关键词： AFRP复合材料   激光加工   热影响区   仿真建模   抗拉强度  

摘要： 芳纶纤维增强树脂基复合材料(Aramid Fiber Reinforced Polymer,AFRP)是以芳纶纤维为增强相、树脂为基体的新型复合材料,具有比强度和比刚度高、抗疲劳性好、可设计性强和绝缘性好等优点,广泛应用于军民用领域。机加工AFRP材料易产生分层、撕裂和毛边等缺陷,影响零部件综合性能。激光加工技术为非接触加工方法,可克服传统接触式机加工存在的问题,因此,激光加工在AFRP零部件制造领域具有独特优势和广阔应用前景。本文围绕AFRP材料激光加工进行了理论分析、数值模拟和实验研究。主要工作和结论如下:(1)激光加工AFRP温度场演化研究。利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件建立了AFRP在激光作用下的温度场模型,数值研究得到了复合材料温度场的变化规律。基于芳纶纤维在轴向和径向的导热率不同以及芳纶纤维和环氧树脂导热率的不同,观察到热量在两种材料的传导过程。由于芳纶纤维在轴向上的导热率比径向高,故热量在轴向上的传递速度大于径向。并且温度场在激光作用下随着激光能量密度的增加,复合材料的最高温度逐渐升高。(2)皮秒激光加工AFRP工艺实验。分别采用紫外、绿光和红外皮秒激光加工AFRP。通过测量计算得出:在三个激光波长中,紫外激光的加工质量和效率最高,绿光激光次之,红外激光的加工质量和效率最低;上切缝宽度、切缝深度和上表面热影响区的宽度与激光功率成正比,与激光扫描速度成反比;切缝锥度与激光功率成正比,与激光扫描速度成反比;且适当降低激光扫描速度,有利于提高切缝深宽比。(3)热影响区对AFRP拉伸强度的影响规律研究。通过钻床和皮秒激光在AFRP材料样品上打孔,比较了不同打孔方法对加工质量的影响。测量了不同波长皮秒激光加工下的热影响区宽度、最大载荷和最大抗拉强度。结果表明,热影响区的出现降低了AFRP材料试样的最大载荷和抗拉强度。热影响区越大,AFRP材料的最大载荷和抗拉强度越小。此外,当使用钻机钻孔时,孔边的加工质量很差,存在大量毛刺和材料分层缺陷,导致AFRP材料的最大载荷和抗拉强度较低。当使用皮秒激光打孔时,孔边形貌、加工质量、最大载荷和抗拉强度均强于钻机钻孔,其中紫外皮秒激光的加工效果最好。因此,为了在实际工程应用中获得更好的加工效果,应首选紫外皮秒激光器。

关键词： 气中电火花加工   流场仿真   打孔   铣削   材料蚀除   多相流  

摘要： 电火花加工依靠电极之间脉冲火花放电产生的热量来熔化甚至汽化材料,将其从工件上去除可用于加工高强度、高硬度和导电材料。气中电火花加工具有环境友好、电极损耗低且加工设备利于集成具有较大的发展潜力。气中电火花加工产生的电蚀产物的排出仅仅依赖于间隙气流的吹动,间隙气流状态的分布规律决定了电蚀产物的运动状态和分布特点。此外,电火花加工放电蚀除过程非常复杂且具有随机性,目前对放电机理并不十分清楚。因此对气中间隙流场的状态分布和电蚀产物在间隙流场中的物理性质和流动状态具有重要意义。本文对电火花间隙流场进行了建模仿真分析并进行了实验,同时基于热流耦合的多相流模型对工件表面的材料去除过程进行了仿真研究。首先综合考虑了气中电火花间隙流场的特点并结合流体动力学建立了气中电火花加工间隙流场的仿真模型,并通过仿真结果和实验结果对比验证了仿真模型的有效性。对气中电火花加工三种工艺间隙流场状态仿真和电蚀颗粒运动的可视化,通过仿真发现,极间的气流的可压缩性对冲洗效率有较大影响,气流在加工间隙内运动发展时具有临界速度,因此本文采用质量流速代替冲洗效率;通过仿真获得了三种工艺不同条件下的间隙流场的特点,打孔加工间隙流场在孔口附近的冲洗效率接近于零,铣削加工间隙流场的冲洗效率在进给的反方向快速降低,同时间隙流场内部存在冲洗效率较差的涡流区域,间隙流场中的电蚀产物易在冲洗效率较差的区域沉积。其次对气中电火花打孔和铣削加工进行了实验研究。实验研究了不同加工深度和不同电极形状条件下摇动打工加工和铣削加工的加工效率和加工表面质量,实验结果表明,采用锥形电极加工获得了最高的加工效率,加工深度增加后,加工效率快速降低,且孔表面电蚀产物的黏附加重,加工质量降低。铣削加工后的表面可以明显观察到电蚀产物的沉积且部分电蚀产物表面光滑接近球形。实验结果验证了仿真分析结果的有效性,同时,实验中电蚀产物的沉积形貌中的凝固痕迹表明电蚀产物在极间的物理状态是影响气中电火花加工的深层因素。最后基于热流耦合的流体动力学对气中电火花加工材料蚀除过程中的温度场、熔池形成和熔池金属在间隙流场的运动和相变过程进行了仿真研究。基于高斯热源同时考虑了相变、多相流体流动、耦合传热、熔池受力和间隙流场等因素,实现了气中电火花温度场变化、熔池形成、电蚀产物抛出、电蚀产物在间隙流场中的相变和排除过程。仿真结果表明气中电火花加工过程中,电蚀产物以熔融的形式在间隙气流的作用下运动并排除间隙或黏附在工件表面,间隙气流和电蚀产物状态时影响加工表面质量的直接因素。提高气中电火花加工效率的可以从增大通气压力和加强冷却两个角度加以考虑。

关键词： GeSn半导体材料   激光加工   脉宽   结晶特性   周期性表面结构  

摘要： 目前,硅（Si）基半导体材料已运用到电子器件的诸多领域,但其作为间接带隙半导体材料,使得发光器件的光电转换效率较低。在锗（Ge）中掺入锡（Sn）形成GeSn合金且当Sn的浓度达到8%时,GeSn会从间接带隙半导体材料转变为直接带隙半导体材料,可用来制备高效的发光器件。同时GeSn合金拥有比Si、Ge更高的载流子迁移率,因此单晶GeSn薄膜成为制备薄膜晶体管（Thin Film Transistor,TFT）的理想材料。使用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition,CVD）或分子束外延法（Molecular Beam Epitaxy,MBE）制备单晶GeSn薄膜存在实验设备昂贵、耗时久、制备难度大以及Sn偏析等问题。而通过磁控溅射技术可以低成本、大规模制备非晶GeSn（a-GeSn）样品,诱导a-GeSn转变为单晶GeSn可以有效解决上述难题。由于传统热退火工艺诱导a-GeSn薄膜结晶也存在严重的Sn偏析现象。因此,激光诱导结晶技术成为一个不错的选择;激光加工可在室温条件下进行,加工步骤简单、兼容性强并且其非平衡加热的特性可以很大程度上抑制传统退火工艺中的Sn偏析问题。随着激光能量的改变,可在a-GeSn薄膜表面诱导出不同的形貌以及结晶效果。然而不同脉冲宽度的激光具有不同的能量积累时间、峰值功率、残留应力等特性,当激光脉宽由飞秒（Femtosecond,FS）量级转变至纳秒（Nanosecond,NS）量级时,其与物质相互作用的机理也会发生变化,使得加工效果发生改变。本文首先研究了不同脉宽激光诱导a-GeSn薄膜晶化、熔化、烧蚀等不同状态下辐照区域的加工效果。通过扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope,SEM）以及拉曼（Raman）光谱分析激光加工后GeSn薄膜的形貌特征以及结晶特性。我们发现,当激光辐照能量较低时,不同脉宽的激光均可很大程度上抑制Sn偏析现象的发生,a-GeSn转变为多晶GeSn的转化效率均在80%左右,但连续波（Continuous Wave,CW）激光与脉冲激光辐照后样品表面形貌特征存在较大区别;随着激光能量的升高,CW激光诱导a-GeSn薄膜的结晶转换效率出现显著下降。在长时间或多脉冲加工过程中,发现较长的辐照时间以及较高的脉冲数导致其冷却速度减慢,加重了Sn偏析现象。通过Matlab软件使用温度模型对FS、NS加工过程中的Ge材料表面的温度场进行模拟,验证了不同脉宽激光诱导材料结晶时的加热时间存在较大区别,从而导致结晶效果的不同。微纳结构可以赋予样品崭新的功能,样品表面微纳结构的制备已成为激光加工领域重要的研究方向。由于FS脉冲激光独特的“冷”加工优势可大大提高制备结构的精度,因此,使用2.5×物镜FS脉冲激光直写平台在a-GeSn薄膜上制备周期性表面结构（Laser Induce Periodic Surface Structure,LIPSS）。经过测量,确定此结构为GeSn锥形纳米柱结构。与此同时,研究了FS脉冲激光加工参数对周期性结构演化过程以及结晶特性的影响。探究了样品表面缺陷对LIPSS取向的影响,发现其对结构取向的影响程度高于材料本身的介电系数,结构的周期与激光波长接近,可充当衍射光栅的作用改变薄膜表面光学特性。由于此加工系统制备大面积LIPSS存在加工周期较慢的问题,为提高加工效率,采用柱面镜FS脉冲激光加工系统诱导a-GeSn薄膜制备出Si O-GeSn周期性锥形纳米柱结构,具有与2.5×物镜FS脉冲激光加工系统制备结构相似的光学特性。

关键词： 微流控芯片   微气泡   激光加工   微织构   COMSOL  

摘要： 随着工业化的发展与城市化的加速,大气污染日益严重,空气中夹杂的微生物越来越多,微生物的增多会导致疾病的产生与传播,对人类健康造成威胁。尤其自2019年新冠肺炎被发现以来,在全球范围内迅速传播,严重影响了人们的生产生活。空气传播是新冠病毒传播的主要途径之一,一种操作简单灵活且结果准确的空气中病毒检测装置可以帮助人们早日发现空气中包含的病毒,帮助人们提前做好应对,对于预防病毒的传播有着重要的意义。微流控技术是近年来发展迅速的在微尺度空间内操纵流体的一种技术,由于其在应用于检测方面时具有制造成本低、操作灵活、速度快的特点,受到学者们广大关注。本文基于微流控芯片技术开发了一种单相液体驱动的空气微气泡制备微流控芯片,并将其应用于空气检测。相比于传统大气监测方式,该芯片具有高通量、操作简单的特点,在对空气进行检测时可以实现实时定性定量分析。首先对微流控芯片结构进行设计,相比于传统芯片通过控制两相流体制备微气泡的方式,该芯片只需要操控一相液体即可完成微气泡的制备,而且制备出来的微气泡尺寸均匀,单分散性良好。实验结果表明,在一定范围内液相注入流量越大,产生的微气泡尺寸就会越小;当注入流量超出某一值Q时,芯片中将不再有微气泡产生。这一临界流量Q的大小与芯片参数有关,外相管长度L越长、外相管直径D越大、芯片倾斜角度θ越小,产生微气泡的临界流量就会越大。最后结合伯努利方程,对气泡产生机理进行了分析,并拟合出影响微流控芯片内气泡生成规律的经验公式;空气中荧光微粒实验表明,该芯片具有应用于空气检测的潜力。然后,为了减少芯片在使用的过程中出现的液体堵塞等问题,利用模板法制备了具有超疏水性能的PDMS表面,并用该表面作为芯片内壁来减小流体流动时的阻力。以玻璃作为模板,首先利用激光标刻机在玻璃表面加工微织构,研究了激光参数对微织构形貌的影响并优选出加工效果最好的激光加工参数;然后利用该参数作为基本参数,研究微织构深宽度对于PDMS润湿性的影响,实现了 PDMS润湿性的可调性,接触角最高可达162°,最后将PDMS表面作为内壁制备了具有不同润湿性能的微流控芯片,测试了内壁接触角对芯片临界流量的影响,接触角越大,临界流量越高。最后,利用COMSOL Mulphysics软件对微流控芯片内部流场进行仿真,对微流控通道中气泡生成过程进行分析,探究了液相流量对气泡尺寸的影响,探究了通道参数对于气泡生成情况的影响,并结合仿真结果与前期实验结果进行了对比验证,大部分实验分组的仿真结果与实验结果偏差值小于10%,表明了仿真模型可以很好的预测实验结果,也验证了实验结果的准确性。

关键词： 边缘特征处理   电子束斑   激光加工   图像处理   ResNet18网络  

摘要： 现代工业领域中,在大量电子元件需要微米乃至纳米级加工处理的背景下,电子束和激光束加工技术得到了快速发展,并在高温合金的打孔、焊接和表面改性等方面得到广泛应用。目前该行业内围绕此类加工结果的检测,普遍基于工人对加工效果进行直观的判断,不仅耗费了相当多的精力和时间,还存在效率低下与准确率差的问题。由于在高精度加工过程中产生的些许误差会严重影响到加工的效果,因此为了保证对加工结果的精准判断,本论文将面向电子束和激光束实验测试图像的检测需求,提出一种基于MFC和Open CV的可视化双束检测系统。针对双束加工图像的不同特点,主要工作如下:(1)在电子束斑图像处理算法中,设计了预处理步骤,利用增强算法(线性变换增强、顶帽操作)增加了图像背景和目标区域的对比度,利用噪声处理算法(滤波算法)对图像进行降噪处理来减少无关因素对检测精度的干扰。研究了基于Canny算子以及形态学梯度边缘检测等轮廓检测方法,并通过电子束斑轮廓图像的圆度(D)和轮廓宽度(Width)进行目标轮廓的双阈值筛选,提取得到目标轮廓,最后基于网格计数法提出了电子束斑图像专用的均匀度检测标准。减少了噪声信息,优化结构,增加了图像边缘特征提取的识别度和准确率,提高了算法的鲁棒性。(2)在激光加工图像处理算法中,设计改进了图像分割算法以及图像检测算法。其中图像分割部分,利用图像增强(线性图像增强)等预处理增加目标区域与背景的对比度。改进电子束斑边缘检测算法得到激光加工图像的边缘特征,并通过图像边缘的外接矩形进行图像分割处理。图像检测部分,利用图像预处理算法(灰度直方图、区域扩充、细小边缘保留、背景填充、掩膜处理)得到较为完整的边缘信息图像。提出辐射边缘点检测算法对边缘信息进行有效点的提取,然后通过对最小二乘法进行干扰点去除算法改进实现激光加工图像边缘轮廓的拟合处理,且该算法有较好的自适应能力。最后基于上述算法得到的轮廓数据,进行激光加工图像数据集的制作,为通过深度学习的方式拟合激光加工图像的轮廓提供数据支撑。(3)基于深度学习算法,本论文对激光加工图像处理算法得到的数据集通过ResNet18残差网络进行数据集检测实验。通过对网络结构的输入、输出端和残差模块的调整,对比分析发现较大尺寸输入图像与较深的网络结构更适合此类激光加工图像的检测。同时设计了此类激光加工图像的动态学习率调整机制(Laser-SGD),极大程度上提高了训练的速度。本论文通过电子束加工平台和紫外激光器,在铝箔纸和不锈钢表面进行电子束斑加工,在亚克力板表面进行激光图像加工,进行实验数据采集。并以C++和Python语言为依托,通过Open CV、MFC和Py Torch搭建框架,通过不同的算法对比、较多样本的测试,提出的电子束斑边缘检测算法能够有效的提取不同环境下的电子束斑图像的轮廓特征,提出的激光图像检测算法能够自适应处理各不相同的激光加工图像并成功拟合加工图像的边缘轮廓,且能够得到其轮廓的圆度、均匀度等相关参数。基于ResNet18网络对激光轮廓数据集进行检测实验,提出的Laser-SGD于传统的SGD相比,训练时间减少了90%,且通过网络的部分调整,与原始的ResNet18相比,拟合准确率提升了1.78%。该检测系统可以有效地检测到电子束斑图像和激光加工图像的边缘特征,有利于工程师对设备机器准确率的把握,并及时调整,有较好的应用价值。

关键词： 碳纳米管   场发射   电子源   激光加工   单电子发射  

摘要： 场发射电子源是热发射电子源的理想替代品,在国防安全、医疗诊断、工业微波、安全检测和半导体等领域有着广泛的应用,是电子显微镜、高频电子器件、光电探测器、微波器件和X射线源等军用、民用以及科技装备中的核心部件,其性能直接决定了器件的整体性能。优异的性能和独特的结构使碳纳米管成为场发射电子源近乎完美的材料,尤其是取向一致的竖直排列的碳纳米管。本论文将针对竖直碳纳米管场发射电子源进行研究,着重解决目前碳纳米管场发射电子源中出现的问题,旨在研制出具有小型化、经济化、精细化和可满足特殊需求等特点的性能优异的碳纳米管场发射电子源,满足国家在军事、民用以及科技装备等方面的应用需求,为后续研究提供一定的理论基础。本文主要内容如下:(1)首先针对“在经济性高、工艺简单和易于大规模制备的基础上快速获得具有高性能的三维图形化的竖直碳纳米管冷阴极”这一问题,提出了一种紫外纳秒激光加工制备锥形碳纳米管冷阴极的方法,成功制备出了高性能的竖直排列的碳纳米管纳米级锥形阵列(Vertically aligned carbon nanotube nanocone array,VACNTNA)。本文详细介绍了紫外纳秒激光加工制备VACNTNA冷阴极的方法及原理,包括各参数对加工效果的影响;通过大量测试与详细的对比得出了场发射性能与锥形阵列尖端尺寸的关系,并通过仿真进行了理论验证。与原始样品相比,尖端直径约为500 nm的锥形阵列的开启场强约减少1.2 V/μm,场发射电流有超过1-2个量级的提升,12 h的电流衰减率降低了3倍以上。该方法为大功率场发射电子源的设计和制备提供了新的思路。(2)针对超高分辨电子显微镜、超精细电子束光刻和量子计算器件等系统对高相干单电子源的需求,对“可调控的碳纳米管单电子发射体的制备及性能探究”这个问题开展研究。基于库伦阻塞和量子限域效应提出了一种竖直取向的单根碳纳米管(Vertically oriented single carbon nanotube,VOSCNT)/少根碳纳米管发射体,并用电场和高温诱导的方法成功对其进行了构筑。测试发现这种结构的场发射曲线展现出周期性电导峰,在一定程度上证实了这种结构的单电子发射机制,之后基于这种单电子发射结构构建了双势垒模型,并对其工作机理进行了表述。测试表明,当阴阳极间距约在百纳米时,其发射100 p A电流所需电压约为20-30 V,外加电压为45 V时,电流密度可达百纳安。同时,探讨了近场发射开启场强的定义方式,对单根碳纳米管近场场发射的场增强因子随碳纳米管长度和碳纳米管与阳极间距离的变化进行了仿真计算,并结合实验得出距离阳极约百纳米的单根碳纳米管/单电子发射体结构发射100 p A电流时的尖端场强约为1-2V/nm。这种结构有望应用于量子信息处理、自由电子量子光学以及纳米显微学等各领域构建单电子源或单电子器件。

关键词： 铜   超疏水   耐腐蚀   激光加工   硫醇   油水分离  

摘要： 自然界中许多生物表面均具有超疏水性,如荷叶上表面、水稻叶、蝴蝶翅膀等。受此启发,仿生超疏水表面在近年来得到了学术界和产业界的极大关注。铜作为最重要的工程金属材料之一,广泛应用在电气工程、机械工程和化工等领域,但铜固有的亲水性限制了其在某些场合的应用效果和使用寿命,故对铜表面做超疏水化处理,有望提升其综合使用性能。目前,铜基超疏水表面的加工主要基于表面粗糙化和低表面能处理,其中硫醇自组装是低表面能处理的常用手段之一,但硫醇对基体表面性能的影响规律尚不明确。针对此问题,本文研究了两种典型硫醇自组装对铜基材料表面性能的影响机理,并实现了铜基超疏水表面的制备。本论文的主要研究内容和结论如下:(1)研究了十二烷基硫醇(CH(CH)CHSH)自组装对铜网润湿性的影响机理,通过一步自组装法实现了超疏水-超亲油铜网的制备。十二烷基硫醇和铜原子之间的自组装反应在铜网的表面生成微纳米结构,同时烷基长链可以降低其表面能,从而使铜网的疏水性增强。实验结果表明,当十二烷基硫醇自组装2小时后,可获得的水接触角为153.1°,同时,该铜网具有超亲油性(油接触角为0°),故可用于多种复杂工况下油水混合物的高效分离(分离效率大于97%)。(2)研究了全氟硫醇(CF(CF)(CH)SH)自组装对铜网润湿性能的影响,实现了耐腐蚀超疏水铜网的一步自组装制备。通过分析铜网表面形貌和化学成分,研究了全氟硫醇在自组装过程中铜网表面的润湿性转变机理。当全氟硫醇自组装约1小时后,可获得水接触角为153.7°的超疏水表面。借助电化学腐蚀实验测试了超疏水铜网的耐腐蚀性能,结果表明,相比于原始铜网,全氟硫醇自组装形成的超疏水表面使铜网的耐腐蚀性能提高了约58.9%。(3)基于上述结果,研究了不同硫醇自组装对超疏水铜片性能的影响。采用飞秒激光在铜片表面加工出微槽状粗糙结构,借助十二烷基硫醇和全氟硫醇自组装获得了具有超低粘附力的超疏水表面(接触角大于150°,滚动角小于10°)。通过电化学测试研究了上述两种超疏水铜片的耐腐蚀性能,全氟硫醇自组装表面使耐腐蚀性能提升了约78.7%,而十二烷基硫醇自组装表面提升了约49.7%。因此,相比于碳氢链构成的十二烷基硫醇,由碳氟长链构成的全氟硫醇自组装后获得的超疏水表面具有更好的耐腐蚀性能。

关键词： 网络化制造   电火花数控系统   嵌入式系统   ARM  

摘要： 进入新时代,加快建设制造强国、加快发展先进制造业,成为我国的国家战略。其中,制造业的数字化、网络化、智能化是我国制造业创新发展的主要技术路线。电火花加工适用于难加工材料和复杂曲面的加工,特别在航天涡轮盘发动机制造加工领域有着重要地位。因此,电火花加工设备的网络化研究对推动制造业创新发展有着重要的意义。目前电火花数控系统都是基于PC构架,以华为事件为警钟,一旦国外在PC技术上封锁我国,国内的电火花加工数控系统将受到严重影响。随着嵌入式处理器的发展,嵌入式微处理器的资源已经能够满足电火花加工数控系统的要求。同时,基于嵌入式处理器的电火花加工数控系统研究能推进数控系统更深层次的国产化。由此,本文提出基于ARM(Acorn RISC Machine)的电火花数控系统网络化研究课题,以促进电火花加工技术发展。本文从网络化制造系统总体出发,分析电火花加工机床在网络化制造系统中扮演的角色,明确电火花加工机床需要面向主控用户(人机界面)、远程控制用户(生产线主控器)、远程监视用户(生产线监视器)提供不同的服务功能,研究电火花加工数控系统网络化的硬件方案和软件方案。结合电火花加工数控系统实际功能需求,构建基于TCP/IP的电火花数控系统网络通讯协议,开发网络通讯接口模块及用户演示界面。以德瑞加电火花加工机床为基础,开发基于ARM的电火花加工控制器,替换原工控机,实现对电火花加工机床的控制功能。基于ARM的电火花加工控制器采用“软PLC+NC+通讯服务”模型来实现数控系统的功能,用FMSC总线替代工控机的PC104总线,实现控制器与电火花加工控制板的接口。软件上采用COS实时操作系统来满足电火花数控系统的实时性要求。在德瑞加电火花加工机床,进行基于ARM的电火花加工控制器的网络通讯实验和机床控制功能的实验,验证了本研究电火花加工网络化方案的可行性。

关键词： 空化作用   电火花加工   表面粗糙度   流体动力学仿真  

摘要： 难加工材料在各个领域的应用越来越广泛,但是由于材料的特殊物理性质,在加工制造方面有着较大的难度。超声振动辅助电火花加工技术对难加工材料具有较好的加工效果,引起了研究人员的广泛关注。为了进一步探索超声波作用于流体时造成的空化泡溃灭而形成的冲击波和高温高压环境。本文从理论、仿真和实验逐步的分析了空化泡的溃灭、冲击波对工件表面的作用效果和工件表面质量的变化,主要研究内容如下:首先阐述了空化效应的相关理论和简化了空化泡的模型,在空化泡动力学方程、能量方程和冲击波方程的基础上,利用MATLAB得到了相应的数值解,分析了气泡初始半径、超声频率和声压幅值这三个主要因素对空化效应和空化冲击波强度的影响。其次通过在HYPERMESH前处理中,对空化泡、加工工件和液体包覆域各部分的进行材料设定,再使用LSDYNA作为仿真软件进行相关分析,最后在HYPERMESH后处理中得到相关仿真计算的结果。模拟了单个空化泡从初始状态到溃灭过程中的自身变化和对加工工件的影响,工件所受到的压力变化和空化泡自身左右两侧速度的变化,以及对于不同的初始半径和不同的初始速度对工件表面所产生的压力变化,利用有限元方法,证实了空化效应能够提高电火花加工表面质量。最后通过实验对不同超声电源所提供的总功率百分比展开研究,通过对加工工件表面形貌进行分析,并对加工工件表面粗糙度进行测量,将其与理论计算结果进行比较,发现引入超声产生空化效应的电火花加工工件得到的表面质量优于普通电火花加工,加入超声后工件表面粗糙度数值大约减小了9.3%-27.9%,而超声空化效应使得工件表面粗糙度数值大约减小了17.0%。

关键词： 能量采集器   COMSOL Multiphysics有限元仿真   激光加工   振动检测  

摘要： 近年来,电子设备向着微尺寸和低功耗的方向不断发展,传统电池成为新型设备小型化和可穿戴化的制约条件。在这种背景下,能量采集技术成为研究热点。本文提出了一种基于激光切割的改良悬臂梁型压电振动能量采集器,通过将二自由度与矩形镂空两种优化方式结合,以达到对能量采集器的优化目的。此外,利用该器件作为传感器设计了一种异常振动检测方法。利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件对普通悬臂梁型压电振动能量采集器、二自由度悬臂梁型压电振动能量采集器以及副梁带镂空的二自由度悬臂梁型压电振动能量采集器进行有限元仿真,通过对比三种能量采集器仿真结果的频率-输出电压曲线,确定本文所涉及的结构改良的压电能量采集器的可行性,并凸显出该种能量采集器的优点。使用热压键合工艺制备普通压电片,利用激光切割的方法制作二自由度悬臂梁型压电振动能量采集器以及后续镂空。搭建实验平台对所制备样品进行测试。为保证实验具有对照组,每一步切割后都进行测试。通过对比每一步切割前后的频率-输出电压曲线,分析本文提出的通过激光切割将二自由度优化方式与矩形镂空优化方式相结合的方法的优越性。最后,以悬臂梁型压电振动能量采集器作为传感器,利用全桥整流电路、滤波电容与LM2596芯片搭建整流降压电路,使能量采集器的输出作为3.3V高电平。利用单片机对高低电平进行检测,并通过NRF24L01无线模块与LCD1602显示屏对检测到的异常振动或停止进行报警,实现对异常振动的检测。