TC4钛合金纵扭超声磨削力热耦合模型及其试验研究

为探究TC4钛合金纵扭超声磨削过程中的力热耦合机理,基于TC4钛合金纵扭超声磨削的磨削力模型、工件表面平均温度模型、质量热容计算表达式建立了其力热耦合模型,并对力热耦合作用下TC4钛合金纵扭超声单颗磨粒去除过程进行有限元仿真,分析磨削力、磨削温度的相互影响特性。理论与仿真研究发现,磨削区剧烈的温升会降低钛合金抵抗塑性变形的能力,抑制磨削力的增长速率。最后通过TC4钛合金纵扭超声磨削试验进行验证,结果表明,纵扭超声的引入能明显降低磨削力和磨削温度,磨削力和磨削温度的降低幅度分别达到19.39%和12.41%;磨削温度随着磨削深度、砂轮转速和工件进给速度的增大而升高,且随着磨削温度的升高磨削力增长趋势变缓;磨削力和磨削热的减小使工件表面塑性变形和犁沟两侧的塑性隆起高度减小;与普通CBN磨削相比,纵扭超声的引入对表面粗糙度的降低幅度可达到31.21%,在一定范围内增大超声振幅能显著提高加工表面的质量。

力热耦合作用下煤岩吸附及渗透特性的试验研究

利用等温吸附试验仪器与含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为模拟深部煤层瓦斯开采过程,分别进行不同温度下等温吸附试验与孔隙压力升高的渗流试验,建立考虑过剩吸附量修正的吸附模型并修正吸附膨胀模型,探究力热耦合作用下煤岩吸附与渗流变化规律。结果表明:瓦斯吸附量在不同温度下随瓦斯压力升高均呈增大趋势,随温度升高吸附量逐渐降低。在高压下需考虑过剩吸附量造成的误差,修正的Langmuir模型比原模型计算结果精度更高;建立了考虑温度与过剩吸附量修正的吸附变形模型与吸附膨胀模型,煤岩吸附应变随孔隙压力升高而减小,且温度越高应变变化量越小。随孔隙压力升高,煤岩渗透率及吸附膨胀与滑脱效应导致的渗透率变化量均呈下降的趋势,且随温度升高3者逐渐增加;吸附膨胀是引起煤岩渗透率减小的主要因素,吸附膨胀与滑脱效应对渗透率的贡献率随孔隙压力升高逐渐下降,其贡献率均随温度升高逐渐增加。

力热耦合条件下煤岩渗透率模型研究

为研究随采深增加煤岩的渗流变化趋势,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,进行不同温度下孔隙压力改变的渗流试验,建立力热耦合作用下考虑滑脱效应的煤岩渗透率模型,采用试验数据验证模型的有效性。研究结果表明:在孔隙压力增大过程中,瓦斯流量逐渐增加,随温度升高体积应变、径向应变均呈降低趋势,轴向应变呈先降低后升高趋势;随孔隙压力增大,煤岩渗透率先逐渐减小后趋于平缓,且随温度升高,煤岩渗透率呈增大趋势;考虑力热耦合作用下煤岩渗透率模型计算出的渗透率与试验所测结果吻合较好;在低孔隙压力下滑脱效应较明显,随着孔隙压力增大,滑脱效应逐渐减弱。

3D力热耦合磨齿模型与数值分析

根据螺旋锥齿轮的数控磨齿原理,得出磨齿基本参数的理论模型和物理意义上的磨削力计算公式;应用单磨粒热模型计算了磨齿热量分配比,采用矩形分布热源得出磨齿热流量。以热弹塑性变形理论为基础,采用PRANDTL-REUSS方法建立磨齿界面应力应变场本构关系:齿轮材料采用双线性等向强化模型,用3D力热耦合有限元单齿模型和小步距载荷移动方法,实例进行瞬态温度场的仿真。结果表明,磨削瞬态最高温度位于磨削弧中心,其他各点的瞬态温度,随磨削条件、空间和时间等影响因素的不同,呈现相应的变化规律。试验与力热耦合仿真的数值比较分析表明,构造的3D力热耦合磨齿模型有较高的精度,能为螺旋锥齿轮磨齿质量的控制提供依据。

基于力热耦合作用的磨齿残余应力研究

根据磨齿残余应力的产生机理,运用热弹塑性理论,得出了影响螺旋锥齿轮磨齿残余应力的磨齿基本参数、磨削力和磨齿热等特征参量的数学模型。在单齿3D有限元模型基础上,磨削力的处理采用小步距移动法,力热耦合运用间接法,对螺旋锥齿轮进行了磨齿残余应力的有限元模拟与分析。结果表明:磨削后的螺旋锥齿轮齿面呈现残余压应力,里层为残余拉应力,其大小随磨削条件和磨削用量等因素的不同,呈现一定的变化规律;磨齿残余应力随磨削深度和砂轮速度的增大而增大,而随展成速度的增大而减小;湿磨比干磨可明显减小磨齿残余应力。最后,试验验证了力热耦合有限元分析螺旋锥齿轮磨齿残余应力的有效性,并与直齿圆柱齿轮的磨齿残余应力进行了试验对比分析。研究结果为螺旋锥齿轮磨齿质量的控制提供了依据。

力热耦合作用下煤岩损伤的能量特征

为有效预防煤岩动力灾害发生,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置,开展不同温度下三轴压缩试验。基于统计损伤力学理论,得到温度荷载下煤岩的整体损伤演化方程,推导煤岩变形破坏过程中的能量数学表达式,并通过引入耗散能系数,提出力热耦合下煤岩破坏点的确定方法。研究结果表明:不同温度下煤岩变形破坏过程的阶段特征基本相似,对应煤岩不同的变形破坏阶段,能量演化特征呈现阶段性变化;总能量的分配在变形破坏过程中基本不受温度的影响,不同温度下弹性能占比和耗散能占比的演化规律具有较大的相似性;能量的耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,伴随着能量不断耗散煤岩的整体损伤变量总体上呈幂函数增长。

基于力热耦合材料模型的Steven试验数值模拟方法

在力热耦合材料模型中,增加炸药自热放能模型,建立了Steven试验的力-热-化耦合的数值模拟方法。数值计算模型中,应力应变关系采用双线性硬化弹塑性模型,炸药受力后的热作用采用各向同性热材料模型,炸药的化学反应采用Arrhenius反应率函数,同时还考虑了升温和熔化对材料力学、热学性能的影响。针对标准Steven试验,通过数值分析得到了靶板的变形情况和炸药点火的速度阈值,将计算结果与实验数据进行了比较,两者符合较好。表明该方法可以较好地模拟Steven试验,而且与以往的分析模型和方法相比,本文的方法不需要增加经验性的点火准则和判据,具有更广泛的适用性,可以为研究低速撞击条件下炸药的力热响应和局域化点火问题提供参考。

力热耦合作用下煤岩损伤演化规律及渗透率模型研究

为探究深部煤体开挖中的损伤演化规律和瓦斯渗流特性,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置和HCA型高压容量法吸附装置,分别开展了不同温度下煤岩三轴渗流试验和等温吸附试验,建立了力热耦合条件下煤岩损伤本构模型及考虑热损伤和吸附效应的煤岩渗透率模型。结果表明:1)煤岩变形可分为压密、线弹性、屈服和破坏后阶段,煤岩峰值强度随温度升高而降低,其峰后渗透率随温度升高而增大;2)煤岩损伤分为热损伤和力损伤,热损伤DT随温度升高而增大,建立的煤岩损伤本构模型能精确匹配不同温度下的全应力-应变曲线;3)基于分段和对称函数的数学思想,提出了修正因子L的概念,建立了考虑热损伤及吸附效应的渗透率模型,试验验证了其合理性,可表征不同温度下的渗透率演化特征。

双头单螺杆泵衬套力热耦合模拟研究

运用有限元方法对三种线型的双头单螺杆泵衬套进行力热耦合模拟研究。给出了在额定工况下,螺杆泵衬套温度场分布云图。揭示了螺杆泵衬套的温度分布规律,弥补了螺杆泵衬套温度场难以测量的问题。为双头单螺杆泵衬套的热分析、型线选择、性能优化等提供参考依据。

双头单螺杆泵衬套力热耦合模拟研究

针对双头单螺杆泵在工作过程中,还没有能够直接对井下工况衬套橡胶的温度场分布等进行有效的测试,定子衬套又容易实效、衬套型线对螺杆泵工作性能影响很大的现状,对双头单螺杆泵衬套进行计算机仿真模拟研究则是一个尝试。鉴于双头单螺杆泵衬套的特殊形状将三维模型合理简化为平面应变模型进行模拟研究。运用有限元方法对三种线型的双头单螺杆泵衬套进行力热耦合模拟研究。给出了在额定工况下,螺杆泵衬套温度场分布云图。揭示了螺杆泵衬套的温度分布规律,弥补了螺杆泵衬套温度场难以测量的问题。为双头单螺杆泵衬套的热分析、型线选择、性能优化等提供参考依据。

煤岩力热耦合渗流特性实验装置开发与应用

为深入研究多因素综合作用时煤岩瓦斯渗流规律,自主研制了煤岩力热耦合渗流特性实验装置。实验装置优势明显:可在模拟煤储层原位地质条件下,开展温度、含水率、地应力及注气压力多因素耦合作用下的煤岩瓦斯渗流特性实验,且回压控制系统的设计保证了煤岩渗流特性实验与煤矿现场实际情况相符。同时,利用实验装置进行了多因素综合作用下的瓦斯渗流特性实验研究。结果表明:恒定温度、注气压力条件下,随加载应力的增大,煤样渗透率大幅下降,但加载应力增幅相同时,渗透率下降幅度明显变小;煤样渗透率随含水率的增加逐渐减小,但减小趋势逐渐减缓,且两者符合负相关关系变化规律。

高速铣削淬硬钢的刀具破损试验及其力热耦合特性分析

针对高速铣削淬硬钢的刀具破损问题，进行了硬质合金立铣刀高速铣削TIO淬硬模具钢的破损试验，通过观察发现刀具的破损形态为崩刃，并对刀具的破损机理进行了初步讨论。建立了刀具切削过程的力热耦合方程，分析了切削力、切削热和力热耦合对刀具的影响，详细讨论了力、热单一物理场及其耦合场对刀具结构及刀具破损的作用机理。分析结果表明，刀具失效机理为力冲击引起的破损失效，切削力是造成刀具破损的主要因素；机械应力的数值远远大于热应力数值，热力耦合的综合应力稍大于机械应力；机械变形、热变形和综合变形的数值接近；力热耦合作用下，存在复杂的应力和变形机理，综合应力与变形是拉应力、压应力等各种因素耦合作用的结果。

面齿轮磨削齿面力热耦合及残余应力研究

根据面齿轮磨削残余应力的产生机理和Prandtl-Reuss方法,建立磨削表层热弹塑性力学本构关系;基于面齿轮磨削方法和Gleason接触原理,得出碟形砂轮磨削点接触椭圆方程参数、磨削力和磨削热流量的数学模型。构建面齿轮磨削单齿3D有限元模型,采用小步距移动法模拟磨削载荷的移动,仿真磨削温度场,得到磨削瞬态最高温度位于磨削接触弧中心区域。采用力热耦合间接法仿真分析了磨削表层残余应力,得出磨削齿面上为残余压应力,齿面里层为残余拉应力;随磨削深度和砂轮速度增大,齿面残余应力增加显著;但随展成速度增大,齿面残余应力增幅减小。采用X射线衍射法实验,对比分析了面齿轮磨削表层残余应力的实测值与仿真值,其相对误差最大值17.8%在精度控制范围内,说明力热耦合有限元分析残余应力有效,为改善面齿轮磨削质量提供了依据。

TiNi单晶形状记忆合金力热耦合实验分析

本文通过对改进技术研制的Ti-50.0at%Ni单晶形状记忆合金进行力热耦合实验,得到不同温度下的宏观应力应变曲线,探讨了温度对马氏体相变特性的影响规律,分析了此材料的形状记忆性、超弹性能等一系列力学性能,从而对它的力学特性有了更深入全面的了解。由此发现,此TiNi单晶具有非常好的形状记忆性能,其最大可恢复应变高达10.83%,达到理论计算值。而由于强化机制的减弱,其塑性变形屈服强度较低,只呈现部分超弹性。

基于温度/变形场耦合测试的热屈曲行为研究

高速飞行器在服役期间面临着严酷的高温环境,引起飞行器薄壁结构屈曲失稳,从而严重影响飞行器结构的完整性和可靠性。本文开展瞬态热环境下薄壁结构热屈曲行为的试验研究,首先,结合红外测温和数字图像相关方法,建立温度/变形耦合测试方法,根据温度场分布及热膨胀系数除去虚应变,获得了机械热应变,并利用此方法研究了典型薄壁结构热屈曲行为特点;随后,把温度/变形耦合测试方法的精度与中温应变片进行了比对,验证了此测试方法的有效性;最后,通过位移随温度变化曲线和应变随温度变化曲线研究热屈曲临界温度判定方法,为航天飞行器薄壁结构抗屈曲性能设计以及航天飞行器结构的强度设计提供技术支撑。

基于力-热耦合的三面刃铣刀三维铣削仿真分析

三面刃铣刀是一种广泛用于铣削金属、非金属以及难加工材料的沟槽面和台阶面的标准刀具。本文采用三维拟实的三面刃铣刀模拟铣削加工过程,得出铣刀应力与其工艺参数的关系,以此分析铣刀的破损。首先,考虑到铣削过程中温度场对刀具破损的重要影响,建立并实现了基于瞬态温度-位移耦合的综合力-热应力分析,实现对铣刀刀刃易破损部位的预测。再通过多次仿真试验,得到了刀尖切出应力随铣削参数的变化趋势,并据此给出提高铣刀寿命的建议。最后通过不同切削参数组合下工件表面变形量的有限元预测值与试验对照,验证了模型的真实可靠性。

弧齿锥齿轮复合磨粒磨削性能仿真与分析

弧齿锥齿轮的磨削加工是非线性和动态的复杂过程,利用有限元法仿真磨削过程对探究弧齿锥齿轮复杂磨削机理具有重要意义。基于Johnson-Cook力-热耦合材料本构方程,建立复合磨粒磨削有限元仿真模型,对比分析在不同磨削速度、磨削深度及磨粒间距时齿面温度场、磨削力和磨粒磨损的变化情况,并通过实验验证了模拟的结果。研究结果表明:影响磨削表面性能的最主要因素是磨削深度,复合磨粒干涉作用对齿面温度场的影响及产生的磨削振动是不可忽视的,这为弧齿锥齿轮磨削表面性能研究和实际加工提供了理论指导。

双波段共口径成像系统光机设计与分析

为了克服机载光电有效载荷(可见光摄像机和红外热像仪)各自独立、焦距过短的缺点,着重对可见光/红外共口径系统关键技术进行了研究。采用可见光、中波红外双波段共用主次镜的光学结构,可见光和红外焦距分别为1 500 mm和750 mm。选用合适的光学材料、合理的支撑方式,对系统反射镜支撑组件进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式。采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化光机系统设计过程,提高结构固有频率,增强系统热稳定性适应范围。系统结构设计基频大于200 Hz,在±5℃均匀温变工况和重力作用下,反射镜面形PV值小于λ/10,RMS值小于λ/40,光学系统传递函数(MTF)达到0.38。结果表明,采用该方法设计的光机结构固有频率高,重力及热耦合变形、抗振性能等方面均能满足要求,系统具有良好的成像质量。

钛合金复合深孔高效精密加工工艺研究

为实现大长径比小直径钛合金复合阶梯深孔的高效精密加工,设计专用枪钻,建立了枪钻的力热耦合模型,对枪钻加工过程进行力热耦合仿真分析,以仿真结果作为参考和依据,设计了复合阶梯深孔加工工艺,选取合适的加工参数,并进行了加工试验,对加工后试件进行抽检,加工精度符合图纸要求,形成了面向该类钛合金复合深孔高效加工的工艺规范。

一体化防热系统应用进展

回顾了高速飞行器防热系统的发展历程,阐释了一体化防热系统(Integrated Thermal Protection System,ITPS)的概念与特点,总结了ITPS结构设计的基本原则,探讨了ITPS的发展方向。