计入粗糙峰的微纳结构表面水润滑流体动力学仿真

随着表面精密加工技术与润滑减摩研究的发展,利用表面织构化技术提升其表面减摩效果的研究已引起广泛关注,但少有研究考虑摩擦副表面粗糙形貌对润滑特性带来影响.本研究采用计算流体动力学(CFD)模拟方法,建立了矩形织构模型,并在其表面计入粗糙峰结构,讨论水润滑条件下不同粗糙峰结构模型润滑特性变化规律.结果表明:调节微纳复合表面结构参数,将改变润滑水膜承载力,进而影响微纳复合结构表面的动压润滑效果.此外,织构内涡流生成导致涡量变化,引起能量耗散并影响摩擦力.对矩形织构模型,适当的深度比(H=0.6)可使其表面动压润滑效应达到最优;而增大织构宽度比(W),动压润滑效应增强.在微织构表面引入高斯随机粗糙峰后,当随机粗糙峰高度变化标准差δ为0.5时,承载力可提升44%,摩擦系数降低30.9%.若引入半正弦粗糙峰,承载力和摩擦系数的变化范围均小于10%,对润滑效果的影响不明显.若同时引入高斯随机粗糙峰和半正弦粗糙峰,承载力可提升42%,摩擦系数下降31.1%,即表面动压润滑效果提升也较为显著.

基于特征的工程领域CAD模型检索技术

为利用CAD模型中的特征造型信息提高检索精度,提出一种以CAD模型特征拓扑结构为骨架、以特征为单元、以特征生成曲面的几何性为细节的模型检索方法。采用CAD平台二次开发技术,从CAD模型中提取各个造型特征的约束、依赖及建模参数信息,构建特征拓扑关系集、造型参数集与几何生成面集;依据几何性质对特征几何生成面进行分类,以曲面相似性计算为基础建立特征相似性计算方法;根据特征拓扑关系集构建模型特征拓扑骨架图,在定义特征权重的基础上,利用几何传递性对骨架图进行简化,采用计算最大公共子图的方法判定检索模型与被检模型的相似度。实验结果表明,该方法能够有效实现相似CAD模型检索,具有较好的精度。

化学机械平坦化中晶圆姿态瞬态调整的数值模拟研究

化学机械平坦化(Chemical mechanical planarization,CMP)是集成电路制造的关键技术之一。晶圆夹持器是CMP系统的核心零部件。为研究万向球头位置对平坦化过程中晶圆姿态瞬态调整能力的影响,采用混合软弹流润滑模型分析抛光垫表面的流动与接触行为,并结合夹持器的瞬态运动方程分析晶圆姿态的动态变化过程。分析结果表明,夹持器姿态的调整能力随万向球头的中心高度增加而提高,摩擦力矩的增加有利于晶圆姿态稳定在平衡位置,但同时接触应力不均匀性增加。因此,合理设计夹持器结构对CMP加工质量非常重要,提出的瞬态混合润滑模型对夹持器的动态特性进行分析可以为设计提供非常有意义的理论指导。

基于激光加工和自组装技术硅基底超疏水表面的制备

利用激光在硅基底上加工具有规则点阵结构的表面纹理,采用自组装技术在此硅表面制备全氟辛烷基三氯硅烷自组装分子膜。采用扫描电子显微镜和表面形貌仪对硅试样表面进行形貌分析,采用接触角测量仪测量试样的接触角。结果表明,激光加工后的硅试样表面纹理深度和表面粗糙度均随激光加工间距的增加而逐渐变大,试样表面的去除量随光照时间的增加而增大。通过激光加工和沉积自组装分子膜,硅试样表面的水接触角显著增大,最大可达到156°,且试样的水接触角随激光加工间距的减少而增大。试样接触角测量值与Cassie模型预测值相一致,当点阵直径与加工间距比<0.510时,硅试样表面为超疏水表面。

超疏水Ti6Al4V表面的制备及其润湿性

为了使Ti6Al4V合金具有超疏水特性,采用激光技术加工规则点阵状纹理,然后采用自组装技术在试样表面制备自组装分子膜,得到了超疏水Ti6Al4V表面.激光加工构造的微米级点阵结构规整,形成了具有一定高度的类似锥台或柱状的凸起.通过激光加工和沉积自组装分子膜,Ti6Al4V试样表面的水接触角显著增大,最大可达到151°.将测得的接触角与分别用Wenzel模型和Cassie模型计算的理论值进行比较,实测结果更接近Cassie模型的结果.通过改变激光加工表面微结构的参数,可以控制表面接触角的大小.随着表面粗糙度值的增大,接触角呈增大趋势.当表面粗糙度大于4μm时,接触角均大于150°,形成超疏水表面.

6自由度液压振动台运动学分析及控制策略

为提高6自由度液压振动台的控制精度,提出了一种基于运动学分析的振动台控制策略。依据机构学原理描述振动台的结构并进行运动学分析和计算,利用位姿正解算法及雅克比矩阵分别代替传统控制策略中的位置自由度合成及分解矩阵,并给出了基于运动学分析的6自由度液压振动台控制器结构。正弦振动试验结果表明,基于运动学分析的控制策略能够显著削弱平台在低频大位移振动时的牵连运动,提高系统的加速度均匀度和横向分量指标,可明显改善振动台系统低频段的控制精度。

6自由度电液振动台控制策略研究

为提高6自由度电液振动台的控制精度,在传统6自由度控制回路中增加两路扭曲控制回路,采用扭曲控制策略控制平台振动。基于扭曲控制策略,对传统压力镇定控制器进行改进,将相互关联的8个参数缩减为2个相互独立的参数。正弦振动试验结果表明,采用扭曲控制策略能够明显改善振动台系统低频段的加速度均匀度和横向分量指标,改进后的压力镇定控制器能够有效削弱系统中各液压缸之间的内力。

柴油机气缸套冷却水空化流的三维数值模拟

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法应用动网格技术采用两相混合流体完整空化湍流模型,对某型柴油机气缸套主推侧的冷却水空化流进行非定常数值模拟。计算结果揭示缸套空蚀发生机理和冷却水流场特性变化,预测缸套冷却水的空化部位和程度。与缸套空蚀的统计结果对比,建立的数学模型是可靠的。结果表明,缸套附近流场的绝对压力和气相体积分数均具有周期性变化特性,且与缸套的振动周期一致。缸套附近冷却水空化流的流场特性不均匀。贴近变形最大的缸套壁区(缸套壁的中上区域)处流场压力和气相体积分数波动剧烈。此局部流场脉冲压力峰值达到约350 kPa,气相体积分数在5.8%～0.4%波动。较强脉冲压力的作用导致此壁区空蚀严重。振动频率和振幅分别增大30%,变形最大壁区附近流场压力峰值分别增加55%和15%。进口流速和流向对冷却水空化特性有一定影响,最大变形壁区气相体积分数峰值随流场平均流速的增大而增加。缸套振动的加速度是影响冷却水空化流流场特性的关键因素。

基于CFD的柴油机气缸套冷却水空化特性数值分析

基于计算流体力学(CFD)方法对某型柴油机气缸套主推侧冷却水流场的空化动力学特性进行非定常数值模拟。通过观察缸套壁振动过程中冷却水腔内流场压力、水蒸汽汽含率和流速变化,分析了冷却水流场空化特性,研究了相关参数对模拟结果的影响。结果表明,缸套壁附近流场的绝对压力和水蒸汽汽含率均具有周期性变化特性,且与缸套壁的振动周期一致。振幅较大区域为缸套外壁面的中上区域,此处高、低压差较大(达到312.35kPa),低压在水的饱和蒸汽压附近,汽含率在4.7%～0.5%剧烈变化,此位置为冷却水主要空化区域。缸套振幅、振动频率和水温是影响冷却水空化特性的主要因素。振动频率和振幅分别增大30%,最大振幅壁面处高压分别增加50%和10%,流场空化程度增大。缸套壁振动的速度和加速度是影响流场空化程度的关键因素。

6自由度随机振动控制算法

传统随机振动控制算法中,在全频段采用相同的修正系数对驱动谱进行迭代补偿,控制算法的收敛性受系统频响函数波动特性影响较大。为削弱频响函数的波动特性对驱动谱迭代收敛性的影响,提出将修正系数由实数变为实矩阵,在不同频率取不同修正系数对驱动谱进行迭代补偿,提高算法的收敛速度。取驱动谱迭代的修正系数分别为实数和实矩阵在6自由度液压振动台上进行随机振动试验,试验结果表明,在不同频段取不同迭代步长进行驱动谱修正可以明显提高试验的控制精度。

随机振动功率谱再现自适应控制算法研究

为提高电液随机振动实验的控制精度,提出一种基于Kalman滤波器的随机振动功率谱再现实时自适应控制方法。基于参考谱的信息设计FIR滤波器,通过对白噪声信号的滤波生成时域驱动信号。采用Kalman自适应滤波器实时跟踪振动实验系统的阻抗特性,并基于自适应逆控制方法对系统的输入信号进行滤波修正,使得系统的响应信号能够高精度再现时域驱动信号,进而实现参考谱的高精度再现。功率谱再现实验验证了算法的有效性。

Ti6Al4V表面纹理制备及其润湿性

采用激光加工技术在Ti6Al4V表面分别加工直线、网格和具有规则点阵状结构的表面纹理,采用自组装技术制备自组装分子膜。采用扫描电镜、形貌分析仪和接触角测量仪对成膜后的钛合金表面进行形貌和接触角的表征与测量。结果表明,通过激光加工和沉积自组装分子膜,可显著增大Ti6Al4V的水接触角。其中直线纹理的试样表面水接触角可达124.8°,网格纹理的试样表面接触角可达126.1°,点阵状纹理的试样表面接触角可达151.6°。表面接触角与表面粗糙度相关,随着表面粗糙度值的增大,接触角呈增大趋势,当表面粗糙度>4μm时,接触角均>150°,形成超疏水表面。

反应离子刻蚀和自组装分子膜构建硅基底疏水与超疏水表面

采用反应离子刻蚀技术在Si(100)表面加工微米级圆柱阵列,采用自组装技术分别制备了3种硅烷自组装分子膜.结果表明,采用反应离子刻蚀构建出的4种微米级圆柱阵列结构规整,其直径为5μm,高度为10μm,间距为15～45μm.沉积自组装分子膜后,试样表面的水接触角显著增大,其中沉积1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷(FDTS)自组装分子膜接触角最大,1H,1H,2H,2H-全氟辛烷基三氯硅烷(FOTS)次之,三氯十八硅烷(OTS)最小.测得的接触角大于150°时接近Cassie方程计算的接触角,而小于150°时接近Wenzel方程计算的接触角.改变圆柱阵列的间距和选择不同的自组装分子膜,可以控制表面接触角的大小.原子力显微镜(AFM)观测结果显示,沉积自组装分子膜可以产生纳米级的团簇.由微米级圆柱阵列和纳米级自组装分子膜构成的表面结构使Si试样表面接触角最大可达156.0°.

近固壁微米尺度空泡溃灭的数值研究

考虑空泡表面张力、液体黏性和气体可压缩性,采用VOF多相流模型对近固壁微米尺度空泡在静止流场溃灭过程进行了数值研究.获得了近固壁空泡溃灭过程的流场细节,分析了空泡与固壁的无量纲距离γ对空泡溃灭过程动力特性的影响,并揭示了不同γ条件下的固壁空蚀破坏机理.计算结果表明:随着γ的减小,泡心向固壁移动的趋势明显,射流形成前空泡上部高压区内压力减小,空泡溃灭时间延长,最大射流速度减小.模拟结果验证了空泡溃灭将产生冲击波和高速微射流,二者均会在固壁面产生脉冲压力,其是造成壁面损伤的两种主要原因.参数γ对固壁的空蚀破坏机理有重要影响.与微射流机制相比,以冲击波机制为主的空蚀破坏更显著.微射流冲击固壁的作用半径为10μm左右,将引起固壁"点"蚀坑的出现.当γ=2.0时,冲击波扫掠壁面的范围相对较广,有效作用半径约为1 mm,其导致固壁产生较大圆形蚀坑,且中心空蚀严重.

冗余驱动两轴电液角振动台控制方法研究

冗余驱动多轴电液振动台能够有效提升系统的承载能力,改善系统的加速度均匀度及横向分量等指标,已成为振动模拟实验系统的主要发展方向。控制系统是冗余驱动多轴电液振动台的关键组成部分。基于运动学分析进行铰点空间信号与工作空间信号的转换,设计加速度控制回路,提高大位姿条件下系统的控制精度。基于冗余振动台动力学方程设计内力协调控制回路,减小各缸间的内力耦合。分别通过位姿控制、阶跃响应、加速度频率特性分析和正弦振动实验验证控制策略的有效性。

超疏水表面制备技术的研究进展

具有非润湿和自清洁特性的超疏水表面由于其广阔的应用前景而引起人们的极大关注。介绍超疏水状态下Wenzel和Cassie-Baxter 2种接触模型及其相互关系,讨论2种模型下表面微细结构对接触角的影响。从构造表面微细结构和低表面能物质修饰2个方面总结近年来超疏水表面制备技术的研究进展,并对超疏水表面的研究进行展望。

冗余驱动电液振动台建模仿真及试验研究

冗余驱动振动台不仅可以提供较大的推力,还可以提高振动台加速度均匀度。冗余驱动电液振动台主要包括机械、液压、控制系统,要对系统的性能和控制策略进行研究,需要对系统各部分进行详细建模。运用Simulink/Sim Mechanics对机械结构部分建模,采用AMESim对液压激振系统建模,运用Simulink建立控制系统的完整模型,通过各软件之间的接口将系统各个部分联合,建立振动台系统的联合仿真模型,采用机电液联合仿真的方法进行仿真分析,通过与试验结果的对比验证了仿真模型的正确性。

钛金属薄膜上两种短链自组装分子膜的制备与摩擦特性

采用自组装技术在钛金属薄膜上制备了两种分子链长相同、官能团不同的自组装分子膜,并对其进行了不同时间的紫外照射.对钛金属薄膜和自组装分子膜进行了表征和摩擦特性测试,研究了紫外照射、官能团、滑动速度和载荷对自组装分子膜摩擦特性的影响.结果表明:通过紫外照射钛金属薄膜表面羟基化、自组装分子水解及自组装分子缩合可在钛金属薄膜上制备结构致密的自组装分子膜.制备的两种短链自组装分子膜可降低钛金属薄膜的摩擦特性,APS自组装分子膜的摩擦特性优于MPS自组装分子膜的摩擦特性.紫外照射5 min的自组装分子膜表面吸附的有机杂质被蒸发掉.对针尖的黏着力减小,从而导致针尖的变形减小,摩擦力最低.而紫外照射15 min的自组装分子膜致密的网状结构被破坏,减弱了自组装分子膜的润滑效应.两种自组装分子膜的摩擦力随着滑动速度的增加略呈上升趋势,随着载荷的增加略呈下降趋势,但是变化不大.

基于CFD方法的超声空化发生特性数值分析

利用计算流体力学软件FLUENT对磁致伸缩超声振动仪中超声空化发生特性进行数值模拟。通过考察流场内的绝对压力、气含率以及流体速度的变化,分析了超声空化的发生特性,并分析了相关参数对模拟结果的影响。结果表明:试样振动时,试样中间区域为主要空化区域。边缘区域发生空化的概率很小,但该区域始终受到试样周边流体绕流的作用,会对试样的两个边缘产生"磨削"破坏。在次边缘区域,水蒸气泡在快速流动的过程中溃灭,因而会对试样表面造成辐射状"划痕"。在影响参数中,密度和质量力的欠松弛因子的取值影响模拟结果的准确性;RNGk-ε模型对低压较敏感;非平衡壁面函数与增强壁面函数对贴近壁面处的流体压力变化更加敏感;在空化模型中,水的气化压力越高,流场内的高低压降幅越小,压力变化越稳定,而试样表面的气含率分布差异更大;不可压缩气体质量分数越大,试样表面压降幅度越小,试样表面的平均气含率越高。

双台阵振动模拟系统控制方法研究

利用多个振动台组成台阵振动模拟系统,进行大跨度结构甚至足尺模型的实验,是振动环境模拟的新发展方向。控制系统是台阵模拟系统的关键技术,其性能优劣直接关系到对试件可靠性的定量评估。以冗余驱动电液振动台及电动振动台组成的双台阵系统为研究对象,分别对电液振动台加速度控制策略、冗余力控制策略及电动振动台位姿控制策略进行详细分析,并基于分布式控制结构设计双台阵振动模拟控制系统。最后通过实验验证台阵系统控制器的有效性。