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关键词： 浮式风机动态缆   铠装层   磨损   疲劳寿命  

摘要： 随着全球对新能源需求日益旺盛,相应的新能源技术如海上风资源的开发和利用技术亟待提高。其中,浮式风机动态缆在风浪流等循环载荷作用影响下,铠装层钢丝间发生磨损现象将影响风机动态缆的运行寿命。鉴于此,本文通过建立Orca Flex浮式风机整体响应模型得到动态缆张力,建立ABAQUS动态缆局部模型得到钢丝间压力及滑移距离,建立简化钢丝磨损模型,基于ABAQUS有限元软件二次开发得到磨损深度,研究动态缆铠装层钢丝在海洋环境下的摩擦磨损对动态缆拉伸刚度引起的变化,从而分析磨损导致的拉伸刚度变化对疲劳寿命产生的影响。论文进行的主要工作有: 首先,分析铠装层钢丝在海洋环境条件作用下的摩擦磨损机理,基于微动磨损机理分析,确定了Archard磨损理论模型作为本文预测磨损理论模型,并选择UMESHMOTION+ALE技术为本文摩擦磨损模型数值实现方式。 其次,建立了ABAQUS动态缆局部分析模型,得到钢丝间接触压力及滑移量。采用FORTRAN语言,结合Archard磨损定律编制用于计算三维接触面磨损深度的UMESHMOTION子程序,模拟了动态缆同层间铠装层钢丝的磨损,通过自适应网格技术进行网格更新,实现了Archard磨损模型的有限元模拟,得到了铠装层钢丝的磨损量。 最后,分析了在位时组合工况下动态缆的疲劳特性,对考虑铠装层钢丝磨损后的刚度进行修正,评估了浮式风机考虑磨损与未考虑磨损的不同刚度的动态缆疲劳寿命。 本文的研究成果能够有效评估循环载荷作用对动态缆铠装层钢丝间磨损的影响,可以对浮式风机在实际工程中的安全应用提供技术借鉴。

关键词： 踏面制动   多边形特征   磨损竞争   粗糙表面   销-盘实验  

摘要： 近几年,中国铁路事业发展迅速,高速化、重载化是铁路发展的必然趋势。车轮的摩擦磨损问题也随之而来。车轮踏面的多边形磨损就是一个典型的摩擦损伤,又由于列车在制动过程中,闸瓦的摩擦产生大量的热,车轮材料会随着温度的升高而受到影响,再加上车轮踏面的多边形特征会影响温度、应力的分布,导致车轮、钢轨和闸瓦在热应力及不均匀载荷的共同作用下,极易发生新的摩擦损伤和疲劳损伤,导致车轮寿命的降低,另外钢轨蠕滑作用和闸瓦纯滑动作用同时对车轮踏面产生磨损,再加上车轮踏面的多边形特征,导致钢轨、车轮、闸瓦三者之间具有相互摩擦磨损的竞争关系。为了研究车轮-闸瓦接触界面的摩擦磨损机理,同时考虑车轮踏面的多边形磨耗特征,在Abaqus中建立钢轨-车轮-闸瓦三维有限元模型并设置材料属性,考虑对流换热、轮轨接触传热和热辐射等传热属性,根据列车的实际制动工况,对列车踏面制动过程进行仿真得到了制动过程车轮踏面、闸瓦接触表面温度场、应力场分布。在得到踏面温度场和应力场的基础上,基于Archard磨损模型,同时考虑了钢轨的蠕滑,对踏面的磨损区域进行划分,基于该模型利用Fortran语言对Umeshmotion子程序进行二次开发计算得到踏面的磨损深度,结合ALE网格技术对磨损节点进行偏移,分析了钢轨、车轮、闸瓦三者之间相互磨损的竞争关系及多边形特征对磨损深度的影响。考虑到车轮闸瓦接触表面本身存在一定的粗糙度,从介观尺度出发,基于W-M分形函数建立了双粗糙表面滑动接触模型。通过仿真分析得到了粗糙表面的接触应力、真实接触面积及温度的分布,在此基础上考虑了温度对材料的影响,提取粗糙表面的摩擦系数进行非线性拟合,分析了双粗糙表面间摩擦系数的变化规律。对列车制动工况进行换算,设计了销-盘式摩擦磨损实验得到接触表面间摩擦系数的变化规律及影响因素,采用称重法分析了销钉、销盘的磨损率,进一步研究车轮、闸瓦接触界面的摩擦磨损机理及磨损竞争关系。

关键词： SPECT   多刚体动力学   间隙激励   刚柔耦合动力学   疲劳寿命  

摘要： 作为一种先进的核医学影像设备,人体SPECT在疾病诊断与脏器功能成像等方面有着广泛的应用。SPECT的机械系统具有高承载、多自由度、多工作模式等特点,这使得运动机构中不易发现的间隙、松动等问题成为造成SPECT设备故障的隐患,甚至威胁到人身安全。因此,深入研究SPECT机械系统动力学特性,尤其是间隙激励下的动力学特性,对SPECT设备运行状态评估、故障诊断具有重要意义。在对工作原理及工作模式分析的基础上,建立了SPECT机械系统三维模型。基于多体动力学仿真平台Adams,建立了SPECT主回转机构和探测器平移机构动力学模型。采用多刚体动力学分析方法,对SPECT的典型运动机构,如行星齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、直齿圆柱齿轮传动、丝杠传动等进行了动力学仿真分析。针对90°模式和180°模式工况,详细分析了主回转传动齿轮和探测器平移机构的动力学特性。基于Hertz接触理论,研究间隙激励下主回转齿轮传动机构与丝杠传动机构动力学特性。分别探究了主回转齿轮与驱动齿轮、丝杠螺母与螺母套接触力的变化情况,以及接触力随间隙增大的变化规律。结果表明,主回转齿轮与驱动齿轮在间隙值超过0.5 mm时,间隙碰撞产生的接触力开始出现快速增长,且对负载敏感的切向接触力显著大于径向接触力;丝杠螺母与螺母套随着间隙的增大,间隙碰撞产生的接触力变化趋势呈现指数型增长。采用刚柔耦合动力学分析方法对主回转齿轮、驱动齿轮,平移机构中的螺母套进行应力分析,并确定不同间隙工况下各零部件的应力集中情况。结合应力分析结果,采用S-N曲线法,完成了主回转齿轮、驱动齿轮、螺母套的疲劳寿命分析。针对不同间隙工况,观测了疲劳寿命随间隙的变化情况。结果表明,在满足设备使用安全的前提下:主回转齿轮与驱动齿轮间隙应控制在0.5 mm内;X向螺母套间隙应控制在0.17 mm内;Y向螺母套间隙应控制在0.19 mm内。

关键词： 氢化丁腈   聚酰胺   摩擦磨损   橡胶密封材料   结晶  

摘要： 随着社会与科技的快速发展,对能源的需求越来越大,油气资源作为能源供应的主体,其开采过程中的安全和效率尤为重要。橡胶密封件是保证油田开采设备长期安全可靠运行的核心基础零件。随着油井越来越深,开采工况环境越发苛刻,对其中的橡胶密封件的性能要求更高。氢化丁腈橡胶(HNBR)作为石油钻取器械中常用的橡胶密封材料之一,高性能氢化丁腈材料的研发和制备一直是石油工业领域研究的焦点。因此,本文采用了高性能树脂,聚酰胺6(PA6),对HNBR进行增强研究。首先,对不同丙烯腈含量和饱和度的HNBR/PA6共混物的力学性能进行了测试分析。结果表明,高丙烯腈含量和低饱和度的HNBR力学性能更佳,PA6能够对HNBR基体起到显著的补强作用。然后对不同丙烯腈含量的HNBR/PA6共混物的高温力学性能和耐介质性能进行了测试分析。结果表明,在高温和油介质浸泡条件下,共混物的力学性能出现了明显的衰减,高温对高丙烯腈含量HNBR力学性能的影响更大,油介质对低丙烯腈含量HNBR力学性能的影响更大,而PA6的加入能够有效缓解材料力学性能的衰减。其次,对HNBR/PA6共混物的聚集态结构进行了表征分析,从相分离结构、分子链间相互作用力、结晶度及其形态、动态损耗等方面对PA6在共混物中的增强机理展开深入地探索。结果表明,在较高PA6含量下,共混物中PA6相形成了少量纤维结构,这对力学性能非常有利。PA6分子链与HNBR分子链之间存在强烈的相互作用,丙烯腈含量越高,相互作用越强。这会导致材料玻璃化转变温度的升高和损耗因子的降低。共混物中PA6的结晶性能受到相尺寸和相互作用力的影响,随着PA6含量增加,晶体结构更加完善、稳定。最后,对HNBR/PA6共混物在干滑动摩擦条件下的摩擦磨损性能及机理进行了研究分析。结果表明,随丙烯腈含量降低,纯HNBR的摩擦由以迟滞摩擦为主转变为以粘着摩擦为主。磨损除粘着磨损外,还伴随着钢球表面所带来的磨粒磨损。丙烯腈含量越高,橡胶分子链间相互作用越大,耐磨损性能越好。PA6的加入从三方面对共混物的摩擦磨损性能造成影响,一方面,摩擦副之间的粘附作用减弱,一方面,磨粒磨损增加,另一方面,脱落的PA6颗粒可以形成微滚珠层,这能大大提高共混物的耐磨性能。

关键词： 层流等离子体束   单点织构功能表面   U75V钢轨钢   在线预测模型   磨损行为   损伤机理  

摘要： 工业领域中,铁路轮轨等关键零部件在服役过程中承载着复杂交变载荷,其金属接触表面易出现各类磨损或疲劳失效问题。随着高能束的发展,织构化热处理技术通过在金属接触表面上构建离散硬质织构点,形成织构功能表面,提升工件的耐磨性而不明显降低其疲劳性能,这为综合金属接触表面磨损性能与疲劳性能提供了新的研究方向。然而,目前依旧存在以下问题抑制着该技术的发展及应用:一是织构功能表面制备参数难以选取,需要依靠预实验摸索,费时费力,无法满足不同工况下可控制备织构功能表面的需求;二是在典型滚滑接触工况下,基于层流等离子体束构建的织构功能表面的磨损行为未知,且织构点服役后往往在单侧产生裂纹,而其损伤机理未被清晰揭示。针对以上问题,本文以单点织构功能表面为例,首先构建了基于层流等离子体束的织构化热处理系统;随后针对单点织构功能表面可控制备方法开展了研究,构建了硬化区尺寸在线预测模型;最后研究了单点织构功能表面在滚滑接触工况下的磨损行为及损伤机理。本文主要研究内容及结论如下:(1)搭建包含层流等离子体射流在线监测系统及热处理控制系统的织构化热处理系统。该系统能够实现的功能包括:(1)能够通过本文所提的射流稳定性判据(电压均值波动小于±0.5 V,方差小于0.2;电流方差小于5;且射流无绿光)判断射流状态。(2)能够通过Lab VIEW上位机对射流图像和电信号进行实时监控及数据保存。(3)能够通过PLC控制伺服电机及电磁阀,实现织构化热处理流程。凭借以上三者,该系统能够在工件表面制备出硬化点大小一致、间隔均匀的单点织构功能表面。(2)研究单点织构化热处理后硬化区尺寸在线预测方法。通过开展不同参数下的织构化热处理实验及温度场仿真分析了处理参数对热流密度及热处理结果的影响。研究发现:(1)随着电弧电流和阳极喷嘴高度的增大,热量总效率系数将不断减小,而有效热源半径基本不随电弧电流、阳极喷嘴高度而变化,可认为是一定值(本文为5.865 mm);(2)随着热流密度峰值和加热时间的不断增大,热处理的最大温度和硬化区尺寸将不断增大,但实际的热处理最大温度需控制在奥氏体化温度与材料熔化温度之间。(3)结合实验与仿真结果,构建了硬化区尺寸在线预测模型,能够在线计算热流密度峰值、最大温度、硬化区尺寸。不同热处理参数下的验证实验表明,预测模型能够较准确地预测织构化热处理效果,且预测尺寸与实验尺寸基本一致,误差在20%以内。(3)研究单点织构功能表面的滚滑接触磨损行为与损伤机理。在U75V钢轨试样表面构建了多种单点织构功能表面,并模拟重载铁路工况开展了滚滑接触磨损试验,对单点织构功能表面的磨损行为进行了分析,通过建立接触仿真模型计算了磨损过程织构表面的应力应变分布情况,揭示了织构点的损伤机理。研究发现:(1)所构建单点织构功能表面的耐磨性相较于未处理表面提升了1.26-1.75倍,且表面损伤减轻。其原因包含两方面:Ⅰ.织构点硬度为800 HV,相较于基材提升了2.4倍;Ⅱ.织构点间基材的塑性变形会被织构点所抑制,导致分层磨损被抑制。(2)仿真结果表明织构点在服役过程中承受的应力大于基材,而基材在服役过程中承受的应变大于织构点;进入侧的剪应力方向背离织构点,而背离侧的剪应力朝向织构点。(3)织构点在磨损后出现较特殊的损伤形式:在进入侧,织构点出现严重裂纹和碎裂现象,而在背离侧,织构点基本无损伤。该特殊损伤形式与是否织构点和基材交界处存在应变差密切相关。

关键词： 金属玻璃   原子级平整   摩擦磨损   硬度   加工硬化  

摘要： 与氧化玻璃类似,过冷液态的金属玻璃具有一定的粘性流动性,因此利用好金属玻璃的热塑性,在工业生产中可以通过热塑成型将金属玻璃加工成各种复杂形状或具有小几何形状的机械零部件。有研究表明材料硬度越高其耐磨性越好,根据Archard定律,Pt-BMG的硬度接近Pt(111)的6倍,预期具有更高的耐磨性,但Pt(111)实际上表现更好,而由于金属玻璃与单晶两种材料具有不同的原子结构特征,因此这被认为是两种材料具有不同的变形机制导致的结果。晶体结构内部具有可移动的结构缺陷——位错,会导致在摩擦磨损行为过程中存在“加工硬化”的机制。因此在这种高硬度和加工硬化同时起作用的磨损条件下,哪一种机制占据主要作用是迫切所需要研究的对象,为此有必要对原子级平整的金属玻璃和单晶展开纳米尺度下的AFM划痕研究。采用原子力显微镜纳米划痕技术,基于原子级平整的Pt基金属玻璃和单晶Pt,研究了不同湿度环境下硬度和加工硬化对材料表面耐磨性的贡献。本文的主要结论有:(1)与Pt(111)相比,Pt基金属玻璃硬度较高,但耐磨性较低,这是由于Pt(111)在磨损过程中存在加工硬化效应。Pt(111)的划伤区域摩擦力显著减小,而Pt基金属玻璃的划伤区域摩擦力无明显变化,进一步证实了硬化效应;(2)在高真空条件下,Pt基金属玻璃和Pt(111)在磨损状态下有着十分接近的耐磨性。结合Pt(111)表面比Pt基金属玻璃柔软很多的事实,可以由此认为加工硬化效应也参与了Pt(111)表面与针尖之间的磨损。因此可以将金属表面的磨损性能看作是加工硬化、直接氧化和硬度/强度机制的竞争作用,其主导机制取决于特定的磨损条件;(3)随着循环次数的增加,Pt(111)划痕区域的摩擦力仍存在下降的趋势;而金属玻璃在单次和低循环次数磨损条件下时其划痕区域与未划痕区域并不存在差异,但随着循环次数不断增加到十次时,其划痕区域的摩擦力也出现了明显的下降趋势,这是由于随着循环次数的增加,划痕区域的内净自由体积不断下降,最终导致加工硬化参与金属玻璃的磨损过程。

关键词： 微动磨损   磨损机理   镍铝青铜   超声滚压表面处理   数值模拟  

摘要： 微动磨损被称为“现代工业之癌”,是在机械振动、疲劳载荷及电磁振动等交变载荷作用下,发生在接触表面极小位移幅值的相对运动造成的损伤。微动磨损具有隐蔽性,不容易被察觉,但容易造成连接松动等严重后果,危害极大。本文以可调距螺旋桨毂材料—镍铝青铜(NAB)为研究对象,围绕其微动磨损性能的损伤机制、演变规律和防护方法,采用实验分析和数值模拟相结合的方法开展相关研究。论文主要工作和成果如下:针对结合桨毂结合面服役工况下磨损严重问题,尝试采用超声滚压强化技术改善镍铝青铜材料的物理、化学和机械性能,进而提升其耐磨性和耐腐蚀性。利用切向微动磨损试验平台,首先对比分析了超声滚压表面处理前后镍铝青铜的微观组织、表面粗糙度和表面硬度,然后通过实验研究了不同位移幅值、循环次数和润滑条件下材料的耐磨性和耐腐蚀性。结果表明,超声滚压表面处理使表面粗糙度降低了58.0%,表面硬度提高了61.8%,晶粒得到细化,摩擦和磨损性能得到提升。研究不同润滑条件下的磨损机制发现,超声滚压处理表面耐磨性能的提升在干摩擦条件下主要是由于表面硬度的提高,在油润滑条件下主要是由于固体润滑剂硫化物生成速率的提高,在海水润滑条件下主要是由于生成更稳定的Cu取代Cu。开展了不同法向载荷、位移幅值、循环次数等参数下的微动磨损有限元仿真研究。首先A建立了三维球面接触模型,然后利用Fortran引入UMESHMOTION用户子程序建立微动磨损分析模型,并实验验证了模型的正确性。仿真分析表明:部分滑移和混合滑移的磨损轮廓会从“W”型逐渐向完全滑移的“U”形进行转变。在相同的位移幅值下,随着法向载荷的增加,微动运行状态从完全滑移向部分滑移转变,在此过程中,磨损深度会出现一个极值。由此可以推断,通过控制工况,使微动发生在低法向载荷下的完全滑移或高法向载荷下的部分滑移,有利于减轻表面磨损。

关键词： 激光表面改性   涂层   7075铝合金   止裂行为   耐磨性能  

摘要： 铝合金由于密度低、比强度高、导热系数高和成型性好等优点,被广泛应用于航空航天、汽车制造、船舶运输等工业制造领域,但由于铝合金表面较低的硬度、强度和耐磨性较差等因素限制了其应用范围。为提升铝合金表面硬度及耐磨性能,采取的高效且经济的做法是制备金属-陶瓷复合涂层,但高强度涂层和软质金属基体结合区常成为裂纹萌生高发区致使涂层开裂。针对该问题,本文设计了三种多步激光工艺(激光熔凝-熔覆两步激光、激光熔凝-熔覆三步激光、局部激光合金化后激光熔覆)在7075铝合金表面获得具有类“钉扎”结构的涂层,利用高能量密度激光制备具有一定间距的深熔单元,该深熔单元具有较高强度及硬度,使得深熔单元与基体呈现软硬相间的分布特征。该分布特征利用高塑性的软质铝合金基体缓释结合区应力,降低裂纹形核几率,与此同时利用深熔单元增强涂层与基体间的结合区强度,提高该区抑制裂纹扩展的能力,以此强化硬质涂层与软质基体间的结合。通过拉伸试验深入探究了类“钉扎”结构涂层的结合性能以及结合区抑制裂纹扩展机理;结合磨损实验进一步分析了类“钉扎”结构涂层在摩擦过程中的应力分布特征,阐明了类“钉扎”结构涂层的摩擦磨损机理。主要研究内容如下:(1)类“钉扎”结构涂层的强韧性和止裂机理研究。研究了CeO含量对类“钉扎”结构CeO-SiC-Ni60涂层强韧性的影响。结果表明:随着CeO的添加形成的涂层组织更为致密,稀土氧化物中的Ce元素会促进熔池间的流动性使其减少缺陷,减少组织偏析;且Ce使得晶粒细化,对涂层起到了细晶强化作用;SiC陶瓷颗粒的添加,相组成发生变化,形成硬质相,对涂层起到弥散强化及第二相强化,导致裂纹扩展过程中所消耗的能量增加,提高材料抵抗裂纹扩展的能力;另外,深熔单元受到高能量密度激光作用,晶粒得以细化,增多的晶界组织在裂纹高发的涂层与基体结合区起到了抑制裂纹扩展的作用。相比于熔凝深熔单元,Ni60合金化深熔单元通过减小涂层与基体间的热物性差异,降低了该区域裂纹敏感性,且在激光作用下Ni与Al会形成稳定的金属间化合物具有较高的硬度,提高了涂层与基体间的结合性,进一步提升涂层与基体的结合强度。(2)类“钉扎”结构涂层耐磨损性和磨损机理研究。通过改变深熔单元和涂层组织获得结合强度较高的CeO-SiC-Ni60高耐磨涂层。结果表明,通过激光熔凝-熔覆三步激光所制备的类“钉扎”结构涂层可进一步缓释结合区应力,随着SiC含量的增加其显微硬度及摩擦系数也随之发生变化,硬度呈现先增加后减小趋势,而摩擦系数表现为先降低后增加,在SiC含量为30%时硬度及耐磨性能最优。另外,通过局部合金化Ni60制备的类“钉扎”结构涂层组织发生细化,硬度较未处理试样明显提升,在不同的磨损阶段,耐磨性能均得到改善,延长了试样的使用寿命。

关键词： SPH   单晶硅   超精密切削   激光辅助  

摘要： 单晶硅作为典型的半导体材料,在光伏发电、芯片制造等领域应用十分广泛。但传统加工方式效率低,单晶硅在加工过程中很容易产生细微裂纹,从而影响表面加工质量。激光辅助加工LAM（Laser-assisted machining）可以软化代加工区域,有效减小切削力,延长刀具寿命,抑制裂纹的产生,从而提高材料表面加工质量。 本文以激光辅助条件下的单晶硅超精密车削为研究对象,探讨单晶硅在激光加热条件下的裂纹扩展及刀具磨损机理。首先,利用光滑粒子流体动力学SPH（Smooth partic le hydrodynamics）模拟单晶硅在高温条件下切削时裂纹形成的动态过程,然后通过高温下的压痕实验,探究单晶硅在不同温度下的脆塑转变及细微裂纹形成机理,最后通过正交实验研究加工参数对裂纹影响因素及刀具磨损机理。论文主要内容如下: （1）单晶硅激光加热光滑粒子流体动力学车削仿真:利用LS-DYNA软件建立单晶硅车削模型,设置本构模型、边界条件、接触方式等参数,模拟了高温下的单晶硅车削瞬间过程,动态展示裂纹形成及扩展过程,根据不同温度下的裂纹变化过程、残余应力及切削力探究最佳切削参数。 （2）单晶硅高温压痕塑性形变及裂纹扩展:在常温至600℃范围内对单晶硅进行压痕实验,通过单晶硅在不同温度下的压痕形貌,分析温度对裂纹扩展的影响;探究不同温度下单晶硅的裂纹长度和脆性断裂特性。 （3）单晶硅激光辅助超精密车削实验:通过正交实验,在不同的激光功率、转速、背吃刀量、进给量条件下研究材料的裂纹扩展、表面粗糙度、和切削形态等,最终得出最优加工参数:激光功率P=7W,转速N=2000r/min,切削深度Dc=4μm,进给量f=2mm/min。并分析了金刚石刀具在激光辅助加工时不同车削路径及激光功率下的磨损情况。