涂层式裂纹监测系统中基体裂纹穿越行为研究

建立了智能涂层的两相模型与三相模型,基于能量准则分别用这两种模型研究了基体裂纹达到涂层界面后的穿越/偏转行为. 用有限元法分析了相对裂纹扩展长度、弹性错配参数及界面层厚度对偏转裂纹与穿越裂纹能量释放率之比的影响,结果表明当基体裂纹到达驱动层与基体界面时,能量释放率之比不仅与基体和驱动层之间的弹性错配相关,而且当驱动层较薄时对驱动层与传感层之间的弹性错配亦有较强的依赖性. 此外,随着驱动层厚度的增加,能量释放率之比对驱动层与传感层之间的弹性错配的依赖性逐渐降低. 通过与实验结果相比,建立的模型能够较好的解释基体裂纹在界面的扩展行为,可用于智能涂层裂纹传感器的优化设计.      

钨合金三点弯曲破坏的细观数值模拟

运用有限元方法模拟了钨合金材料的三点弯曲实验;采用单胞单元计算模型,分析了断口形貌与材料力学性能之间的关系;建立了宏观断裂形式与微观结构参数之间的关联.结果表明:裂纹主要产生在 W-W 界面、W-M 界面,且在基体中向前发展,钨合金材料的破坏可归结为延性材料的破坏;裂纹的尖端始终处于应力集中的状态,随着裂纹的扩展,拉应力集中不断释放,并且转移到新的裂纹尖端;裂纹尖端的单元为拉伸破坏,拉应力是导致裂纹扩展的主要因素.     

MCA方法在金属材料涂层性能研究中的应用

可移动元胞自动机(MCA)法是继有限元、边界元法之后又一种新的数值方法，它建立在不连续介质力学基础之上，可以直接模拟不均匀材料内部的损伤累积、裂纹扩展、碰撞能的计算等。本文介绍了MCA方法的理论基础及数学模型，通过一个金属基陶瓷涂层材料在冲击载荷作用下的损伤破坏计算实例表明，在同样条件下，双陶瓷涂层试样比单陶瓷涂层试样的抗冲击能力有明显提高，二者断口形貌和本构关系曲线也完全不同，说明涂层结构对涂层材料变形、损伤和破坏形式有重要影响，进而证明MCA方法可用来优化设计涂层结构与材料。     

三维编织复合材料渐进损伤的非线性模型及强度分析

建立了考虑周期性位移边界条件的细观体胞模型,对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟。采用Eshelby-Mori—Tanaka方法计算含损伤裂纹的材料的剐度矩阵,并将有限元网格尺寸和单元裂纹尺寸引入损伤演化方程,有效地降低了模拟结果对有限元网格的依赖程度。通过计算得到了材料应力应变的非线性关系和失效时的极限强度,并分析了材料的破坏机理。结果表明,大编织角材料的破坏模式主要是基体失效与纤维横向拉剪破坏,模拟计算结果与文献中的实验值吻合较好。     

非线性断裂模式下冻土复合型破坏的数值计算

冻土是多相复合材料,其内部含有很多孔洞,裂隙等缺隙,它的断裂破坏过程像岩石及混凝土等准脆性材料一样具有明显的非线性特征.本文提出了一种胶结力裂纹模型来模拟冻土的断裂破坏过程.这种模型基于在裂纹尖端插入非线性界面元来模拟微裂纹区的胶结力(使裂纹闭合的力),裂纹扩展判据采用最大应变能释放率准则,同时编制程序对冻土Ⅰ-Ⅱ复合...     

陶瓷刀具切削区温度场的计算机模拟

在切削金属过程中所消耗的能量几乎９０％以上都转化为热，致使工件，切屑和刀具的温度都上升，其中刀具的温升与切削机理及切削参数密切相关，并且直接影响刀具磨损及其全用寿命。为了研究陶瓷刀具切削温度分布对其磨损规律和机理的影响，根据传热理论建立了数学模型，用计算机模拟编制出陶瓷刀具切削区温度场计算的专业软件，可以得出不同陶瓷料刀具在不同切削条件下切步同工件材料过程中的温度分布曲线图，而且实际测量值与模拟值     

混凝土复合型裂纹扩展的非局部近场动力学建模分析

基于非局部近场动力学理论,构建了修正的能反映混凝土宏观拉压异性和断裂特征的近场动力学本构模型,开发了相应的离散、加载和时间积分算法,实现典型混凝土构件中复合型裂纹扩展过程模拟。在物质点对尺度上定义局部损伤并考虑物质点对的相对转动,通过求解时空微-积分方程实现裂纹的自然萌生与扩展,避免裂尖不连续带来的求解奇异性、网格依赖性和网格重构以及常规近场动力学本构模型的泊松比限制。通过含单边和双边初始裂纹四点剪切混凝土梁裂纹扩展破坏全过程模拟,得到破坏形态、破坏荷载以及完整的荷载-裂纹开口滑移曲线,并与试验和其他数值模拟结果对比,验证了模型的精确性和算法的稳定性。     

基于显微CT图像的近场动力学建模与复合材料微结构破坏模拟

随着纤维增强复合材料应用领域的不断扩展且用量激增,亟需理清复合材料微观结构损伤对宏观力学性能影响的内在机制。因此,发展针对纤维增强复合材料微结构破坏过程的建模与高效模拟方法就显得十分重要。本文借助显微CT(Micro-computed Tomography)扫描技术,提出了一种基于显微CT图像中像素点离散的近场动力学建模与模拟方法。一方面,近场动力学作为一种由积分方程建模的非局部理论,便于采用基于空间点离散的数值计算方法,相比传统的连续介质力学能够更有效地模拟材料从连续变形到裂纹萌生与扩展(非连续变形)的全过程。另一方面,对显微CT图像使用像素点灰度阈值分割处理技术,能够快速建立含有复合材料原位微结构信息的空间点离散模型。该离散模型可以直接用于微结构破坏过程的近场动力学模拟,从而避免了传统的数值模拟技术需要依据像素点先建立光滑的几何模型、再划分成有限单元网格的复杂前处理过程,并且极大地保留了复合材料的原位组分分布信息。数值模拟结果表明,基于显微CT图像的近场动力学建模方法能够精确捕捉到复合材料微结构信息,并能准确模拟纤维增强复合材料的微结构破坏过程。     

激光辐照下充压柱壳失效的三维离散元模拟

应用三维离散元方法模拟了充压柱壳在激光辐照下的破坏过程。结果表明 ,在较低功率密度和较大光斑情况下 ,光斑中央产生裂纹并沿轴向扩展引起破坏。在高功率密度和小光斑情况下 ,则产生中央穿孔破坏。对于铁合金 ,当材料的延展性较大时 ,可能产生第三种破坏形式 ,即在数十微秒量级产生较大面积的整体粉碎性爆裂。模拟结果与实验对比吻合较好。     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

Slip-line modeling of machining with a rounded-edge tool—Part II: analysis of the size effect and the shear strain-rate

Part II of the present study quantitatively analyzes orthogonal metal cutting processes based on the new slip-line model proposed in Part I. The applicable range of the model is illustrated, followed by an explanation of the non-unique nature of the model. It is suggested that the tool edge roundness be comprehensively defined by four variables. Namely: tool edge radius, position of the stagnation point on the tool edge, tool-chip frictional shear stress above the stagnation point on the tool edge, and tool-chip frictional shear stress below the stagnation point on the tool edge. The effects of these four variables on eight groups of machining parameters are investigated. These include (1) cutting force, thrust force, resultant force, and the ratio of cutting force to thrust force; (2) ploughing force; (3) chip up-curl radius; (4) chip thickness; (5) tool-chip contact length; (6) thickness of the primary shear zone; (7) average shear strain in the primary shear zone; and (8) average shear strain-rate in the primary shear zone. The importance of tool edge roundness is further reinforced by a series of new research findings made in this paper. It is revealed that the size effect highly depends on the material constitutive behavior in machining. The dependence of the thickness of the primary shear zone and the dependence of the magnitude of shear strain-rate in the primary shear zone on the tool edge radius are well demonstrated. A surprisingly good agreement between theory and experiments is reached.     

横向交变载荷下TiCN/MoS2涂层螺栓的防松性能研究

基于自主设计的螺栓连接振动试验装置,系统研究了横向交变载荷下TiCN/MoS₂涂层螺栓分别与TiCN/MoS₂涂层螺母和无涂层螺母配合时连接结构的松动行为,并利用体式显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子能谱仪(EDX)和白光干涉仪等微观分析设备对试验后的螺纹表面进行损伤分析,深入讨论其磨损机理. 结果表明:在相同试验条件下,TiCN/MoS₂涂层螺栓比无涂层螺栓螺纹表面的损伤轻微,连接结构的松动程度更低;与无涂层螺栓螺纹根部相同等效应力状态下,TiCN/MoS₂涂层螺栓连接结构的预紧力可提高约10%,螺纹表面的损伤减轻,同时连接结构的松动程度进一步降低;TiCN/MoS₂涂层螺栓螺纹表面的主要磨损机制为疲劳磨损.      

基于爆炸切割试验的有机玻璃本构模型参数反演

为了获取爆炸切割数值模拟中有机玻璃（PMMA）的材料本构模型参数,建立了一种基于神经网络的有机玻璃Johnson Holmquist ceramics (JH-2)本构模型参数反演方法：基于从爆炸切割试验和现有研究得到的JH-2本构模型经验参数,确定本构模型参数的调整区间;使用LS-DYNA数值模拟软件对2.5 mm宽爆炸切割索切割14 mm PMMA平板过程进行数值模拟并收集平板损伤数据集;建立PMMA平板本构模型参数与损伤数据之间的神经网络模型;通过训练完成的神经网络模型对PMMA平板的JH-2本构模型参数进行反演。为验证通过反演参数的可靠性,进行了4.2 mm宽爆炸切割索切割19 mm PMMA平板试验和有限元数值模拟,计算结果中的平板损伤情况与实验结果相差较小,表明通过反演获得的JH-2本构模型参数能较好地应用于PMMA平板爆炸切割数值模拟。传统材料参数获取方法,该参数反演方法相较于可以通过较少的试验及测试,获得比较准确的材料本构模型参数。     

Wear Mechanisms of Electrical Steel Sheets,Hard Metal and High Speed Steel Pins Coated with TiAlN and TiCN

The wear behaviour of electrical steel sheets, hard metal plasma nitrided and high speed HSS steel M2 coated with TiAlN and TiCN are investigated and compared, using the pin-on-disk standard test under different loads. The coating process has been performed in an industrial equipment unit for maximised conditions and the coated layers were measured and characterised. The load, sliding distance and velocity were kept constant during the sliding test in order to control these variables. The counterface disks used were electric steel sheets. The lost volume and temperature at the pin end have been measured during the wear test and comparisons for the coated HSS steel and hard metal were done, using a plot of lost volume versus sliding distance for both materials. A brief review of the main abrasion mechanisms of metals is presented. The pin worn surfaces were observed using a Scanning Electron Microscope. Hard metal plasma nitrided has shown superior wear resistance than WC with no surface treatment. The HSS steel coated with TiAlN had a wear resistance similar to the WC.     

端铣Ti40阻燃钛合金的刀具磨损破损形态及其机理

分别采用油冷和低温喷雾射流冷却方法开展了涂层硬质合金刀具端铣Ti40阻燃钛合金试验,结合铣削力和铣削温度,对刀具磨损破损形态及其磨损机理进行了系统研究.结果表明:涂层硬质合金刀具在铣削Ti40阻燃钛合金时主要磨损形式为前刀面月牙洼磨损和后刀面边界磨损;前后刀面破损形态主要表现为涂层贝壳状剥落、裂纹和微崩刃.磨损机理主要是黏结磨损、磨粒磨损、氧化磨损及疲劳破损的综合作用.铣削高温是造成硬质合金刀具快速磨损的主要原因.低温喷雾射流冷却方式明显降低了铣削温度,减轻了刀具黏结磨损、氧化磨损,同时抑制了刀具边界磨损的发展速度,因而大幅度提高了刀具的耐用度.     

开式热沉内冷刀具的设计及其导热性能分析

车削加工温度对工件的表面加工质量和刀具的使用寿命具有重要影响. 设计了一种开式热沉内冷刀具,计算了在实际加工工艺参数下刀具受到的切削力和前刀面上的热流密度,分析了刀具的结构强度;建立了刀具热-流-固耦合温度场模型,探讨了热稳态条件下刀具的温度场分布,以及刀片冷却液流道内热沉数量对刀具导热性能的影响规律,比较了在相同热源条件下开式热沉内冷刀具与其他内冷刀具的导热性能. 结果表明:对于刀片材料为硬质合金YT5的刀具,在热流密度为10 W/mm2的条件下,内置6个热沉的设计方案可获得最佳冷却效果,刀具的最高切削温度控制为187.1 ℃;与其他内冷刀具相比,开式热沉内冷刀具的最高切削温度降低了12.1 ℃.      

离子束增强沉积氮化钛膜改善硬质合金刀具抗切削损伤性能的研究

通过切削对比试验，考察了分别用离子束增强沉积法和离子镀法镀覆ＴｉＮ膜的硬质合金刀具和无镀层的同种硬质合金刀具的抗切削损伤性能．结果表明，在给定的试验条件下，有离子束增强沉积ＴｉＮ膜硬质合金刀具的切削距离远比无镀层刀具的长，也比有离子镀ＴｉＮ膜刀具的长，其前面和后面的损伤都很小．这是离子束增强沉积过程中各种参数可以分别调节，膜层质量易于控制，能够形成致密度高且与基体结合力强的硬质薄膜的结果．刀具切削损伤的原因主要有磨损和脆性损伤，这都与刀具材料同被切削金属产生的粘着有关     

切削力建模方法综述

航空航天工程广泛采用薄壁复杂结构零件, 实现其高效精密数控加工关键技术具有重大的现 实意义. 传统的CAD/CAM软件在确定切削策略和规划刀位轨迹时, 一般仅基于零件的理想几 何形状. 由于切削力引起的刀具、零件显著的加工变形即``让刀'现象, 必然导致零件的实 际加工表面与理论值之间存在较大偏差. 工程师往往不得不通过选用比较保守的切削用量和 多次重复精加工过程来保证零件的加工精度. 为了能够从根本上解决这一问题, 很有必要通 过建立准确的切削力预报模型, 仿真切削加工的物理过程, 揭示工件和刀具的加工变形规律, 补偿原始数控刀具轨迹, 最终达到改善工件加工精度和提高加工效率的目的. 本文综述了各 种不同的切削力建模方法, 包括基于切屑形成机理的二维正交切削力模型、基于单位切削力 系数的铣削力模型、神经网络模型以及模糊灰色理论等. 目的是为实现薄壁复杂结构零件的 加工变形预测控制、关键工艺参数优化以及加工过程的物理仿真提供理论基础.     

冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响

基于复合制冷技术研制1种低温冷风/低温最小量润滑供给装置,使用TiAlN涂层硬质合金刀具进行干切削、最小量润滑(MQL)、低温冷风及低温最小量润滑(低温MQL)条件下镍基高温合金Inconel 718的高速车削试验和淬硬钢AISI D2的高速铣削试验,通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)观察分析硬质合金刀具的磨损形态、磨损机理,研究低温冷风和低温MQL对高速切削难加工材料刀具磨损的影响.结果表明:高速切削Inconel 718和AISI D2时,刀具磨损机理主要为磨料磨损、黏结磨损和扩散磨损;低温冷风和低温MQL可有效降低高速切削时的切削温度,进而防止刀具软化,减小磨料磨损和与温度相关的黏结磨损、扩散磨损,因而可大幅度地提高刀具的使用寿命.     

氟金云母玻璃陶瓷钻削过程中的刀具磨损特性研究

分别用硬质合金刀具和高速钢刀具钻削氟金云母可加工玻璃陶瓷材料,通过对刀具磨损表面形貌的观察和刀具主后刀面磨损带宽度的测试,分析了氟金云母玻璃陶瓷钻削加工中的刀具磨损过程、磨损形式及其机制.结果表明:与低碳钢相比,玻璃陶瓷材料钻削时刀具磨损较大,采用高速钢刀具时磨损比较剧烈,不适合氟金云母玻璃陶瓷材料的钻削加工;硬质合金刀具的磨损形态包括主后刀面磨损、副后刀面磨损以及横刃磨损,硬质合金钻头副后刀面的磨损为氟金云母玻璃陶瓷材料钻削加工的显著特征,磨料磨损和粘着磨损为硬质合金刀具的主要磨损形式;崩刃为硬质合金刀具非正常磨损的主要形式.