菱形颗粒冲击材料表面冲蚀磨损特性分析

基于弹射试验装置，借助高速摄像机捕捉不同入射条件下单个菱形颗粒冲击金属表面的动态过程，同时结合试验过程建立菱形颗粒冲击金属表面的FEM-SPH耦合数值模型，通过对比试验现象与仿真结果优化数值模型参数，最后借助数值模型进一步分析菱形颗粒在临界冲击、自身初始旋转以及重复冲击等工况下的运动行为及预测的凹坑轮廓形态. 结果表明:优化后的模型能够很好地捕捉颗粒冲击过程中金属表面凹坑的产生及演化规律，并能详细记录颗粒的入射行为及反弹规律，测得颗粒反弹速度和反弹角度误差均在14%以内. 临界冲击工况下颗粒动能损失最大，且冲击角越高，残余动能越少；颗粒初始旋转能够改变其反弹后的运动行为及金属表面材料的失效方式；颗粒重复冲蚀对材料表面的作用机制与后续颗粒的入射条件有密切关系，模型成功捕捉到重复冲蚀导致的材料破坏加深和破坏减缓两种特殊现象.      

磨料水射流冲蚀金属损伤形貌特征及机理研究

针对前混合磨料水射流冲蚀过程,进行了冲蚀试验及仿真研究.从试验中得到了材料冲蚀损伤形貌特征.采用SPH耦合FEM方法建立相应的冲蚀模型,对材料冲蚀过程进行模拟分析,揭示了材料损伤形貌特征产生的机理.结果表明:随着冲蚀深度的增加,磨料颗粒的冲蚀动能逐渐减小,冲蚀角度逐渐增大,材料冲蚀损伤由微切削和微犁削逐渐变为冲击变形,材料冲蚀损伤断面的形貌特征逐渐恶化,具体表现为拖尾角和表面粗糙度逐渐增大.不同金属材料损伤断面形貌特征具有相似性,但是金属材料属性的差异会对磨料冲蚀过程产生影响,导致条纹在材料损伤断面上的分布和条纹角度出现差异.由于材料损伤形貌特征受控于磨料颗粒运动特性,因此材料冲蚀断面质量改善应该从改变磨料颗粒运动特性角度出发,这为进一步研究材料冲蚀断面质量改进奠定了理论基础.     

多相流作用下锡黄铜的空蚀-冲蚀行为

采用空蚀-冲蚀联合作用试验机测试和扫描电镜(SEM)分析相结合研究了锡黄铜的空蚀-冲蚀行为,考察了水流速度和沙粒对铜合金空蚀-冲蚀行为的影响.研究表明:锡黄铜的抗空蚀能力随水流速度增加而降低,当水流速度增加到一定值时,合金的抗空蚀能力降低幅度减缓,这归因于水流的冲击导致的材料表面硬化;通过铜合金质量损失率曲线分析可知:本文试验条件下锡黄铜在不同流速下的空蚀过程主要包含孕育期、上升期和稳定期;固体颗粒(沙粒)对锡黄铜的抗空蚀能力有不利影响,铜合金在含沙水中的质量损失显著高于同等条件自来水中,这主要是由于在空蚀过程中沙粒的冲击破坏所造成.观察试验后样品表面形貌,发现合金表面有由空蚀/冲蚀作用所造成的唇片、凹坑和沟槽等特征形貌.     

碳化钨颗粒增强钢基复合材料的冲蚀磨损性能研究

以直径为188～250 μm的石英砂为磨料,在自制颗粒冲蚀磨损试验机上对WC颗粒增强ZG45钢基表层复合材料的气-固两相冲蚀磨损性能进行研究,采用扫描电子显微镜观察其磨损表面形貌.结果表明,在相同冲蚀角条件下,增强相WC颗粒的直径越大,复合材料的耐磨性越差,复合材料在冲蚀角为45°时的冲蚀磨损率最大;而ZG45钢在冲蚀角为15°～30°范围内的冲蚀磨损率达到最大值,此后随着冲蚀角增加而减小;复合材料抗冲蚀磨损性能在较小冲蚀角(15°左右)下优于ZG45钢,在较大冲蚀角(≥30°)时劣于ZG45钢.     

一种激波驱动的新型固粒冲蚀试验系统

针对目前大部分固体颗粒冲蚀试验系统存在反弹颗粒干扰、颗粒质量计算误差大等问题,采用激波驱动气固两相流的方式,并结合动态压力传感器、高速摄影仪对激波及颗粒测速的方法,设计了1种新型冲蚀磨损试验系统,具有结构简单、操作方便、颗粒质量计算准确等优点.该装置最大激波马赫数可达2.3,能将颗粒加速到200 m/s以上,适用不同颗粒、材料及表面处理试件进行15～90°冲击角下的磨损特性试验.通过SiO2颗粒对低碳钢的冲蚀试验,证实了该装置测得数据与经典试验数据规律一致.因此,本试验系统有望作为1种新的冲蚀磨损试验方法,应用于耐固粒冲蚀的优化设计和寿命预测等领域.     

含纳米粒子溶液对单晶硅表面的冲蚀磨损损伤实验研究

利用高分辨透射电子显微镜和原子力显微镜观察了含纳米颗粒溶液冲蚀硅片表面损伤行为,考察了纳米颗粒碰撞单晶硅片所导致的微观物理损伤.结果表明:冲蚀30 s后,在高分辨透射电子显微镜下可见硅片表面呈现方向性损伤,并可观察到大量非均匀的晶格缺陷;当冲蚀10 min时,硅片表面出现微观划痕和凹坑,在划痕一端可见原子堆积,亚表面可观察到镶嵌晶粒的非晶损伤层;继续延长冲蚀时间将加剧其表面损伤.     

等径角挤压后Ti5553钛合金的冲蚀磨损机理演变

本文中系统研究了经等径角挤压(ECAE)处理后的Ti5553钛合金在海砂环境中的冲蚀磨损机理演变历程和失效原因.发现Ti5553钛合金在高角度冲蚀工况下,其冲蚀磨损机理从初期的微切削转变为冲击挤压变形,并保持稳定;合金显微组织中弥散的α相以及ECAE工艺影响了冲蚀机理演变过程及冲蚀磨损程度;提高合金的强度、韧塑性对于抵抗冲蚀磨损起到了促进作用.     

椭圆颗粒在剪切流中旋转特性的数值研究

研究颗粒在流体剪切作用下的运动特性是理解和预测颗粒悬浮流流动行为的关键.当流体的惯性不能忽略时,颗粒的运动往往变得非常复杂.本文采用格子Boltzmann方法对中等雷诺数下椭圆颗粒在剪切流中的旋转运动进行了模拟.首先,研究了雷诺数(0Re 170)的影响,结果表明当雷诺数低于临界值时,颗粒以周期性的方式旋转,角速度最小时对应的长轴方向随着雷诺数的增大而逐渐远离水平方向,而且这一倾角与雷诺数呈分段线性关系;当雷诺数大于临界值时,椭圆形颗粒最终保持静止状态,且静止时的转角与雷诺数呈幂函数关系,雷诺数越大,转角越小,椭圆的长轴越远离水平位置.其次,研究了椭圆颗粒的长短轴之比α(1α10)的影响,结果表明颗粒旋转的周期与α呈幂函数关系,α越大,颗粒旋转周期越小.此外,当α超过临界值时,颗粒也在水平位置附近保持静止状态,此时的转角与α也呈幂函数关系,α越大,转角越小.研究还发现,当雷诺数较大时椭圆颗粒在旋转过程中会产生过冲现象.     

基于连续-非连续单元法的三维脆性颗粒冲击破碎特性分析

通过在连续-非连续单元法(CDEM)中引入考虑应变率效应的断裂能本构以及能量统计算法,实现了球体冲击破碎过程中损伤破裂程度及能量演化的定量分析。计算结果表明,冲击破碎过程分为接触蓄能阶段、损伤破碎阶段和碎块飞散阶段。首先,颗粒的部分动能转化为单元弹性变形能,随后这部分变形能和动能迅速转化为摩擦消耗、阻尼消耗及弹簧断裂能,破碎基本完全后碎块继续飞散。不同冲击速度下,颗粒分别出现了反弹、开裂、破碎和粉碎的现象。随冲击速度的增加,D50的变化速率逐渐放缓,破碎块度逐渐趋于稳定;破裂度、损伤度以及平均损伤因子的变化速率先增加后放缓,颗粒破坏以拉伸破坏为主。以上结论可为脆性材料冲击破碎工艺的优化设计提供依据。     

泡沫镍/环氧树脂/碳化硅双连续复合材料的料浆冲蚀行为研究

设计并制备出一种颗粒增强型双连续三元复合材料--泡沫镍/环氧树脂/碳化硅双连续复合材料,以材料的总损失量为重点研究了其在含氯化钠料浆冲蚀条件下的损伤行为.结果表明:颗粒增强的泡沫镍/环氧树脂/碳化硅双连续三元复合材料的耐料浆冲蚀性能明显优于环氧树脂/碳化硅二元复合材料;不同孔径泡沫镍骨架的复合材料的冲蚀量随攻角变化出现了不同的峰值;合理匹配泡沫镍骨架的孔径和体密度,可制备出具有优异抗冲蚀性能的颗粒增强双连续复合材料.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点.本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型.根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解.结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况.结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

高速颗粒流冲击下负泊松比力学超材料夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理

建立了颗粒流子弹发射有限元模型,利用离散元和有限元的联合模拟方法,研究了高速颗粒流冲击负泊松比内凹蜂窝夹芯梁的动态响应及缓冲吸能机理。分析了加载冲量、冲击角、芯材强度以及颗粒流子弹与面板间的摩擦力等因素对夹芯梁动态响应的影响。研究结果表明:夹芯梁在正向颗粒流子弹冲击载荷作用下表现为局部凹陷和整体弯曲的耦合变形模式,面内设计芯材因胞壁弯曲呈现局部内凹的变形模式,面外设计芯材因胞壁屈曲呈现局部褶皱的变形模式。在等面密度的条件下,采用面外设计的硬芯夹芯梁面板的跨中最大挠度比采用面内设计的软芯夹芯梁小,但初始冲击力峰值和冲击力整体水平较高,冲击力响应时间较短。夹芯梁前后面板的跨中最大挠度与冲击载荷近似呈对数线性递增关系。与正向冲击相比,斜冲击下夹芯梁的变形模式具有非对称性,局部凹陷程度减小;在颗粒流子弹不同冲击角度作用下,夹芯梁前后面板的跨中最大挠度、初始冲击力峰值以及传递到夹芯梁的动能和动量占比随冲击角度的增大而减小,而颗粒流子弹与夹芯梁面板间的摩擦因数对夹芯梁的动态响应无显著影响。     

风沙环境下钢结构涂层低角度冲蚀特性研究

针对风沙环境中钢结构涂层长期受冲蚀,涂层破坏直接降低钢结构体系耐久性的现状,采用能模拟风沙环境的气流挟沙喷射法对钢结构涂层试件进行了低角度冲蚀试验,用失重测量法测定涂层冲蚀失重量与沙剂量和冲击速度关系,进而评定冲蚀程度,用扫描电镜(SEM)观测分析涂层冲蚀区的微观形貌来分析冲蚀机理,并提出了涂层冲蚀程度评价计算公式.结果表明:涂层冲蚀失重量随沙剂量和冲击速度的增大而增加;低角度冲蚀主要为微切削作用,材料硬度起决定因素,高角度冲蚀主要为冲蚀挤压变形作用,材料韧性起决定作用,由于涂层材料硬度低而韧性高,故在低冲角下其受冲蚀程度严重;验证了评价计算公式用于评价涂层冲蚀程度的可靠性.研究结果将为准确评价风沙区钢结构体系耐久性提供依据.     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

粗糙颗粒动理学及稠密气固两相流动的数值模拟

考虑颗粒碰撞过程中摩擦作用,给出了粗糙颗粒碰撞动力学.引入颗粒相拟总温来表征颗粒平动和转动脉动能量的特征.基于气体分子运动论,建立颗粒碰撞中平动和旋转共同作用的粗糙颗粒动理学,给出了颗粒相压力和黏度等输运参数计算模型.运用基于颗粒动理学的欧拉-欧拉气固两相流模型,数值模拟了流化床内气体颗粒两相流动特性,分析了颗粒旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响.模拟得到的流化床内径向颗粒浓度和提升管内颗粒轴向速度与他人实验结果相吻合.模拟结果表明随着颗粒浓度的增加,颗粒相压力和能量耗散逐渐增加,而颗粒拟总温先增加后下降.随着颗粒粗糙度系数的增加,床内平均颗粒相拟总温和能量耗散增加,表明颗粒旋转产生的摩擦将导致颗粒旋转脉动能量的改变,影响床内气体-颗粒两相宏观流动特性.      

含砂流对弯管段冲蚀的机理分析

管道的弯管段、闸阀等处常常面临含砂流动的冲蚀磨损而导致管壁减薄或泄漏。为研究弯管段冲蚀磨损的主要机制,进行了加入5%石英砂的固液两相管流循环试验。试验按砂粒粒径分组,主要观测布置在弯管段的一组碳钢贴片在2~3小时后的壁面冲蚀特征。用失重法计算各贴片的冲蚀速率,基于扫描电镜(SEM)研究了贴片表面的损伤形貌。冲蚀后的贴片表面既有犁沟、挤压凹坑及划痕,亦有圆形蚀坑。能谱分析(EDS)显示有一定量的铁氧化物,且不同位置处的贴片失重率有正有负,由此可见导致贴片表面破坏的机制既包括切削、挤压和二次冲击等含沙流流动的机械作用,也伴随着腐蚀作用。这两种机制在弯管各区有不同的体现,且受砂粒粒径的影响。用数值模拟的两相流冲蚀弯管段流场压力和颗粒分布特征做了验证。结果表明弯管段的壁面损伤机制在外拱壁面以颗粒冲击和切削为主,在内拱璧面则以氧化腐蚀为主。     

钢结构表面涂层受风沙冲蚀机理和评价方法

内蒙古中西部地区钢结构表面涂层受风沙冲蚀磨损严重.在模拟钢结构涂层受风沙冲蚀磨损试验的基础上,应用扫描电子显微镜(SEM)观测涂层在不同冲蚀条件下的冲蚀磨损部位微观形貌,分析涂层材料受风沙冲蚀磨损的损伤机理,提出了评价涂层冲蚀磨损程度的计算方法.结果表明:低角度冲蚀时微切削作用占主导,硬度起决定作用,高角度冲蚀时挤压变形占主导,柔韧性起决定作用,由于涂层硬度较低,柔韧性好,所以高角度时涂层的耐冲蚀性能较好;最大冲蚀磨损失重量出现在45°左右,是由于该材料具有介于塑性和脆性材料之间的冲蚀磨损特性;速度越大,粒子的动能越大,冲蚀磨损失重量越大;在低浓度时,冲蚀磨损失重量随着浓度的增加而增加,而在高浓度时则出现下降的趋势;评价公式的计算结果与实验结果吻合.研究结果为钢结构涂层的耐久性研究提供了理论依据.     

几种水机常用金属材料的冲蚀磨损性能研究

研究了在水力机械中普遍应用的铸铁(HT200)、中碳结构铸钢(40#)、不锈钢(1Cr18Ni9Ti)和高铬铸铁(KmTBCr26)4种材料的冲蚀磨损规律,得出了材料的冲蚀磨损率随磨损时间、冲蚀速度、磨粒浓度和粒径变化的规律,同时根据观察材料冲蚀磨损表面形貌探讨了其冲蚀磨损机理.结果表明:材料的冲蚀磨损性能受到材料基本机械性能的控制,其中高硬度材料的抗冲蚀性能较好,在相同试验条件下其磨损率由大到小排列顺序为HT200＞40#＞1Cr18Ni9Ti＞KmTBCr26;4种材料的冲蚀磨损率随磨粒粒径、浆料浓度和磨粒冲击速度的变化规律基本一致,当磨粒粒径小于425 μm时,磨粒粒径对KmTBCr26和1Cr18Ni9Ti的磨损率影响很小;金属材料的组织结构对材料的冲蚀磨损性能和机理影响较大,其中KmTBCr26和1Cr18Ni9Ti的冲蚀磨损机理以脆性断裂、破裂及颗粒脱落为主,而HT200和40#的冲蚀磨损机理以选择性切削式冲蚀磨损为主.     

冲击载荷作用下颗粒材料动态力学响应的近场动力学模拟

颗粒材料在冲击载荷作用下的动态力学行为是学术界关注的热点问题. 新近问世的近场动力学(peridynamics)理论将材料视为由大量有限体积和有限质量的物质点组成,基于非连续性和非局部作用假定建模,建立空间积分形式的运动方程,自然适应于颗粒材料动态力学行为的描述与分析. 发展了描述颗粒间接触作用的物质点尺度的排斥力模型,考虑近场动力学方法中非局部长程力特征,改进了近场动力学中的初始微观弹脆性(prototype microelastic brittle, PMB) 模型的本构力函数,并消除了原PMB 模型中存在的“边界效应” 问题. 计算分析了冲击载荷作用下碳化钨陶瓷颗粒体系的动态力学响应,得到了不同冲击速度下颗粒体系的冲击波速,PD计算结果与试验结果高度一致;通过颗粒物质点尺度作用描述单颗粒尺度的接触作用,很好地再现了颗粒的转动与平动、颗粒挤压变形以及颗粒破碎等现象;刚性冲击板附近同时存在严重的颗粒破碎与轻微的颗粒损伤,远离冲击板的部分颗粒出现破损,且颗粒破碎主要是由颗粒间挤压、碰撞以及相对滑动剪切作用造成的. 研究结果表明,所发展的计算模型和分析方法能很好地反映颗粒材料动态力学行为,具有广泛的应用价值.