扁筒的工作可靠性,运用ANSYS有限元分析软件对扁挤压筒进行应力应变分析和结构设计.结果表明,当双层扁挤压筒装配过盈量在2.75‰~3‰内取值,内孔应力值分布最佳;内孔椭圆度e=1.10~1.20时,不仅可以降低应力集中,而且内孔应力分布更均匀.扁挤压筒的结构设计改善了扁挤压筒应力集中状况,能为实际工程问题中研究扁挤压筒的应力应变提供技术依据.

有机载体对石墨烯-铜复合浆料性能的影响

为提高铜浆的导电性,选用松油醇-乙基纤维素系列有机载体,粒径为10μm的铜粉为主导电相,添加少量石墨烯为导电增强相,熔点为430℃的玻璃粉为粘结剂,按一定质量分数配合比混合制备石墨烯-铜复合浆料。并利用四探针测试仪、扫描电子显微镜(SEM)等分析测试研究有机载体对石墨烯-铜复合浆料性能的影响。结果表明:乙基纤维素、松油醇、消泡剂、硅烷偶联剂、乙酸乙酯的质量分数配合比为4.75∶82.18∶2.57∶5.37∶5.13条件下制得的有机载体性能较好;有机载体用量为20%(wt,质量分数)条件下,制得的石墨烯-铜复合浆料在丝网印刷过程中能够获得平整的印刷结构,具有较小的电阻率,为17.14mΩ·cm;添加少量石墨烯后复合铜浆电阻率比纯铜浆料降低了50.22%。

烧结温度对铜复合电子浆料烧结膜组织和性能的影响

烧结温度和玻璃粉熔点对铜复合电子浆料烧结膜的性能有重要影响。本文选用熔点为430℃的玻璃粉作为复合电子浆料的粘结相,采用四探针测试仪、扫描电镜(SEM)等方法研究了不同烧结温度下导电铜膜的电阻率及其微观结构。结果表明460℃烧结时,玻璃液粘度适中,能完全润湿、包覆铜粉,且铜粉能均匀悬浮在玻璃液中,制得的导电膜平整、致密,导电通道多,因而导电性能较好,同时玻璃液凝固、收缩使膜层与基体之间获得良好的附着力和抗老化性能。