基于数字图像相关的切削加工剪切区应变率监测调控研究

切削加工是航空制造领域主要加工方式之一,切削过程应变与应变率对切屑生成和加工表面质量有较大的影响,监测和调控切削过程应变与应变率是研究切削机理和实现加工过程控制的直接方法之一。本文开发了一套切削过程剪切区应变率监测调控软硬件系统,搭建了正交切削原位成像平台,获取切削过程剪切区显微照片,编写了多线程加速的全局数字图像相关算法,实现对正交切削过程的同步图像分析和剪切区应变率计算;建立了一套由计算机控制数控车床主轴的调速系统,根据测量应变率与目标应变率的大小关系实时调节主轴倍率。开展了两组正交切削试验,试验结果表明,所搭建的试验系统可以实现对剪切区的应变率监测与调控,调控后剪切区应变率与目标值偏差小于10%,与理论预测值相比误差小于23%。

高速切削淬硬钢主剪切区绝热剪切失稳微观机理研究

使用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对高速切削淬硬30CrNi3MoV高强度钢形成的锯齿状切屑主剪切区内材料微观特征进行了观察,并对绝热剪切失稳的微观机理进行了分析.微观观察和分析结果表明,绝热剪切带中心由平均直径0.4～0.6μm的细小等轴晶粒组成,过渡区内为碎化并沿剪切方向拉长的马氏体板条组织.锯齿状切屑的形成应归因于主剪切区材料绝热剪切失稳的发生,在此过程中,动态回复和再结晶成为微结构演化的主要冶金过程,绝热温升起到了关键作用.等轴晶组织的形成机制为旋转式动态再结晶.

切削过程中剪切区微观组织演化的预测模型

金属切削过程中强烈的热力载荷会引起切屑内微观组织的变化。为了反映材料微观组织对剪切区力学行为的影响,提出了一种基于位错密度的剪切区微观组织演化解析模型,对切屑形成过程中塑性变形引起的微观组织演化过程进行了建模。首先,使用非等距剪切区解析模型计算出剪切区应变和应变率的分布;然后,用基于位错密度的材料模型替换Johnson-Cook流动应力模型,迭代计算剪切区温度场;最后,模拟出直角切削无氧铜、铝合金的剪切区位错密度和晶粒尺寸的演化过程。结果表明,结合位错密度建立的剪切区微观演化解析模型可较好地反映切削过程中变形场和微观组织演化的基本特征,在不同切削参数下的切削力和切屑内晶粒尺寸预测值与实验数据具有较好的一致性。

表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主剪切区的温度却因单位时间内被切材料的剪切滑移率增大而小幅增加。本研究为清晰织构刀具的切削机理奠定了理论及技术基础。

有限元分析建模和模拟金属切削时剪切区切屑形成

使用有限元分析，对金属切削过程听切屑形成和剪切区的现象，进行了建模和分析，在本研究中，使用了修正后的平面变条件的拉格朗日公式，应用应变硬化、热软化模型，模拟剪切区的切屑形成。用有限元模型，预断了切屑形成，剪切带，切削力，刀具前对剪切角和切削力的影响，最大剪切应力和塑性应变及有效应在刀具前面上的分布，也 由于材料剪不稳定性，前切带的开始和扩展。使用ＦＥＡ，预断和比较了金属切削中。

局部高剪切区中小尺度扰动的混沌行为

目的 研究空间局部高剪切区中小尺度扰动随机化的物理机制 .方法 对小尺度运动四波相互作用模型进行数值分析 .结果 在速度剪切度增大到一定程度时 ,将会出现小尺度扰动的混沌行为 ,它导致局部高剪切区中湍斑的产生 .结论 小尺度扰动的混沌行为具有与大尺度运动不同的新机制 .在包含角动量平衡方程的新的流体力学方程组的基础上 。

一种基于自定义剪切区集合的MFC程序GDI绘图优化方法

传统MFC程序GDI绘图仅考虑屏幕刷新闪烁的优化,而对于绘图内容本身的优化考虑有限。常规应用下,GDI绘图本身确实不会成为程序的性能瓶颈,但在高分辨率、复杂画面的绘制显示时,这个问题就不得不考虑了。通常我们会使用系统剪切区进行优化控制,但是实际应用发现当分辨率或者画面复杂度大于一定程度后,该优化的性能提升有限。鉴于此,提出了一种简单可行的基于自定义剪切区集合判断的MFC程序GDI绘图优化方法,可以有效解决高分辨率、复杂画面的GDI绘图性能问题。

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明:剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。

土工合成材料加筋边坡剪切屈服区特性和破坏模式

用有限元分析方法模拟筋材与土的相互作用,分析加筋边坡的稳定性,研究边坡加筋后剪切屈服区特性和破坏模式的变化,以及加筋层数和筋材拉伸模量的影响。结果表明,加筋后边坡的剪切屈服区和破坏模式发生改变,筋材拉伸模量和加筋密度不同,加筋边坡的破坏形态也不相同。筋材拉伸模量过低时,加筋边坡的剪切屈服区与素土边坡接近,加筋的稳定效果不明显,即便增大加筋密度对边坡安全系数的提高也不大;随着筋材拉伸模量增大,加筋的稳定作用增强,且随加筋层数增加,边坡的剪切屈服区宽度增宽,并向边坡内部和基础发展;对于加筋密度相同的加筋边坡,随着筋材拉伸模量的增大,边坡将呈现三种典型的破坏模式。

基于原子体积场拉普拉斯算子对金属玻璃剪切转变区的预测

剪切转变区(shear transformation zone,STZ)作为金属玻璃塑性事件的一个基本特征单元,已被研究者们逐渐接受,但STZ产生的机制和来源仍具争议.本文采用分子模拟方法对Cu64Zr36金属玻璃在受简单剪切加载时的变形行为展开了研究.结果表明,体系的初始构型与加载后STZ的产生是相关的.虽然原子体积场及其梯度可以用来有效表征金属玻璃中局部原子构型的非均匀性,但它们与STZ产生的区域没有直接明显的对应关系.基于此,提出一个新的局域结构参数ξ来用于金属玻璃中STZ产生区域的预测,它由两部分构成:原子体积场的拉普拉斯算子和体积场梯度分量的绝对差值.原子体积场的拉普拉斯算子为负且绝对值较大时,体积场梯度向量呈现向内指的分布特征,代表体系中的局域软区;而体积场梯度分量的绝对差值则用于遴选体积场梯度不同的分布模式.进一步地,建立了该结构参数与非仿射位移和剪切局部化三者关系,发现特定的体积场梯度向量分布模式,将导致局部剪切增强的非仿射位移场,从而更容易诱发STZ的形成.相关性分析表明,该参数与STZ区域平均相关性高于78%,因此,该参数能有效用于金属玻璃剪切转变区的预测,且运用拉普拉斯算子的思想有望应用于金属玻璃力学行为的理论分析.

剪切转换区模型探究二维非晶合金的准静态剪切应变

非晶固体不同于晶体材料中的位错滑移,在应力加载下是通过局部原子的重新排列来适应剪切应变的。剪切转变区(shear transformation zone,STZ)模型是一种被广泛接受的,用来描述非晶固体原子局部重排机制的理论模型。由于缺乏实验来验证STZ模型与宏观剪切带的产生有可靠的相关性,为此使用分子动力学方法对多种组分的CuZr合金进行剪切实验,并采用简化的二维STZ模型对实验的结果进行分析,以验证该模型在实验中的可靠性。实验结果发现随着应变的增加,STZ模型中T1-event的数目与应力的大小具有很强的负相关性,同时在实际发生塑性应变的微观过程中,STZ发生T1-event的时间会略微早于应力的变化,但最多不会超过每个T1-event过程所经历的时间的一半。实验表明STZ模型可以很好的解释非晶固体剪切带的产生。

TA15钛合金低温力学性能及J-C本构模型的研究

超低温加工技术可以有效改善钛合金加工过程中存在的切削温度高、加工质量差等问题,然而,钛合金低温本构模型的缺失制约了钛合金超低温加工技术的进一步发展。以TA15钛合金为研究对象进行低温静态拉伸试验,分析了TA15合金的低温力学性能,构建了钛合金低温本构模型,并基于不等分剪切区理论验证了本构模型的准确性。试验结果表明,在低温条件下,TA15钛合金的强度提高,延伸率和塑性降低,在-196℃时材料强化阶段明显缩短;将本构模型计算获得的切削力与试验获得的切削力对比研究发现,主切削力最大误差为22.34%,最小误差为0.48%,进给力最大误差为26.32%,最小误差为1.43%。修正后的Johnson-Cook本构模型具有较高的准确性,可以为钛合金超低温加工机理的研究提供参考和指导。

准静态和动态加载TA2工业纯钛受迫剪切破坏演化

采用扁平闭合帽形试样,利用材料试验机(MTS)和分离式霍普金森压杆(SHPR)作为加载手段,结合数字图像相关法(DIC)和金相分析,研究准静态和动态加载下帽型试样发生受迫剪切的破坏特征和力学响应。结果表明:准静态加载下失效由塑性损伤累积导致的裂纹形成并扩展引起;动态加载下,失效模式为绝热剪切失效。准静态加载下,剪切变形区始终保持一定宽度;而动态加载下,剪切区宽度逐渐减小,直到高度局部化的绝热剪切带形成,且准静态加载剪切区宽度明显大于动态加载剪切宽度。

负倒棱刀具的直角切削热—力耦合建模与分析

根据切削过程中材料的塑性流动状态和刀—屑的摩擦特性,将不等分剪切区理论与Oxley的滑移线模型相结合,提出负倒棱刀具直角切削热—力耦合模型。该模型主要包括主剪切区和倒棱变形区,基于Johnson-Cook材料本构模型建立了流动应力、剪切角、摩擦角和切削温度的控制方程,主切削力Fc和进给力F_f分别计算为主剪切区和倒棱变形区上沿切削速度方向和垂直于切削速度方向上分量之和。对比验证提出的预测模型实验和有限元仿真结果,发现其相对误差在15%以内,并分析了负倒棱参数对切削力的影响,该研究结果可以为负倒棱刀具结构参数优化和切削性能影响分析提供参考。

海底水平管线回流区水流特性研究

针对管线绕流剪切层区的水流特征,利用射流分析的类似方法,通过简化控制方程,从理论上探讨了剪切层区的时均速度分布规律。物理试验中采用ADV测速仪对回流区流场进行了测量,对各流区流速和紊动强度变化趋势进行了讨论,并将试验结果与理论推导进行对比,二者基本吻合,为进一步研究海底管线防护措施提供了理论依据。

重力方法研究河南区域构造及控煤作用

河南地区存在三个明显的重力异常区,与其区内三个次一级的构造分区相一致,其重力异常曲线的挤压扭曲特征、剪切平移特征、张性舒展特征分别对应构造挤压变形机制、平移剪切机制及变形拉张机制。这些变形受印支、燕山及喜马拉雅期三大构造运动控制,其中印支期剥蚀及沉降程度是构成现今煤层埋藏条件的重要因素,燕山期形成河南煤田的逆冲推覆型控煤构造,喜马拉雅期构造运动,最终确立了河南煤系的展布范围及赋存状态,这表明控煤模式是构造运动的结果。

飞剪速度基准的研究

给出了飞剪在启动加速阶段、剪切的匀速运动阶段以及剪切完后返回的定位阶段,速度的原基准与飞剪的速度实际基准之间的关系·速度的原基准与速度实际基准之间的关系决定了飞剪的剪切精度、定位的准确度以及轧件的端面的平滑等技术指标·这种关系由计算机运算与输出,并在钢厂得以成功应用·实践证明,由这种算法得出的飞剪速度实际基准容易由计算机实现且是准确的·

非晶态合金的零件成形加工技术与形变机理分析

简述了新型工程材料——非晶态合金独特的长程无序、短程有序的微观结构,以及由此带来的有重要应用价值的力学、物理及化学性能和成形加工上的难度,在此基础上系统地综述了现阶段国内外四类主要的非晶态合金零件成形加工技术即切削加工、特种加工、超塑性加工及焊接拼合的特点及现状;阐述了非晶态合金的重要的结构特征——自由体积的概念和作用;从局部剪切带、牛顿黏性流动以及原子跃迁的角度分析了非晶态合金加工过程中的形变物理机制;最后从工程应用的角度指出了非晶态合金加工研究今后需要解决的技术问题。

芯轴导向结构对薄壁管轴向剪切加载的影响

剪切实验过程中保持试件测试剪切面的稳定性是获得具有实用价值剪切实验数据的关键,管材轴向剪切实验中施加剪切力的半芯轴结构形式是管材试件能否处于最佳剪切状态的重要影响因素。针对外径为Φ50 mm、壁厚为1.2 mm的5052薄壁铝合金管材开展了轴向剪切加载研究,对比分析了有无导向结构的管材轴向剪切装置对剪切区应力状态的影响。采用数字视觉采集系统测量了剪切区的应变分布,结果显示轴向剪切试件在剪切区中心点的剪应变最小,并向剪切区两端逐渐增大。增加导向结构后,剪切区宽度减小,变形更集中地发生在预设剪切面,剪切区端部与中心点的差值减小,提高了剪应变分布的均匀性与剪切力学性能的测试精度。