微纳尺度结构动力学专刊序

围绕微纳尺度结构跨尺度动力学建模、动力学分析、动力学控制、动力学设计与测量方法等研究主题,本专刊介绍了微纳尺度结构动力学与控制领域的一些最新研究成果.

尺度效应下太赫兹非局部二维纳米薄膜结构涟漪动力学建模方法

本研究通过非局部理论和分子动力学模拟,深入探讨了尺度效应下二维纳米薄膜涟漪动力学特性.首先,基于非局部Kirchhoff板理论,构建了太赫兹激励下二维纳米薄膜涟漪动力学模型,揭示了涟漪波数与太赫兹激励频率的关系.其次,通过与分子动力学模拟对比,验证了非局部涟漪动力学模型的准确性,并对非局部参数进行了辨识.进一步,分析了小尺度范围下二维薄膜结构离散分子动力学模型和连续介质理论模型的差异性,讨论了等效厚度,手性和非局部参数等重要参数对涟漪波数和相速度的影响.研究表明:当涟漪波长接近碳-碳键尺度时,原子的离散特性破坏了相邻涟漪的均匀性,论证了考虑原子分布的离散特性对太赫兹高频激励下二维纳米薄膜跨尺度涟漪动力学建模的重要性.此外,本研究还发现了锯齿方向的相速度大于扶手椅方向的相速度,且随着中心激励频率的增加,闭合涟漪的波型从环形转变为六边形.

HFCVD硼掺杂复合金刚石薄膜的机械性能研究

综合不同种类单层金刚石薄膜的典型优点制备的复合金刚石薄膜具有优异的综合性能,本研究对比了UMCD、BDMCD、UFGD和两类新型硼掺杂复合金刚石薄膜的机械性能。研究结果表明:硼掺杂技术可有效改善金刚石薄膜的附着性能,因此BDM-UMCD和BDM-UM-UFGCD薄膜均具有较好的附着性能;表层为UMCD薄膜的BDM-UMCD薄膜(84.354GPa)具有UMCD薄膜(82.058GPa)表面硬度极高的优点,但是表面粗糙度较高(Ra304.41nm)、表面可抛光性较差;相比之下,表层为UFGD薄膜的BDM-UM-UFGCD薄膜则具有UFGD薄膜优异的表面光洁度(Ra104.71nm)和表面可抛光性,此外由于硬度极高的中间层UMCD对于表层硬度的补充作用,该复合薄膜还具有相比于单层UFGD薄膜(67.925GPa)而言较高的表面硬度(72.657GPa)。

中高频大振幅垂向振动下的坐姿人体7自由度建模及实验

建立合适的人体振动模型,预测人体在不同振动环境下的动力学响应和各部位振动的传递性,能够对建筑和交通工具内部的振动控制起到指导作用。到目前为止,大多数垂直振动下的人体多自由度模型都是针对较低频率(<20Hz)和较小幅度(<1.5 ms-2)的振动环境,未必适用于较高频率(>20 Hz)和较大幅度(>1.5 ms-2)的垂向振动环境。为了准确地预测坐姿人体对中高频、大振幅垂向振动的动力学响应,建立垂向振动下坐姿人体的7自由度修正模型,并通过实验测试25名志愿者在4种不同加速度幅值(1.0 m/s2、1.5 m/s2、2.0 m/s2、2.5 m/s2)的宽带随机(2~100 Hz)垂向振动下的视在质量。实验结果表明,相比ISO标准规定的3自由度模型,所提出的7自由度修正模型能较准确地预测坐姿人体对大振幅垂向振动的动力学响应。

城市轨道交通噪声的声源特性研究进展

分析了城市轨道交通噪声的主要类型、基本特性、传播规律及其影响因素;综述了国内外城市轨道交通噪声的预测及测量分析技术的研究成果,并对其进行了总结比较,阐述了各种方法的特点、主要成就和局限;最后探讨了城市轨道交通噪声领域今后的研究方向和发展趋势,为解决城市轨道交通发展中的噪声问题提供了参考。

海水环境电弧切割工艺研究

根据高速电弧放电加工原理及海水电解质的特点,进行了海水环境下的高速电弧切割工艺研究。该方法利用脉冲放电形成电弧,使用高能量电弧等离子体将工件材料蚀除,并利用极间高速流体将切割过程中的蚀除产物排出间隙,从而实现高效、低成本的海水中切割。该方法获得的切缝整齐,残渣少且无搭桥现象。在工艺实验中,使用钨电极对10 mm厚的不锈钢板进行切割验证,并分析了脉宽、脉间及冲液压强对切割时进给速度、切缝下口宽度和电极损耗的影响。结果表明,通过选择合适的加工参数,能实现海洋环境下的高效切割过程。

水下电弧锯切割质量影响因子的研究

海洋、船舶、石油等领域有大量结构部件需在水下拆解。现有的水下切割方法存在效率低、结构复杂、工具或电极损耗大等局限,亟需探索新的切割方式。高速电弧放电加工具有加工效率高、电极损耗率低等优势,在难切削材料的加工中取得了良好效果。基于高速电弧放电加工原理,设计水下电弧锯切割实验装置,并对该装置极间流场进行仿真,得到不同主轴转速下极间流体流动情况。在此基础上,设计系列实验开展电流形式、主轴转速和电流值等因素对切割质量影响的研究。实验结果表明,采用高速电弧放电切割可实现工件的高效水下切割。此外,使用脉冲电流切割时的切缝质量优于直流,增大电流会改善出口处切缝宽度;主轴转速过低会影响极间排屑效果,加工中宜采用较高转速。

基于UG二次开发的电火花加工成形电极设计系统

针对闭式整体涡轮叶盘的结构特点,在UG平台上通过二次开发设计了一套涡轮盘电火花加工成形电极设计系统,包括电极初步设计、减厚处理、电极剖分、电极基座设计和电极运动轨迹搜索等模块。通过实验对电极设计系统的正确性和实用性进行了验证,加工出满足设计要求的整体涡轮盘样件。

带筋壁板筋条双侧激光喷丸成形研究

带筋壁板能显著提高飞行器的结构效率与气密性,是现代航空航天飞行器广泛采用的结构形式,而激光喷丸成形作为新型无模柔性成形工艺,是带筋壁板成形的有效工艺途径。带筋壁板的可喷丸区域包括筋条双侧与内外侧蒙皮,考虑筋条双侧喷丸可精确调控带筋壁板的几何形状,首先对带筋壁板筋条双侧激光喷丸的变形特征进行分析,并基于激光喷丸固有应变理论推导筋条双侧喷丸等效弯矩解析公式,进而建立筋条双侧喷丸等效弯矩数值模型。研究表明,建立的等效弯矩模型可为筋条双侧喷丸的带筋壁板激光喷丸成形的变形预测与工艺规划提供有效途径。

RTAI实时操作系统在多轴联动电火花加工数控系统中的应用

数控系统软硬件平台近年来的快速发展,为多轴联动电火花加工数控系统的提升带来了新的机遇。针对广泛采用的上下位机式数控系统中上下位机间通讯的瓶颈问题,利用实时操作系统与双端口寄存器在上下位机间通讯与数据传输的时间确定性和效率的优势,对原有自主开发的多轴联动电火花加工数控系统进行了改进,增加了实时通讯的功能,充分利用上下位机的双核优势冲破之间的瓶颈,并结合先进的B样条曲线插补算法,显著提高了数控系统的性能。闭式整体叶盘的加工实验证明新的数控系统体系架构能提高复杂零件的加工效率。

考虑主体结构的上海中心大厦幕墙地震响应分析

在综合考虑上海中心大厦主体结构与其幕墙结构之间相互影响的基础上,建立了大厦工程的全尺度有限元模型,分析了大厦的低阶模态,并分析了多遇地震工况和罕遇地震工况条件下幕墙加速度放大系数、幕墙层间位移角和幕墙支撑结构应力的分布情况.结果表明,大厦幕墙结构具有较好的抗震性能,符合抗震设防目标.

自动络筒机负压风道建模与控制系统研究

自动络筒机系统是一个复杂的非线性、时变、多干扰、多学科交叉的系统。自动络筒机运行时,每个槽筒工作均需负压,且各槽筒工作相互独立、随机,互不相关,对它建模非常复杂。为此,文中提出整个负压风道简化模型,将各槽筒上的不定时开放的气孔看作干扰,由控制系统解决。针对所提模型设计了增量式PID控制器,并利用仿真实验以及现场实验验证了该控制器的有效性,解决了负压吸风系统风道压力按需平衡供给问题,在满足络纱工艺需要的前提下,使高速自动络筒机负压吸风系统平稳运行。

场致射流微细放电加工实验研究

对场致射流微细放电加工单晶硅进行了工艺实验研究,分析在不同加工极性下的加工机理,发现在正极性加工时,蚀坑在工件表面存在电解液残留是由电火花蚀除和电化学蚀除共同作用的结果,而在充分放电的情形下,是由电火花放电来实现材料蚀除的;在负极性加工时,蚀坑仅仅是由电火花蚀除作用的结果。通过单因素实验获取喷管内径、极间距离、极间电压及工作液浓度对单次放电蚀坑直径的影响曲线,通过优化工艺参数在单晶硅表面加工出宽度为1μm、长度为5μm的微细沟槽。研究结果充分证明了场致射流微细放电加工的加工能力。

大型工件激光喷丸三维扫描光路系统光斑畸变分析与校正方法研究

激光喷丸工艺系统一般具有固定光路和动态扫描光路两种形式。针对大型工件的激光喷丸处理,动态扫描光路的形式更具优势。在基于振镜系统的动态扫描光路的扫描过程中,激光倾斜于工件入射,将产生超出工艺误差控制要求的光斑形状畸变,影响系统的加工精度。建立了该系统导光光路的数学模型,分析了光斑形状畸变的严重程度,提出了校正思路,设计了两向异焦动态聚焦模块用以校正。仿真计算结果表明:光斑形状畸变基本被消除,校正系统有效可行。

飞秒激光诱导镍生成纳米液滴双温模型耦合分子动力学模拟

通过双温模型耦合分子动力学模拟方法,研究了飞秒激光诱导镍生成纳米金属液滴动态过程,分析了激光辐照后的镍内部电子温度、晶格温度、压力分布及金属的相变过程。研究表明:在激光作用后的几十皮秒内,电子温度和晶格温度达到平衡,且晶格温度一般会超过熔点和沸点,使材料内部产生气泡。激光同时诱导材料内压力周期性变化,促进产生的气泡扩展融合,气泡壁不断变薄,气泡在普拉托-瑞利不稳定性影响下破裂,然后在表面张力作用下收缩成液滴,该结论为激光诱导金属液滴喷射打印提供了理论依据。

基于双目视觉的激光喷丸大幅面动态扫描系统光束指向标定方法

大型工件的激光喷丸成形由于工作范围广,一般采用动态扫描光路系统。二维振镜系统通过轴线互相垂直的振镜偏转实现激光的高速扫描,适用于大幅面的激光喷丸成形,然而振镜系统的扫描场存在固有的几何畸变,并且系统中的各种因素耦合的误差也会影响实际工作。基于双目视觉根据实际激光喷丸系统设计分步标定方案,利用指示光斑测量坐标建立双目-振镜坐标系的固有联系,同时标定喷丸工作距离,分析末端振镜扫描指向误差根源,划分校正网格对激光指向误差进行补偿。试验结果表明:标定方法可以有效克服激光指向误差,精度符合激光喷丸成形的工艺要求。

第21届国际特种加工会议论文综述

对第21届国际特种加工会议发表的论文进行了全面综述,介绍了近年来国际特种加工领域的最新研究进展。主要内容包括电火花加工、电化学加工、增材制造、高速电弧加工和其他加工工艺的代表性研究成果。

基于Fluent的电火花加工气泡分布对复合电极损耗的影响研究

在电火花铣削加工中,电极的形状损耗一直是限制加工精度的重要因素。而加工过程中气泡的产生及运动不仅影响电极放电,也影响电极损耗。为此,采用气液二相流仿真技术模拟气泡在一种复合电极表面区域内的运动,将不同尺寸电极下气泡的运动倾向进行比较与分析,首先绘制并调整电极模型,对内外电极的多个外缘进行圆角处理,以模拟电极在加工过程中的磨损情况;接着,调整电极模型的内外电极间隙尺寸及底面高度差,进行多组正交仿真实验;最后,比较和分析气泡在不同模型条件下的流动倾向与分布规律,讨论各因素对气泡产生及运动的影响。

增材制造Inconel 718的电解质等离子体抛光工艺研究

为解决增材制造的镍基高温合金部件难以满足高性能航空构件表面质量的问题,采用电解质等离子体抛光技术对增材Inconel 718样件进行抛光工艺试验。基于部分析因和响应曲面分析法,研究了抛光电压、电解液温度、加工时间、抛光剂浓度和络合剂浓度对表面粗糙度和材料去除率的影响规律,并对加工参数组合进行望小优化。结果表明,当采用抛光电压314.4 V、电解液温度70℃、加工时间15 min、抛光剂和络合剂质量分数2%和2.5%,增材打印的Inconel 718工件表面粗糙度可从Ra2.93μm降至Ra0.307μm,此时的材料去除率为2.072μm/min。

电火花加工中气泡与电蚀产物对阴极场强影响的仿真研究

针对电火花加工中不同放电位置产生的不同电极损耗形状,讨论了极间存在工作液、气泡、电蚀产物的情况下,火花击穿放电前阴极电场强度的分布情况,从而探究气泡对放电发生位置及电极损耗形状的影响。采用Maxwell软件进行电火花放电通道的静电场仿真,得到气泡、电蚀产物对放电发生位置的影响规律。仿真结果表明:气泡对阴极表面具有保护作用,气泡越大,离阴极表面越近,场强越低,保护作用越明显;电蚀产物对阴极场强有增强作用,且随其浓度的增加而增加;气泡周围区域电蚀产物浓度高,放电发生概率最大;静止的气泡可减少放电损耗,运动的气泡对电极损耗的影响取决于高放电概率,气泡的不同分布状态影响电极的损耗形状。