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[硕士论文] 张锦阳
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:硼化物由于其优异的力学性能和独特的导热、导电、催化性能等而被广泛应用于切削加工、矿物开采、耐磨涂层和航天材料等领域,尤其是过渡金属二硼化物的特殊应用。近几年,以过渡金属铼(Re),锇(Os)以及铱(Ir)等为代表的二硼化物因其表现出的超硬性而被广泛研究。过渡金属硼化物作为一种新型的超硬材料,虽然短时间内不可能替代金刚石,但预计在不久的将来,将会有着广泛的应用。
  本论文以锇粉和硼粉为原料,运用机械合金化法在常温常压条件下制备出了具有六方结构的二硼化锇(h-OsB2)粉末,对所合成的锇硼化物的形成过程、反应机理、热稳定以及合成效率进行了研究,探索了机械合金化过程中Os-B化学计量比、球料比、WC磨球尺寸对硼化锇系粉末合成的影响。另外,还通过机械和金化法合成了新型三元系Os1-xRuxB2复合材料,探索了不同含量的Ru对Os1-xRuxB2结构的影响。利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)分别对所合成的粉末的晶体结构、形貌和化学组成进行了表征。通过实验得到以下相关结论:
  1.在球料比恒定为3的情况下,当Os-B摩尔比为1:2时,最终球磨产物几乎是纯的 Os2B3相;而当 Os-B摩尔比为1:3时,最终产物为 ReB2型六方结构的 OsB2相,其中含有少量的RuB2型正交结构的OsB2相。热处理结果表明,所合成的Os2B3粉末在流动的Ar气加热到800℃是热稳定的,而对OsB2粉末进行低于600℃的热处理时,不会发生从六方结构到正交结构的部分相变。
  2.在Os-B摩尔比恒定为3:1的条件下,当球料比为3:1时,球磨80h的产物为OsB1.1、Os2B3和OsB2三种相的共存态;而当球料比增加至4:1时,球磨32h后反应不能再继续,OsB1.1几乎完全转化为ReB2型六方结构的OsB2相,最终反应产物几乎是由纯的OsB2组成(其中含有极少量正交结构的OsB2)。
  3.在Os-B摩尔比为1:3,球料比为4:1的条件下,分别用直径分别为11.2mm、9.5mm、6.35mm的WC研磨球以及三种球的混合球对原料粉末进行球磨,最终球磨产物的主相均为所需的ReB2型六方结构的OsB2相,但其合成效率不同。磨球直径越小,合成ReB2型六方结构OsB2的效率越高,磨球直径为11.2mm和9.5mm的实验组球磨20h后反应不再继续,而磨球直径为6.35mm的实验组球磨16h后反应不在继续,合成 OsB2的速率明显高于大直径磨球的实验组。然而,当把三组不同球按一定比例混合进行球磨时,其合成速率最高,球磨12h后反应已不再继续。
  4.在合成Os1-xRuxB2粉末时,实验发现加入Ru的含量对最终产物Os1-xRuxB2的结构有影响。当x=0,0.2,1,1.5时,最终产物Os1-xRuxB2的主相为六方结构,其中含有极其少量正交结构的Os1-xRuxB2;而当x增加至2,3时,Os1-xRuxB2由六方结构转化为正交结构,且随着x的继续增大结构不再发生变化。
[博士论文] 彭兆春
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:随着航空航天、轨道交通、船舶海洋、机械制造等工业技术水平的提高,现代机械装备正逐步向大型化、高速化和高性能方向发展。许多机械装备关键零构件或结构的服役环境复杂,运行条件恶劣,导致各类破坏事故频繁发生。腐蚀、磨损和疲劳是机械结构破坏的主要表现形式,其中以疲劳破坏尤为突出。针对长期承受交变循环载荷作用的机械结构,疲劳断裂是其最主要的失效模式,占机械结构失效总数的50%~90%。疲劳破坏具有很强的隐蔽性和突发性,破坏前无明显的征兆,对机械装备的安全运行构成了严重威胁,一旦发生破坏易于造成重大事故和生命财产损失。机械装备零构件或结构的疲劳寿命及其可靠性是制约装备整机寿命和系统可靠性水平的关键因素。因此,精确地预测和评估机械结构的寿命和可靠性,是确保其在服役期内安全、可靠运行的重要保障,对合理制定维修决策和健康管理计划,最大限度地发挥装备的使用价值,提高经济效益和抗疲劳设计等方面均具有重要的理论价值和现实意义。
  由于疲劳失效过程的复杂性和随机性,传统的寿命预测理论和可靠性分析方法还不够完善,仍存在诸多尚未解决的难题和不足。针对此,本文以有限寿命设计方法和疲劳损伤累积理论为基础,深入开展疲劳损伤失效机理、寿命预测技术以及可靠性分析方法的研究,采用机械装备关键零构件的金属材料试件和焊接结构件的疲劳试验数据进行模型和方法验证,使现有疲劳分析理论日臻完善,拓展其应用范围。论文主要研究内容和成果如下:
  (1)提出了考虑载荷相互作用效应的疲劳损伤等效法则与剩余寿命预测方法。针对变幅加载载荷历程效应的复杂性以及 Miner法则的内在缺陷,从损伤累积的角度出发,系统地研究了载荷加载顺序及载荷交互效应的作用机制。根据疲劳失效的“二元判据”,引入了疲劳损伤状态的概念定性地表征材料的受损程度。针对传统损伤等效方法的缺陷,提出了考虑载荷相互作用效应的疲劳损伤等效法则。在此基础上,结合韧性耗散模型,建立了改进型剩余寿命预测模型,该模型能综合考虑载荷顺序及载荷间交互作用对损伤发展和疲劳寿命的影响。
  (2)提出了基于疲劳驱动能损伤参数的非线性损伤累积模型与剩余寿命预测方法。针对传统损伤变量在描述上难以揭示失效过程能量耗散的本质,以疲劳驱动力模型为基础,运用能量准则,提出了一种描述疲劳失效全过程的驱动能损伤参数。从失效的能耗过程出发,建立了以驱动能耗散为状态参量的疲劳损伤定量方法和非线性损伤累积模型。在此基础上,运用损伤等效原理,推导出剩余寿命预测模型表达式以及考虑载荷相互作用效应的改进模型,并通过试验设计研究了两种模型的典型非线性特征。
  (3)提出了基于动态剩余S-N曲线与材料记忆性能退化的修正线性损伤累积准则。针对非线性损伤理论计算量大的缺陷以及Miner法则在工程应用上的优势,从剩余寿命和S-N曲线的角度出发,研究了动态剩余S-N曲线和材料记忆性能的退化规律,通过引入材料记忆退化参数定量地表征动态剩余 S-N曲线的斜率比,提出了一种修正的线性损伤累积准则。该准则保留了传统 Miner法则形式上的简易性,便于疲劳损伤定量分析和寿命估算。通过对比三种线性损伤模型并结合试验设计,详细阐述了四种模型存在的共有属性以及线性损伤增长行为。
  (4)提出了基于双线性损伤累积理论的概率模型以及时变疲劳可靠性分析方法。疲劳失效是一个损伤不断累积的动态过程,传统的基于静态的可靠性分析方法无法体现载荷历程的时变特征,而基于动态的可靠性分析方法难以揭示失效过程裂纹萌生和裂纹扩展的两阶段特性。针对此,以双线性损伤累积理论为依据,分别在正态分布和对数正态分布假设下,构建了概率损伤累积模型。在此基础上,运用应力-强度干涉理论,建立了基于“累积损伤-临界损伤”时变可靠度模型,实现了疲劳全寿命周期内的可靠度预测。
[硕士论文] 邹行江
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:碳纤维复合材料的综合性能优越,因此被广泛地应用于各个领域当中。碳纤维复合材料在使用的过程中,因为材料本身的缺陷,或者一些由碳纤维复合材料制造而成的构件和设备在使用的过程中造成的材料的缺陷,都会给使用者带来安全隐患,甚至造成巨大的损失。因此材料缺陷的检测是尤其重要的一个环节。超声无损检测技术是目前比较先进的一种无损检测技术,而计算机层析成像技术更是被成熟广泛的应用于医学领域中。本文的主要内容是将超声无损检测技术与计算机层析成像技术相结合,用于碳纤维复合材料分层缺陷的检测识别。研究内容如下:
  通过查阅国内外文献资料,了解了超声波在各项同性和各向异性材料中的传播特性,并分别给出了超声兰姆在这两种不同材料介质中的频散方程和频散曲线。为在有限元仿真和实验中超声兰姆波激励信号和走时的提取提供了理论依据。
  详细地介绍了计算机层析成像技术的理论基础,并且推导出了基于中心切片定理的平行扫描滤波反投影算法和扇形扫描滤波反投影算法的数学公式,最后分别给出了这两种算法的详细步骤。通过对比,最终选择了扇形扫描滤波反投影算法对用于本文仿真和实验的图像重建算法。
  选择碳纤维复合材料多向板T300/5028作为本文的研究对象,利用 ABAQUS有限元软件分别建立分层缺陷在不同位置的薄板模型,通过加载五周期的汉宁窗口正弦信号来模拟超声兰姆波在薄板中的传播,提取扇形扫描投影方式的走时数据。通过MATLAB编写扇形扫描滤波反投影算法程序,将提取到的走时数据代入算法中对薄板模型进行重建成像,缺陷信息清晰可见。
  最后搭建实验平台进行实验,得出实验的成像结果。由于实验条件的限制实验的成像质量并不如仿真时的成像质量高,但是成像效果也很可观,同时也分析了造成这种现象的原因。通过仿真与实验相结合的方式沿验证了该技术可以应用于工程实践中,为后续的研究奠定了基础。
[硕士论文] 彭友华
机械工程 电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:大型金属装备由于工作环境恶劣而产生裂纹常导致安全事故,因此对其关键部件实施结构健康评估具有重大意义。但目前的研究还存在以下问题:针对缺陷检测的研究集中于单缺陷检测,而对更符合工程实际的多缺陷全局金属材料缺乏关注;单一的无损检测方式由于其特征信号单一,不能对大型金属构件实行全局健康状态的定量检测。缝状缺陷是处于人工缺陷和自然裂纹之间的一个过渡研究形式,因此本文以金属构件中多缝状缺陷为研究对象,对金属构件中多缝状缺陷的定量无损自动化检测方法进行研究。
  无损检测技术是结构健康监测的有效手段之一,电势降技术由于其能量分布于被测试件全局部位,较易实现对金属材料全局缺陷定位检测;脉冲涡流技术由于其频谱丰富,响应速度快,对缺陷定量检测具有独特优势;电势降法与涡流法同属无损检测中的电磁无损检测方法,容易实现自动化集成。因此,本论文基于电势降技术和脉冲涡流检测技术,在以下几个方面展开研究:
  (1)电势降缺陷位置识别研究。建立了直流电势降和交流电势降的有限元仿真模型,并分析缺陷尺寸、位置、测点数等因素对电势降输出信号的影响,为确定实验方案提供参考;搭建电势降检测实验平台,并基于数字电导率仪提高实验精度,与仿真结果相互验证,最终提出了基于电势降技术的金属材料全局缺陷定位检测方法。
  (2)脉冲涡流定量无损检测方法研究。一方面建立了含有缝状缺陷的脉冲涡流检测系统的数值计算模型,并从分网、边界条件设置等方面优化模型;另一方面搭建脉冲涡流检测缝状缺陷实验平台并评估其检测能力。从仿真和实验角度,提出脉冲涡流检测中电磁信号与缝状缺陷深度尺寸的关系模型,基于此提出缝状缺陷的定量无损检测方法。
  (3)电势降与脉冲涡流技术集成方法研究。基于VB语言设计了电势降子系统与脉冲涡流子系统接口,并编写相应的运动控制程序,从而完成电势降-脉冲涡流集成无损检测系统;基于该系统对7075铝合金材料缝状缺陷实施定位定量检测,并分析其误差原因,提出减小误差的解决方案。
[硕士论文] 韩祝文
机械工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:为研究广泛应用于起重机械结构当中的金属材料的损伤机理,本文运用近场动力学的基本理论,构建了一种适用于金属板块的键基近场动力学模型,根据提出的模型,编制了相应的数值计算程序,并通过具体的数值计算实例和物理样件拉伸实验对该模型的有效性进行了论证。
  首先,对近场动力学的国内外现状,基本理论以及相应的数值方法进行了简要介绍。随后,研究并提出了一种基于近场动力学理论的金属板块渐进损伤机理的数学模型。借助于材料力学和弹性力学理论中的弹性变形和最大应变等概念,推导出了金属材料近场动力学模型的微模量c和临界伸长率s0等基本参量。并编制了金属板块近场动力学模型的分析程序,为金属板块的不连续力学问题分析提供了基础。
  其次,运用近场动力学方法对含初始裂纹的金属板块进行裂纹扩展模拟。并运用目前在渐进损伤方面使用广泛且相当成熟的有限元分析方法,利用有限元分析软件Abaqus在非线性分析中的极大优势,采用Python语言对其进行二次开发,编制了一套可以自动对预先存在裂纹的金属板块进行裂纹扩展模拟的程序,最后对两种不同角度的中心对称裂纹进行了扩展模拟,通过将该结果与近场动力学结果的比较分析,验证了近场动力学在裂纹扩展方面建模的正确性。
  最后,通过含圆孔金属板块的拉伸试验,对含圆孔金属板块在位移载荷作用下的变形及裂纹萌生、扩展等力学行为进行了实验研究。并将试验结果与近场动力学仿真结果进行了对比分析,进一步验证了本文近场动力学模型的有效性和准确性。
[硕士论文] 郭校峰
机械工程 广东工业大学 2017(学位年度)
摘要:随着科学技术的进步,以及国家对于新材料领域的大力支持,使得复合材料在生产应用和科学研究上均得到了快速发展。铝钢复合材料是最新兴起的一种新型金属层状复合材料,原始的单一金属已不能满足工业上的性能要求。铝钢复合材料,既具有钢的高强度、抗腐蚀和较美观的外观表面等特性,又有铝的质轻、延展性好和导热性佳等特性,因此使得铝钢复合材料适用于更为广泛的领域。同时吸引了大量研究者对铝钢复合材料的研究。但是国内外研究者们大多围绕铝钢复合材料的组织性能和制备工艺参数等方面展开研究,很少有对铝钢复合材料结合机理研究方面的报道。因此,研究铝钢复合材料结合机理对进一步揭露和认识复合材料的结合行为具有重要意义,同时为生产实际提供理论性指导。
  为探究铝钢复合材料结合机理,选用了4A60铝和08Al钢为轧制材料,根据生产实际选用轧制“三步法”对4A60铝和08Al钢进行轧制复合。借用表面轮廓仪、超景深、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射(XRD)、万能试验机和纳米探针等仪器设备。系统地研究了铝钢复合材料的冷轧结合行为,揭示了铝钢轧制结合机理,并分析了退火过程中金属间化合物对铝钢复合界面结合性能的影响,以及探究了铝钢复合界面金属间化合物的生长行为和生长动力学。具体研究内容和研究结果如下:
  在轧制复合过程中,为研究铝钢界面的结合行为,获得界面结合机理模型,采用不同的处理方式对钢层表面进行预处理,从压下量、加工硬化程度、表面形貌和钢层氧化四个方面展开研究。分析铝钢复合界面和各剥离表面形貌的演变,并根据界面结合性能分析和探究轧制复合过程中的结合行为。结果表明:铝钢复合材料的轧制结合行为为,在轧制力的作用下,钢层表面加工硬化层和氧化层率先发生破裂,暴露出无氧化的钢层内部新鲜金属,对面较软的铝在压力的作用下挤入裂缝产生机械咬合,当压力足够大的时候,铝与钢层内部暴露的新鲜金属紧密接触并形成稳定的结合。
  研究发现在退火处理过程中,铝钢复合材料界面易生成脆性的金属间化合物,且对界面结合性能产生严重的影响,从而研究了退火条件下铝钢界面金属间化合物的生长行为和生长动力学。结果表明:界面金属间化合物的生长规律符合抛物线特性,且界面金属间化合物的厚度随退火温度的升高或保温时间的延长而增加。当界面金属间化合物的厚度超过9μm时,界面结合强度急剧降低。
[硕士论文] 郝励
动力工程 西安石油大学 2017(学位年度)
摘要:机械密封是目前旋转轴密封常用的一种形式,尤其在石化行业占有举足轻重的地位。机械密封摩擦副材料的选择对其性能影响占主导地位,碳纤维增强陶瓷基复合材料(简称碳陶复合材料)作为新兴复合材料,将其作为机械密封摩擦副材料的研究鲜有提出,而碳陶复合材料具有耐磨性强、耐腐蚀性能优异、机械强度高、优越的热传导性能、摩擦系数小且有一定的自润滑性,满足机械密封摩擦副材料的性能要求,因此本文选用碳陶复合材料作为机械密封摩擦副材料对其端面温度场特性及端面间液膜流场进行模拟及研究。
  首先本文采用ANSYS Workbench平台的Design Modeler三维建模模块分别建立碳陶机械密封摩擦副(动、静环)及摩擦副端面间液膜几何模型,采用Mesh模块对摩擦副进行网格划分,应用ICEM模块对摩擦副端面间液膜进行网格划分,并加载相应的边界条件,然后分别导入Steady-state Theraml模块及Fluent模块,采用控制变量法进行数值模拟。对碳陶机械密封摩擦副温度特性进行模拟时分别改变密封配对材料、密封介质类型、密封轴转速、密封腔压力得到动、静环端面的温度场分布;对摩擦副端面间液膜流场进行模拟时分别改变密封轴转速、密封腔压力得到液膜压力场/速度场分布并得到泄漏量大小的模拟值。其次本文利用机械密封试验台对碳陶机械密封静环中心位置温度及泄漏量进行测量,最后将得到的数据与数值模拟的结果进行比较,验证了数值模拟的准确性,并得出两者存在差异的原因。
  经过数值模拟及实验测量表明工况参数发生变化对碳陶机械密封摩擦副温度场及动、静环间液膜流场分布影响明显,参数变化会改变摩擦副的热流密度、密封环与周围密封介质对流换热状况、液膜的压力场/速度场,从而影响整个碳陶机械密封系统的工作状态。通过数值模拟及实验研究对碳陶机械密封减少泄漏,降低温升、摩擦、磨损有着重要作用,为后期碳陶机械密封的优化设计提供理论和实践依据。
[硕士论文] 丁亚
机械设计及理论 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:聚合物基复合材料在与金属表面发生相对滑动的过程中,会在对偶件金属表面形成一层转移膜,转移膜的质量对于提高复合材料的摩擦学性能具有十分重要的意义。研究发现转移膜的形成是一个伴随着局部碎片脱落和再修复的动态过程,了解其动态变化过程对于研究转移膜的形成机理及其对摩擦学性能的影响至关重要,但由于一般的实验条件的限制,很难观察到转移膜的动态形成过程,这也在一定程度上制约了对聚合物材料摩擦学性能的研究。
  鉴于此,本文利用基于离散元法开发的二维颗粒流软件(PFC2D)建立了PTFE复合材料/45#钢摩擦副系统的摩擦磨损离散元计算模型,再现了PTFE与45#钢的动态摩擦过程。在此基础上,重点探究了复合材料中混合填料Cu、石墨的添加对PTFE复合材料磨损性能、转移性能、转移膜粘结强度、摩擦系数以及相关的力学性能(压缩性能、剪切性能)的影响。并运用统计学中的相关性分析研究了PTFE复合材料的磨损性能、摩擦系数分别与转移膜粘结强度、材料的压缩强度、剪切强度之间的相关性。基于以上研究,本文主要得出如下创新性结论:
  (1)在PTFE与45#钢滑动摩擦过程中,45#钢粗糙表面会对PTFE产生剪切挤压作用,使位于接触表面的PTFE被拖拽下来形成PTFE碎片,部分脱落的碎片粘附于对偶件表面从而形成转移膜。随着摩擦的进行,转移膜逐渐趋于稳定,稳定的转移膜能够有效地减小摩擦、降低磨损。且转移膜的形成并不是一成不变的静态过程,而是一个伴随着转移颗粒不断脱落与再修复的动态过程。
  (2)复合材料中的混合填料Cu、石墨对其摩擦学性能具有显著的影响,转移颗粒数随着混合填料中Cu质量分数的增加而增加,辅助填料石墨的加入能够在一定程度上增加转移颗粒数,混合填料对形成的转移膜粘结强度具有类似的影响;混合填料的加入能够有效地改善PTFE的磨损性能,磨损量随Cu含量的增加而减小,而石墨对其的增强效果对载荷具有一定的敏感性;复合材料的宏观摩擦系数随着混合填料中Cu含量的增加而增大,石墨的加入能够有效降低摩擦系数。
  (3)复合材料中的混合填料Cu、石墨对复合材料的压缩性能、剪切性能影响明显。两种性能均随着填料中Cu质量分数的增加而增强。辅助填料石墨的加入能在一定程度上提高复合材料的压缩性能,且这种增强效果随着混合填料中Cu含量的增加而递减。而石墨对复合材料剪切性能的影响较为复杂,其影响效果随着混合填料中Cu含量的增加先增强后减弱。
  (4)通过对复合材料的摩擦学性能与力学性能的相关性分析发现,材料的磨损性能与其转移膜粘结强度、材料的压缩强度之间的相关关系较强,而摩擦系数仅与材料的剪切强度之间存在较为显著的相关关系。
[硕士论文] 孙芳芳
机械设计及理论 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:铁基烧结材料具有较好的力学性能,但减摩性较差。高分子材料在摩擦过程中容易在对摩面之间形成转移膜,具有很好的摩擦学特性,但高分子材料耐热性能和耐磨性较差。因此,为了改善铁基材料和高分子材料的此类缺点,本文用金属作为基体,以高分子材料作为减摩相来制作复合材料。基体材料采用粉末治金方法制得,基粉用低合金钢粉,并通过添加Cr-Fe粉和改变烧结温度的方法来改善材料性能。对烧结完成的基体材料测试密度、硬度和压溃强度,并观察其金相组织。然后在基体材料中熔渗PEEK,通过金相显微镜观察熔渗效果,并用端面摩擦磨损试验机测试熔渗前后试样的摩擦磨损性能。用扫描电子显微镜和3D激光扫描仪观察磨痕表面,并对磨痕表面的化学组分进行分析,探讨熔渗PEEK的铁基材料的摩擦磨损机理。
  研究结果表明,随着烧结温度的升高,烧结低合金钢的孔隙的数量和尺寸都明显降低,密度、压渍强度、硬度都随温度的升高而升高;温度从1150℃上升到1350℃时,密度从6.37g/cm3上升到6.75g/cm3,压溃强度从669MPa上升到1191MPa,硬度从69HRB上升到80HRB。在1250℃烧结温度下,随着Cr-Fe粉含量的升高,孔隙数量变少,尺寸变大,珠光体逐渐减少,铁素体增加,并有马氏体出现。材料的硬度不断增大,密度和压渍强度不断减小。Cr-Fe粉含量从0%上升到4%时,密度从6.55 g/cm3下降到6.28g/cm3,压溃强度从884MPa下降到380MPa,硬度从72HRB上升到93HRB。
  熔渗PEEK试样摩擦磨损试验前一段时间摩擦因数小,在0.03左右,运行一段时间后,摩擦因数增大到0.1以上,密度越小,摩擦因数在0.03运行时间越长。整体来讲熔渗PEEK后试样减摩效果有明显提高,是由于PEEK受热膨胀在摩擦面之间形成了润滑膜,但润滑膜持续时间及承受载荷都不够理想。从磨痕表面形貌可看出,熔渗前后的磨损都为黏着剥落,剥落的凹坑深度较浅。且熔渗PEEK后磨损量有明显的降低。
[硕士论文] 朱国乾
机械设计及理论 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:铝基滑动轴承合金是一种质量轻、比强度高、导热性好的轴承材料,具有良好耐腐蚀和减摩耐磨性能,在机械、汽车、航空航天等领域中有广泛应用。
  铝锡合金材料质量轻且具有良好的减摩耐磨性、顺应性、嵌藏性和一定的抗咬合能力,正愈来愈多地代替传统的铜基和巴氏合金。为进一步发挥铝基轴承高比强度、良好摩擦学特性等优势,改善铝锡合金在承载能力及摩擦学性能方面的不足,本文在2A12基体中添加低熔点组元Bi,进一步研究了Bi添加量为0wt.%~8wt.%的2A12合金的力学及摩擦学性能;试验过程中发现Bi在铝基体中较易发生偏析,对于准确研究其对铝基轴承合金摩擦磨损性能的影响较为不利,为此对含Bi铝基轴承材料的制备工艺进行了一定的优化,探讨了工艺优化后含铋2A12合金的力学和摩擦磨损等性能,并将含Bi2A12合金与含Sn合金进行对比。研究表明:铸造工艺的优化有利于Bi相均匀分布的均质合金的形成,熔炼温度为800℃,冷却方式采用100℃水冷,另外采用200r/min的机械方式搅拌效果较好。低熔点组元Bi的添加降低了材料的力学性能,但降低的程度明显低于锡对材料力学性能的影响;随着Bi含量的增加,铝基材料摩擦磨损状况得到明显改善,承载能力也相应提高,与相同含量的含锡材料相比,含Bi合金材料强度高、摩擦学性能好。
  低熔点组元铋与锡相似,在摩擦过程中软化熔化析出,降低接触区域的剪切强度,避免粘着撕裂的发生,起到较好的减摩抗粘着作用,而且由于球状分布的富Bi相对基体割裂作用较小,使基体合金保持较好的承载能力,从而使含Bi铝基轴承材料在逐级加载条件下综合表现较好。
[硕士论文] 李青青
化工过程机械 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:随着工业的快速发展,液氧、液氮、液氦、液氢和液化天然气等低温液体被广泛应用于各领域,而奥氏体不锈钢压力容器作为低温液体的主要深冷容器储运设备,也得到了快速发展。日益增长的深冷储运设备需求和节能减排要求,使得应变强化技术应运而生,有效实现低温容器的轻量化,现已得到广泛应用,经济社会效益显著。
  国内应变强化技术目前发展已较为成熟,也启动了该技术的国家标准编制工作,国内外对于该技术的相关研究也从未间断,然而仍存在若干问题需进行深一步的探讨研究。在材料预拉伸方式方面,焊接工艺评定中目前存在不同的预拉伸方式,不同的预拉伸方式将产生不同的塑性变形;在容器强度裕度方面,对于设计温度较高的液态二氧化碳储罐,虽然符合国外标准的适用范围,然而国内却并未将应变强化技术应用到储罐的设计中;在封头制造工艺方面,冲压工艺对于材料后续的力学性能影响目前也尚未明确,因此开展以上方面的研究具有重要的意义。
  在浙江省重点科技创新团队项目(项目编号2010R50001)、中央高校基本科研业务费专项资金(项目编号2014FZA4024)、中国博士后科学基金(项目编号2014M551731)等的支持下,本文针对S30408奥氏体不锈钢材料,对应变强化技术中存在的若干问题,开展了以下工作:
  (1)从我国应变强化技术应用出发,明确焊接工艺评定预拉伸目的及合格指标,并结合实际容器在应变强化过程中产生的塑性变形,对目前国内存在的三种预拉伸方式进行分析比较,从塑性变形、操作难易、标准规定等角度出发,寻求一种合适的焊接工艺评定预拉伸方式与评定指标。
  (2)根据液态二氧化碳储罐设计温度及工作温度,在室温、-40℃~-20℃下对母材及预应变材料进行拉伸试验研究,基于材料性能开展容器爆破试验有限元仿真模拟,从等效塑性变形、爆破压力及强度裕度等角度出发,探讨了液态二氧化碳储罐按照应变强化设计的强度储备。
  (3)根据不同规格、不同冲压工艺成形封头的塑性变形与形变诱发马氏体相变量变化规律,并结合国内外相关标准,探讨了控制封头成形性能的合理指标。同时从温冲压成形封头的关键部位进行取材,开展了在室温与低温下材料的拉伸与冲击试验,研究了温冲压工艺对材料性能的影响规律。
[硕士论文] 朱智勇
机械工程 济南大学 2016(学位年度)
摘要:为改善材料的表面性能,人们提出了一系列的表面处理方式,如喷丸、滚压等。与这些传统的表面处理方式相比,超声波光整强化技术是一种低成本、处理方便、效率高的处理方法。目前该技术仍处于发展推广阶段,在工程实际应用与基础理论强化方面的研究不足,在工件表面性能提高方面具有巨大潜力。
  工业纯铁具有良好的导磁、导热性,但硬度、耐磨性和耐腐性差,限制了纯铁的应用,为提高纯铁的表面性能,拓展纯铁在工程中的应用范围,以纯铁为研究对象,借助超景深显微镜观察了工件加工前后表面微观结构及三维形貌,证明了超声波光整加工“削峰填谷”作用,工件表层形成塑性流变层,表层晶粒被拉伸,表层粗晶粒得到细化,光整处理提高了工件在油润滑条件下的耐磨性及干摩擦条件下的抗磨损性能。
  超声波光整加工后工件表层形成纳米晶粒细化层,工件表层晶界、空位等非平衡缺陷的数量剧增,高密度晶界可作为原子扩散的通道,适于低温扩散研究,为进一步提高纯铁的耐磨性等表面性能,使元素更易渗透,本文提出采用纳米颗粒 Cr粉对纯铁进行元素渗透研究,设计了一种圆盘工件浸入液体内部的超声光整元素渗透加工工艺,将工件固定在试样座上,倒入Cr粉无水乙醇悬浮液进行光整加工,具有易扩散,无需加热,处理方便,节能的特点,借助超景深显微镜对添加 Cr悬浮液加工前后工件的三维形貌及微观结构进行观察,添加 Cr粉悬浮液加工工件表面三维形貌起伏波动小,表层流变层厚度小,晶粒细化更均匀,提高了工件表层的最大残余压应力值。
  为了进一步对纯铁超声波光整加工元素扩散进行研究,结合原子扩散理论,提出超声光整加工过程中不添加冷却液,加工头以超声频冲击工件表面,能量逐步累积,其中大部分能量以热能传递,增大了工件表面温度,适于扩散研究,选用纳米 Ni、Cr混合粉体为元素扩散源,以Cr、Ni粉形成对照,XRD图谱发现Ni的衍射峰,证明纯铁经超声波光整强化加工可实现元素扩散,借助摩擦磨损试验机分析添加 Cr、Ni对工件的耐磨性的影响,添加 Cr、Ni粉体后工件抗磨损性能提高,在中、高载荷下,摩擦系数小于未添加Cr、Ni粉体加工工件的摩擦系数,耐磨性能明显提高。
[硕士论文] 赵鹏越
机械制造及其自动化 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:目前,对微机电系统制造技术的研究已较为完善,而对纳机电系统加工机理的研究仍存在大量空白。纳米尺度下的尺寸效应、表面效应使纳机电系统具有与宏观尺度机电系统所不具备的特性。然而,目前对纳机电系统的研究仍处于理论层面,这主要是由于对纳机电系统的研究需要极为苛刻的实验条件及实践基础,这些因素限制了对纳机电系统力学特性及加工机理研究。本文基于分子动力学理论,构造纳米金属材料模型并通过模拟材料加工变形过程,从原子尺度对纳构件的力学性能和变形机理进行研究。
  本文基于LAMMPS软件对铜铅合金块体进行拉伸模拟,获得了不同时刻合金模型及其微结构的力学参数。同时,对多晶体块体进行扫描探针的压痕及刻划仿真。揭示了金属材料在拉伸及刻划加工过程中,材料及内部微结构的变化机理。结果表明:具有高活化能、过渡态原子排布、高应力梯度的晶界结构更易产生缺陷;低维数的三叉晶界、顶点团在加工过程中承载更高的内应力;第二相合金元素能够抑制材料内部缺陷的产生,提高材料的韧性;多晶铜加工过程中缺陷主要由探针刻划作用引起并由探针局部区域产生,这与金属拉伸过程有所不同。
  其次,采用Voronoi方法分别建立了不同晶粒度的铜铅合金模型,分析合金的Hall-Petch效应并对铜铅合金材料特性进行研究。铜铅合金的晶粒尺寸在100 nm以内,纳米晶体晶粒细小、晶界体积分数大,晶界具有较高活化能。合金各晶粒之间存在明显的压应力及切应力作用。模拟了铜铅合金拉伸变形过程,结果表明,晶界结构在合金的力学特性中起重要作用。具有较高活化能及应力梯度的晶界结构更易使位错缺陷成核;位错在晶粒内沿滑移系运动但无法穿过晶界向相邻晶粒内部扩展;具有较低维数的微结构在这一过程中承载较高的内应力。另外,第二相元素能够使金属材料的强度及韧性等特性显著提升。
  最后,采用Voronoi方法建立了多晶铜压痕及刻划模型。通过模拟探针对多晶铜表面的压痕及刻划作用,结合多晶材料内应力分析,研究金属材料在纳米尺度下的变形机理。结果表明,多晶铜受力沿探针运动方向变化明显,其余方向受力较低;多晶铜加工过程伴随能量的累积和释放,同时伴随着位错的成核和滑移;与合金拉伸相似,具有较低维数的微结构在加工过程中承载较大应力。无论拉伸或加工过程,金属变形均以位错滑移机制为主,具备Hall-Petch效应。
[硕士论文] 王建
机械制造及其自动化 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:碳纤维增强环氧树脂基复合材料因其高比强度、高比刚度、耐腐蚀性、可设计性强等特点,在汽车制造业、建筑业、国防军工、航空航天等领域中逐渐得到更多的使用。但本身具有强烈的各向异性、组织分散性等特点,在制孔过程中易产生两类缺陷:一类是与加工金属材料相同的形位误差,即垂直度误差、圆度误差、表面粗糙度等;另一类是碳纤维复合材料特有的加工缺陷,如毛刺、撕裂、分层、孔壁微裂纹等。这些误差和缺陷对于复合材料结构的强度、刚度、损伤容限以及疲劳寿命都可能造成重要影响。国内外学者对于连接孔缺陷对复合材料机械连接的性能影响方面已经开展了诸多研究,然而针对连接孔垂直度误差对复合材料机械连接的性能影响方面缺少相关的理论解析、数值模拟及试验研究。
  针对上述问题,结合国家973计划课题相关研究内容,开展了连接孔垂直度误差对碳纤维增强环氧树脂基复合材料螺栓连接力学性能的影响的理论研究,以期为大型航空碳纤维复合材料构件连接孔加工垂直度误差对性能影响评价提供理论参考。本文主要研究工作和取得的成果如下:
  (1)基于三维Hashin类失效准则和渐进损伤理论提出了一种描述材料损伤的刚度折减方案。利用UMAT用户子程序对碳纤维复合材料板开孔拉伸进行数值分析,将数值计算结果与碳纤维复合材料板开孔拉伸试验结果进行对比分析,结果表明数值分析对极限载荷的预测和失效过程的预测结果与对应的试验结果吻合,验证了数值分析方法的可靠性。
  (2)通过单搭接单剪试验和有限元分析方法,获得了虑及孔垂直度误差碳纤维复合材料单钉螺接结构在拉伸载荷作用下的力学行为和失效模式。对比不同孔垂直度误差下的载荷-位移曲线和损伤分布,分析了孔垂直度误差对复合材料单钉单剪结构力学性能的影响规律。
  (3)对碳纤维复合材料双钉单剪结构在拉伸载荷下进行了理论分析和数值仿真,获得了连接孔倾斜方向、倾斜角度和预紧力对连接结构刚度和钉载分配的影响规律。
  上述研究工作和成果为航空大型复合材料构件的连接性能分析提供了可行的技术手段参考。
[硕士论文] 王飞
机械设计及理论 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:随着技术的发展,可使用的工程材料种类和数量十分庞大,新材料还在不断的出现,此外,工程材料通常与制造工艺密切相关,在材料选择过程中,设计工程师需要考虑大量的各种因素,非常依赖于领域的知识。一个开放、可共享和可扩展的工程材料选择知识库对于提高产品材料选择的智能化水平、提高产品设计质量和效率有重要的意义。
  本文对工程材料选择涉及的知识概念和关系进行了研究和分析,对目前的热点研究:基于本体的语义Web技术进行了分析和探索;本体技术在形式化、开放性和共享性等方面比其它知识建模技术提供更强大的能力。提出将基于本体的语义Web技术应用到工程材料选择知识建模中;设计了工程材料选择知识的本体表示模型和基于本体的工程材料选择知识库的总体方案。该知识库包括工程材料选择知识的概念库、材料选择知识规则库和材料选择知识的实例库。在材料选择知识的概念建模中,根据工程材料信息进行分析,对相关的概念信息进行抽象提取和概念模型分析,并进行概念建模,使用Protégé生成本体概念模型;采用语义网规则语言(DWRL)将材料选择因果知识表达为一组知识规则,形成材料选择知识规则库,增强本体知识库的推理能力;通过调研和知识总结,建立了部分齿轮零件材料选择知识实例,采用基于本体的资源描述框架(RDF)模式进行表示。在知识库实现上,采用Java编程技术调用SWRL API和OWL API,将知识库层、用户界面层及推理层三大模块组建成一个完整材料选择系统;并使用基于描述逻辑的Drools规则推理机对本体进行推理,使用语义网规则查询语言(SQWRL)对材料选择知识进行语义查询。最后根据建立的工程材料选择知识库的可扩展特性,扩展建立一个齿轮材料选择知识库系统,实现了对齿轮产品进行基于知识的材料选择,给出一个齿轮材料知识选择实例。
  本文开发的基于本体的工程材料选择知识库已经基本完成,并通过齿轮材料选择实例验证。材料选择测试表明,使用本体概念建模的方式建立的材料选择知识库是有效性和开放的;在实际工程应用中,本体能够实现在不同平台和应用之间实现共享、重用及互操作;完成的基于本体的工程材料选择知识库具有一定的实用价值。
[硕士论文] 李显
机械工程 湖南大学 2016(学位年度)
摘要:随着我国汽车、高铁等工业高速发展,能源危机、环境污染等问题日益突显。轻量化结构设计能够有效降低能源损耗,减小环境污染,是未来工业的发展趋势。铝合金材料密度小,代替钢铁结构后,能够显著减轻同体积结构重量。因此,铝合金型材被越来越多地应用到了汽车零部件的制造中。
  铝合金型材绕弯成形过程涉及几何非线性、材料非线性和边界条件非线性等诸多复杂问题。本文运用试验和仿真相结合的方法,分析了铝合金型材在绕弯成形过程中型面几何特征对竖直壁型材成形翘曲变形的影响,主要完成了以下工作:
  首先,利用线切割的方式在试件6063铝合金型材上截取试样,并对试样进行了拉伸试验研究,得到了该类材料的基本力学性能参数,将材料的力学应力应变关系通过幂指数硬化曲线进行描述,建立了相应力学状态下的本构关系。
  其次,运用LS-DYNA软件,对具有竖直壁结构的铝合金型材绕弯成形建立了三维有限元模型,分析了该复杂型面竖直壁型材绕弯成形过程中等效应力和等效应变随时间的分布变化规律。通过对竖直壁型材进行试验,将内侧上下圆弧的变形情况与仿真结果对比,验证了文中建立有限元模型的可靠性,并对间隙对翘曲变形的影响做了分析。
  最后,通过对几种具有代表性的竖直壁型材进行了绕弯成形分析发现:同一型材绕弯翘曲变形具有不对称性,不同型面型材翘曲变形的不对称性不具有统一性;增加竖直壁型材外侧横向特征的对称性有助于减小成形翘曲变形;增加内侧特征能够显著减小翘曲;合理对型材型材进行设计,使成形过程中中性层位于直壁处,能够较好地解决直壁型材在绕弯成形过程中出现的翘曲变形问题。
  本文研究了仿真方法在铝合金型材弯曲工艺中的应用,采用试验结果验证仿真方法的可靠性。然后,采用仿真方法研究了型面几何特征对绕弯成形翘曲变形的影响,这些工作对复杂型面型材的零件设计、弯曲成形工艺参数的确定等有一定的借鉴意义。
[硕士论文] 刘浩瀚
机械工程 湘潭大学 2016(学位年度)
摘要:陶瓷等脆性材料的损伤与破坏过程一直是学者们的研究热点及难点。碳化硅陶瓷属于典型的硬脆性材料,具有优良的机械、热、化学性能,如较高的抗弯强度、优良的抗氧化性及低摩擦系数,广泛应用于机械、微电子等行业。以往学者在研究脆性材料的力学性能及破坏过程时,大多从材料宏观层次出发,将其假定为均质的理想连续体进行建模和仿真。这种简化尽管在一定程度上满足了工程实践的需要,但却难以研究脆性材料在外载荷作用下裂纹萌生、扩展以及贯通而导致的由细观层次到宏观层次的损伤与破坏过程。随着研究的不断深入,从细观尺度来研究脆性材料的断裂过程已经成为研究学者不可回避的问题。尤其是随着计算机技术的飞速发展,数值模拟方法为脆性材料的裂纹起始、扩展以及贯通,直至器件的宏观断裂等研究提供了更为丰富的研究手段。
  本文基于离散元方法研究了随机微裂纹损伤对碳化硅陶瓷试样力学性能的影响,其主要研究内容如下:
  首先,建立了碳化硅陶瓷的中心斜裂纹离散元模型,研究了中心斜裂纹对试样单轴压缩力学性能的影响;分析了碳化硅陶瓷破裂过程中力链的变化情况,得到了不同裂纹角对力链角度分布的影响;同时,研究了预应力对裂纹扩展、破坏模式及力学性能的影响。
  其次,在中心斜裂纹的研究基础上将离散元模型扩展到等长共线裂纹及多条随机分布的裂纹系模型,研究了等长共线裂纹的裂纹角及内间距对试样力学性能的影响;建立了碳化硅陶瓷离散元模型的裂纹密度函数,研究了裂纹系模型中裂纹密度对试样破坏模式与力学性能的影响,其结果与Mori-Tanaka方法的理论结果相符;通过改变预设裂纹的分布情况,得到了不同的预设裂纹分布对试样破坏模式及单轴压缩力学性能的影响;并研究了预应力对含裂纹系试样力学性能的影响。
  最后,将裂纹系模型引入到碳化硅陶瓷切削加工模型中,得到了不同裂纹密度条件下预应力、切削速度、背吃刀量等对切削加工过程的影响规律。
[硕士论文] 张丹丹
材料科学与工程 新疆大学 2016(学位年度)
摘要:风机叶片的服役环境比较恶劣,叶片处于非均匀流风力场和地球重力引起的重力场中,其受载荷情况非常复杂。加之,叶片不仅要承受交变的机械负载,还要经受风沙气固两相颗粒冲刷磨损,雷击,冰雪,强紫外光线辐射以及近海地区的湿热老化。因此,易导致叶片出现损伤失效。本文主要采用力学试验与环境老化试验相结合的方法,研究了具有不同树脂基体和铺层方式的叶片复合材料由静态与动态载荷引起的损伤及失效行为。
  首先,通过对玻纤增强环氧乙烯基酯树脂(GF/EVE)和玻纤增强不饱和聚酯树脂(GF/UP)复合材料的多轴向铺层设计试件进行低速冲击、拉伸、弯曲和剪切破坏性力学试验,得到试件的冲击韧性、拉伸、弯曲与剪切性能参数。分析了冲击、拉伸、弯曲和剪切载荷作用下产生的损伤及失效模式,并基于SEM与超声C扫描成像检测(C-SAM)对复合材料的微观界面脱粘机理及损伤演化行为进行阐释。
  其次,利用微脱粘试验法对玻璃纤维/环氧树脂单丝复合体系界面特性进行测试,界面粘接强度与微滴直径呈近似线性关系,试验结果与 Kelly–Tyson模型基本符合。
  最后,结合环境老化试验平台研究了光老化前后不同树脂基体的复合材料的力学性能与微观形貌的演变规律。
[硕士论文] 陈海霞
材料科学与工程 新疆大学 2016(学位年度)
摘要:随着全球气候变暖和我国环境污染的日趋严重,可再生能源的地位越来越重要。自20世纪90年代以来,风电产业迅猛增长,装机容量急剧增加,仅仅在过去的一年内,就新增装机63013MW。而且机组功率不断增大,最大10MW的风机机组即将在2017年开始装机。作为风机的关键部件,叶片性能的优劣将直接影响风机性能的好坏。由于风机所处环境恶劣,叶片承受着复杂循环载荷,而疲劳损伤又是叶片毁坏的主要方面,所以研究风机叶片的疲劳寿命有重要应用价值。
  本文研究了风机叶片及其理论,设计出三维模型;运用风机的理论对叶片重力、气动力和离心力等载荷研究计算,分析出正常运行时叶片的疲劳寿命。本文的主要成果如下:
  1)研究了风机的基本工作原理及风机叶片的结构尺寸参数,根据叶素理论对叶片特性进行分析,利用软件导出风机叶片翼型,运用数学分析软件matlab对动量理论进行迭代计算,得到风机叶片的几个关键参数:弦长、扭角、轴向和周向因子,运用matlab对计算结果拟合,得出拟合曲线,并利用三维建模软件UG完成风机叶片模型的创建。本文的设计方法可缩短叶片设计过程,提高设计效率。
  2)研究风机叶片铺层设计方法,在研究的基础上,设计了风机叶片根部、主梁、前缘、后缘和腹板的铺层;运用GH Bladed,计算叶片所受载荷并对结果进行处理,添加至叶片表面;对不同部位应力和应变规律进行分析,叶片根部为应力最大部位,最大变形部位为叶片端部;对叶根部位的复合材料层间力进行了分析,发现-45°铺层的层间应力最大,而且应力随铺设角度的不同呈现出周期性变化。
  3)研究叶片模型的静力学特性,模态分析和谐响应分析,对叶片应力应变和变形、振动频率以及振型和激励载荷对叶片的影响进行分析,并对所设计模型的有效性进行了验证。
  4)利用 matlab生成了随机载荷,并利用 nCode生成载荷谱;运用 nCode得出玻璃纤维材料的S—N曲线;运用nCode软件对在额定转速下的风机叶片载荷进行疲劳寿命研究,分析表明:设计叶片在正常转速下,其疲劳寿命比预期的20年寿命值高出很多。表明本文2MW级风机叶片在正常运行时运行20年是安全的。
  5)文中研究叶片模型和材料时,运用“分段”的研究方法,该研究方法和结果可为今后的设计及优化提供参考。
[硕士论文] 熊盼
机械工程 三峡大学 2016(学位年度)
摘要:鉴于当前我国的细鳞片石墨粉末库存极其巨大而精深加工极其匮乏的现状,本文尝试利用选择性激光烧结成型技术实现细鳞片石墨粉末快速成型,探索细鳞片石墨粉末激光烧结成型机理及石墨成型件成型工艺性、尺寸精度变化规律,最终制造出复杂的三维石墨多孔骨架。这对于充分开发细鳞片石墨粉末矿产资源、提高其经济使用价值具有重大现实意义。
  制备了细鳞片石墨粉末3D打印材料,研究了细鳞片石墨粉末选择性激光烧结成型固化机理,数值模拟分析了不同的工艺参数、不同的扫描模型对激光烧结成型温度场的影响,为选择合理的成型工艺参数范围提供了参考。研究发现X、Y方向烧结宽度随着激光功率的增大而增大;但随着扫描速度的增大而减小;增大相邻两条扫描线之间的重叠区域,最有效工艺措施是减小扫描间距。
  在定性分析激光烧结能量密度对石墨成型件成型工艺性影响的基础上,采取正交试验方法研究了扫描间距、扫描速度和激光功率对石墨成型件抗弯强度的影响,研究发现石墨成型件抗弯强度随着扫描间距、扫描速度的增大而减小;随着激光功率的增大而增加;其中扫描间距对石墨成型件抗弯强度的影响最为显著,其次是激光功率,再次为扫描速度。此外,实验研究了分层厚度对石墨成型件抗弯强度影响,发现石墨成型件的抗弯强度随着分层厚度的增大而减小。选出了抗弯强度最佳的工艺参数组合,并提出二次加热固化增强工艺方案。
  采取稳健性实验设计方法研究石墨成型件X、Y、Z三个方向的尺寸精度的变化规律,研究发现:增大扫描间距和扫描速度,有利于改善石墨成型件尺寸精度;尺寸精度随着激光功率的增大而下降。分层厚度对石墨成型件X、Y方向的尺寸精度几乎没有影响,但对Z方向的尺寸精度影响较大。在上述研究基础上,最终确定了既能保证石墨成型件成型工艺性又保证其成型精度的最佳工艺参数组合,并成功地实现了石墨多孔骨架制备。
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