SiCp/Al复合材料在常规与超声振动辅助条件的切削过程和表面形成的有限元分析

SiCp/Al复合材料是一种典型的难加工的材料,由于其基体中颗粒增强导致常规切削中加工质量差、切削阻力高、加工损伤高,机械加工性差,常规切削已不能满足加工要求。通过切削仿真,对比分析常规与超声振动辅助切削条件下复合材料的切削过程、SiC颗粒的损伤特性、工件的表面形貌与亚表面损伤。结果表明,相比于常规切削,超声振动辅助切削可以提高复合材料的表面完整性,减少复合材料的亚表面损伤,并且能够提高工件的表面质量。

不同自动铺丝工艺参数对T800级碳纤维/环氧复合材料孔隙率的影响研究

采用T800级碳纤维/环氧树脂单向带铺丝预浸料,使用自动铺丝工艺制备不同厚度的试验层板,探究固化压力、层板厚度及尺寸、自动铺丝压紧力等各项参数对孔隙率及孔隙分布的影响,采用超声C扫描表征复合材料层板孔隙率区间。研究表明,当固化压力降至某临界点后,孔隙率呈现先快速增加又逐渐减慢增加的趋势;厚铺层的层板的孔隙率高于较薄铺层的层板,靠近中间及底部铺层位置的孔隙较多;尺寸较大的层板,高孔隙率的区域相对集中分布在靠近层板中间的位置,且孔隙率区间较大;固化压力较小时,采用小压紧力铺丝的层板会形成更高的孔隙率;对于大型复杂的复材结构件来说,不同的铺丝工艺参数对孔隙率的影响也具有上述趋势。

基于超声相控阵技术的钢板混凝土缺陷识别研究

超声相控阵技术具有现场检测速度快、成像分辨率高等优点,在装配式建筑钢板混凝土缺陷检测中具有重要应用价值。制作预设结合面缺陷和混凝土内部缺陷的钢板混凝土试件,通过数值模拟和试验研究超声相控阵成像对试件中缺陷的识别能力。研究结果表明,超声相控阵技术可有效识别钢板混凝土结合面缺陷和混凝土内部缺陷,能够准确定位缺陷的平面位置,且可在一定程度上评估缺陷深度。

一种超声切割装置的设计及碳纤维复合材料切割研究

碳纤维复合材料在轨道交通车辆制造领域具有广阔应用前景,但采用传统工艺加工时易产生毛刺、撕裂等缺陷,会影响车辆产品质量,故设计了一种超声切割装置,用于切割碳纤维复合材料,通过对换能器、变幅杆、刀具的结构设计以及材料选用,完成超声切割装置的整体设计;通过ABAQUS软件对超声切割装置进行有限元分析,以验证装置设计的合理性;通过对碳纤维复合材料的切割过程的仿真,验证了超声切割装置的可行性。

复合材料R区超声相控阵检测声场仿真试验研究

采用常规超声检测方法进行树脂基复合材料R区结构内部缺陷检测,存在由于入射声束不能与被检测R区圆弧表面垂直而导致的检测灵敏度降低,难以实现R区整体弧度的全覆盖检测,以及不能对缺陷沿R区圆弧方向的尺寸进行评定等一系列问题。为解决上述问题,采用超声相控阵方法对R区结构进行检测,研究了相控阵检测时R区不同方向截面的声场分布规律,分析了虚拟阵元晶片数目对检测声场的影响。通过研究发现,虚拟阵元晶片数目会影响声场分布,晶片数目越多,声场分布强弱差异越大,最大声场强度越强且位置越靠近表面,6 dB声束宽度越大;聚焦检测方式下的最大声场强度普遍高于非聚焦检测方式,6 dB声束宽度小于非聚焦声场;弧形阵列不同角度虚拟探头产生声场分布基本一致,中心组晶片的最大声场强度最大。经试验验证,采用超声相控阵方法,利用圆弧阵列探头,合理设置检测参数,可以有效检出R区不同角度、不同埋深、孔径约3 mm的平底孔人工缺陷。

多层结构复合材料的超声检测系统设计

分析了超声波在多层结构复合材料中的传播特性,设计了测量多层复合材料厚度及各种缺陷的超声检测系统超声发射系统。该系统由超声波发射系统、接收系统及计算机控制处理系统组成。针对多层结构复合材料层厚及内部缺陷分别进行了计算机仿真和实测实验,并对实验结果进行了比对。结果表明,该检测系统性能达到了设计要求。

先进复合材料的无损检测

分析了碳纤维复合材料构件在成型和使用过程中易产生的缺陷及产生缺陷的原因,提出无损探伤技术对缺陷进行检测是复合材料构件质量保证的必要手段;对国内外适用于复合材料构件的几种探伤方法进行比较,认为超声波法是复合材料的一种检测缺陷的有效方法,对如何应用超声波法检测复合材料进行介绍。

编织碳纤维复合材料雷击损伤特性研究

采用实验方法研究了编织碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在干燥环境下受到不同强度等级模拟雷电冲击后的电击破坏特性,并进行了系统分析与机理解释。研究显示,雷电冲击对复合材料造成了三种典型破坏形式,并随着电击强度的增加及铺层角度的改变呈现出不同形态的变化。微观扫描分析发现,电击会对树脂与纤维界面造成严重破坏。

多层复合材料超声检测的数值模拟

介绍了超声反射法的基本原理及其特点,并利用有限元方法对超声检测过程进行了数值模拟。通过对接收信号的分析,可以看出超声波检测复合材料检测精度较高,检测效果较明显,可以准确地识别出是否存在缺陷以及判断出缺陷的位置。

SiCw/6061 Al复合材料声学特性的研究

应用超声波声速仪及超声波探伤仪研究了SiCw/6061 Al复合材料的声学特性,确定出SiCw体积分数与声速及其衰减系数的关系。通过试验,绘制出复合材料超声波探伤AVG曲线。

钢筋与水泥基材料粘结性能的超声波评估方法

为考虑钢筋与一种水泥基材料(HCTM砂浆)之间粘结缺陷与力学性能的内在规律,利用超声波检测技术,考虑钢筋表面形式,粘结不良处初始缺陷程度等参数,建立了超声波参数与初始缺陷参数间的相关关系;通过静力拔出试验,分析了拔出力与锚固界面、钢筋表面等因素之间的关系;并利用三维有限元程序ANSYS进行了数值仿真,将分析结果与实验结果进行对比.结果表明,试验结果与理论分析结果有较强的一致性.

多层包铁结构超声反射频谱数值仿真

随着直升机技术的发展,急需对一种新型的直升机桨叶包铁结构做质量检测研究,该包铁结构外层为不锈钢,中层为橡胶、加热元件,内层为玻璃纤维。包铁结构需要分类识别的4类典型结构为上层脱粘缺陷、加热元件、下层脱粘缺陷、无缺陷无加热元件,但这种包铁结构较常见多层结构层数多、层厚薄、需识别分类多,超声波在这种结构中会发生严重的混叠现象。因此研究了超声波在薄壁多层结构中的传播规律,建立了新的包铁结构的超声反射频谱模型,将测试的不锈钢、橡胶、玻纤的声速、声阻抗、频率-衰减系数曲线、2.25 MHz和5 MHz的探头频谱代入模型进行仿真,仿真结果表明,2.25 MHz探头可以识别出包铁的4种结构,5 MHz探头可以识别出除下层缺陷的另外3种结构,实际检测结果验证了新模型的仿真结果。

超声设备在航空复合材料结构检测中的应用

通过对航空复合材料结构特点、适航文件要求及设计部门对检测方案要求的分析,并结合超声无损检测设备参数及性能的特点,提出航空复合材料结构件的合理检测方案,为超声检测设备在航空复合材料结构检测中的应用提供参考。

水浸超声C扫描系统的构建与试验验证

复合材料在轨道交通领域有广泛的应用前景,复合材料的无损缺陷检测是保障其安全使用的重要前提。文章根据超声脉冲回波法检测原理,构建了水浸超声C扫描自动检测系统。设计了集三轴运动控制、超声信号采集与处理为一体的硬件系统,在Qt环境下开发了上位机软件,实时扫查路径控制、超声回波信号处理、超声C扫描成像、缺陷定性检测和定量分析等,从而实现对复合材料的自动化无损检测与评估。为验证系统的检测能力,首先,利用热压罐成型工艺制备标准缺陷试样,并人工埋入缺陷;然后,利用水浸超声C扫描系统对标准缺陷试样进行检测,对缺陷进行定性分析和缺陷大小、深度的定量计算;最后,对比人工埋入的缺陷数据,对检测结果进行误差分析。试验结果表明,水浸超声C扫描自动检测系统可以准确、直观地呈现复合材料内部的缺陷情况,实现对复合材料的无损检测与评估。

复合材料激光超声波传播特性及缺陷损伤检测

本文针对先进纤维增强复合材料结构特点及质量检测需求,基于弹性力学和热力耦合相关理论,采用有限元数值方法,在验证模型可靠性的基础上,采用完全热力耦合方法系统开展单层和多层碳纤复合材料板激光超声波传播特性及缺陷识别方法研究,考察了面内缺陷的几何尺寸、层间缺陷的相对位置和深度等因素对激光超声波传播特性及损伤识别结果的影响。结果表明:当复合材料存在面内或层间缺陷时,应力波会在缺陷处发生反射和衍射,具体可表现为出现缺陷反射波信号或透射波信号强度减弱,在已知材料中超声波速情况下结合缺陷异常反射波可实现对相应缺陷的定位。

纵扭超声辅助铣削SiCp/Al复合材料表面质量研究

高体积分数SiCp/Al复合材料具有高比强度、高比模数和良好的耐磨性等优异性能。然而,它们的高硬度和脆性会导致精密制造过程中应力分布更为复杂,这会使材料中产生过大的力和过多的热,从而影响加工精度和工件耐久极限寿命。目的通过分析切削过程中颗粒的去除机理和表面缺陷类型,利用纵扭超声辅助铣削(longitudinal-torsional ultrasonic assisted milling,LTUAM)技术,改善高体积分数SiCp/Al复合材料的加工表面质量。方法利用ABAQUS和PYTHON软件,建立考虑颗粒断裂过程的两相随机分布颗粒SiCp/Al复合材料模型,并采用Johnson-Cook模型和Brittle Cracking模型对SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削过程进行有限元模拟仿真。针对不同加工参数,进行SiCp/Al复合材料纵扭超声辅助铣削和常规铣削(conventional milling,CM)试验,评估有限元仿真模拟与试验结果的一致性。结果模拟结果表明,损伤和裂纹主要产生在SiC颗粒(SiCp)中上部的切削线上,凹坑缺陷主要产生在颗粒下部的切削线上。试验结果显示,表面缺陷的类型主要包括颗粒的损伤和拔出、颗粒的损伤和断裂形成凹坑、未损伤的颗粒形成凸起、破损颗粒与刀具在已加工表面上挤压摩擦形成犁沟、铝基体涂覆、表面微裂纹和表面空穴等,并且当加工速度120 m/min,超声振幅3μm时,最大裂纹深度最小,表面缺陷最小,表面质量最好。结论对比有限元仿真结果与试验结果发现,二者的表面质量变化趋势基本具有一致性。纵扭超声辅助铣削技术的应用对提高SiCp/Al复合材料的表面质量有较好效果。

超声振动辅助研磨SiCp/Al材料去除特性的研究

SiCp/Al因具有高强度,低密度,高耐磨性等优点被应用在许多领域,如航空航天,汽车和电子领域等。但SiCp/Al是典型的难加工材料,在研磨过程中极易造成表面损伤,从而影响工件的表面精度和材料去除率。基于金属基复合材料的研磨去除机理,建立有限元仿真模型。仿真模拟超声去除SiCp/Al的表面损伤形式、颗粒的破碎方式与材料去除过程。通过超声振动辅助研磨SiCp/Al实验可知,超声振动能够有效降低表面粗糙度。材料去除率随主轴转速和研磨深度的增加而增大,随进给速度的增加而减小。

碳化钛颗粒增强钢基复合材料超声振动辅助划痕仿真及试验研究

碳化钛(TiC)颗粒增强钢基复合材料具有较高的强度、硬度和耐磨性,在精密航空航天零件中广泛应用。由于材料中TiC硬质颗粒的存在,导致了加工表面质量差、刀具磨损严重等问题,超声振动辅助加工被尝试用于解决该问题,但在超声振动辅助条件下针对该材料的去除机理尚不明确,参数优化缺乏理论指导,通过开展超声振动辅助划痕仿真及试验研究,探究该材料在超声振动辅助条件下的去除机理和表面创成机制。首先基于TiC颗粒大小、形态、分布特征以及颗粒和基体的材料特性建立了材料的有限元仿真模型,然后分析了单颗金刚石超声振动辅助划痕过程中材料去除特性以及表面创成机制,并开展了验证试验。结果表明:仿真模型的划痕力预测值与试验值误差小于16%;在划擦过程中,TiC颗粒受到的最大应力为拉应力,基体受到的最大应力为压应力;与传统划痕相比,超声振动辅助划痕过程中单颗金刚石与工件间歇性分离,划痕力呈现周期性变化,平均划痕力降低16%-50%;在超声振动辅助条件下,由于单颗金刚石对TiC颗粒的锤击作用,基体材料塑性变形更大,更多的颗粒与基体脱粘变成切屑,导致划痕表面形成更大的空腔,此研究可为后续加工过程中工艺参数选择提供指导。

复合材料蜂窝夹芯构件胶接质量的超声检测

用超声透射法对复合材料蜂窝夹芯构件进行了检测试验,分析了在检测过程中板波传播的基本特点,并对检测部位进行了解剖验证。试验发现当粘合胶分布不均匀或产生脱胶现象时,会使透射的超声信号幅值降低,据此规律可对复合材料蜂窝构件的胶接质量进行无损检测。

碳纤维增强热塑性复合材料超声波焊接研究进展

碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composite,CFRTP)由于其优越的力学性能、较低的加工成本及可回收性,逐渐成为继铝合金、高强钢之后的新一代轻量化材料。国内外科研机构和材料企业都投入巨资和人力竞相开展相关研究,部分高校、企业已开始探索将CFRTP应用于机身与车身的制造与装配。超声波焊接是最适合焊接热塑性材料的方法之一,也是实现大规模装配CFRTP零部件的关键使能技术之一。从CFRTP超声波焊接基本过程、接头形式、数值模拟、质量监控和异种材料连接五个方面进行分析,系统讨论CFRTP超声波焊接最新研究成果,展望CFRTP超声波焊接中有待解决的共性问题,以期为CFRTP零部件的大规模装配应用提供参考。