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关键词： 3D打印   激光选区熔化   热积累   温度场   应力场   打印质量  

摘要： 激光选区熔化(SLM)3D打印技术是一种极具发展潜力的先进增材制造技术,它具有制造周期短、加工精度高等优势,特别适用于加工形状结构复杂的金属零件。然而在实际生产中,SLM技术因其加工工艺的特点,打印过程中难免会出现热量积累,导致零件局部温度过高,缺陷增多,使其打印质量降低,这严重制约了该技术的应用。为此,本文针对激光选区熔化3D打印过程出现的热积累问题进行研究,主要内容如下:(1)以18Ni300马氏体时效钢作为打印材料,进行了3D打印过程的热积累实验,研究了层间冷却时间和激光功率对打印试件致密度、尺寸偏差、硬度及拉伸性能的影响。结果表明,随着层间冷却时间的减少和激光功率的增大,热积累效应逐渐增强,导致试件的打印尺寸减小,硬度明显下降、抗拉强度与屈服强度降低,致密度随打印高度增加略有下降。增加层间冷却时间后,热积累效应减弱,打印试件尺寸偏差减小,硬度普遍提升,拉伸性能更佳。整体来看,层间冷却时间对热积累程度的影响更大。(2)基于ANSYS Workbench Additive有限元分析软件,综合考虑对流传热、材料物性参数随温度的非线性变化等因素的影响,利用移动热源及生死单元技术,建立了激光选区熔化3D打印过程的温度场有限元模型,着重研究了层间冷却时间对试件温度场的影响。结果表明,随着打印高度增加,打印层温度上升,热影响区增大,试件热量积累逐渐增多,层间冷却时间越短,热积累越严重。(3)基于热弹塑性理论,以温度场的计算结果为依据,利用ANSYS软件热-结构耦合的分析方法,对激光选区熔化3D打印过程的应力场进行了模拟分析。结果表明,随着层间冷却时间的减少,试件表面的高应力区域增大,选择适当的层间冷却时间,有利于释放试件内部的残余应力。试件沿打印高度方向的塑性应变较大,增加层间冷却时间可使试件的变形减小,打印质量更好。(4)针对3D打印过程的热积累问题,采用激光功率梯度递减方法或冷却增强方法都可以有效减缓打印试件的热积累,使其力学性能提升。(5)针对3D打印随形冷却模具零件出现的热积累问题,对不同打印工艺下零件的温度场和应力场进行了模拟分析,并进行了打印实验。结果表明,在基板未预热条件下,打印零件温度分布的均匀性较差,热积累效应影响明显,冷却后零件内部的残余应力较大,打印质量较差。在基板预热150℃条件下,热积累效应的影响减小,冷却后零件内部的残余应力减小,打印质量更好。

关键词： 柔性   自供电   光电探测器   钙钛矿   自旋-轨道耦合   应力   响应度   探测率   热膨胀系数  

摘要： 柔性自供电光电探测器(Flexible Self-Powered Photodetector)具有无需电源、重量轻、便携、与可穿戴设备兼容等优点,在下一代纳米器件以及物联网的发展中显示出巨大的潜在应用前景。金属卤化物钙钛矿(Metal Halide Perovskites)具有优异的光电性能,如良好的光吸收、带隙可调谐、载流子寿命和扩散长度长、缺陷能级浅和自旋-轨道耦合(Spin-Orbit Coupling)强等特点,在过去十几年中得到了广泛的研究。相比于在光电探测器应用领域已经取得巨大成功的传统无机半导体材料,如硅、砷化镓、氮化镓等,金属卤化物钙钛矿因其较为“柔软”的晶格更加适合高性能柔性自供电光电探测器的开发。传统的提升钙钛矿光电器件性能的方法主要有添加剂工程、界面工程等,而钙钛矿晶格较软,内部应力比较容易改变,应力会影响缺陷、载流子复合、带隙、自旋轨道耦合等,能够直接影响材料的晶体结构和光电性质,因此应力工程是调控薄膜质量和器件效率的有效方式。本论文将研究应力工程调控钙钛矿内部光电性质的内部机制,并以此提升柔性自供电钙钛矿光电探测器的性能。在这项工作中,我们在异质结结构柔性自供电钙钛矿光电探测器中插额外空穴传输层PDCBT,以此调控与钙钛矿薄膜直接接触的空穴传输层的热膨胀系数,从而改变钙钛矿薄膜内部应力。通过X射线衍射分析表明在PDCBT层上生长的钙钛矿薄膜产生了面外方向的压缩应力和面内方向的拉伸应力。钙钛矿晶格应力的改变会造成晶体结构变化进而影响自旋-轨道耦合作用,线偏振/圆偏振光激发调制光电流和磁光电流实验结果表明在PDCBT层上制备的钙钛矿薄膜其自旋-轨道耦合作用增强。在更强的自旋-轨道耦合作用下,Rashba效应增强使得钙钛矿带隙变窄,同时载流子寿命增加,最终提升了柔性自供电钙钛矿光电探测器的性能。在660nm处,利用应力工程优化后的柔性自供电钙钛矿光电探测器响应度达到了0.39A/W,探测率达到了2.31×10Jones,这在柔性自供电钙钛矿光电探测器中处于较高水平,其他各项探测器性能指标对比未插入PDCBT的标准器件也均有提升。图23幅,表2个,参考文献108篇。

关键词： 清管器   反求测量   皮碗变形   应力分析   数值模拟  

摘要： 清管器作为重要的油气管道储运配套设备之一,承担着清洁、探测输油管道的重任。在清管器工作过程中,皮碗和直板起着隔绝清管器两端流体和清洁管壁的作用,其与管壁之间的摩擦接触直接影响着清管器的工作效率,因此对皮碗和直板在与管壁摩擦接触过程中的变形和应力分布进行分析能够为清管作业及清管器的设计提供理论指导。针对目前皮碗变形量无法准确测量的难题,本文采用反求测量的方法对清管器皮碗在管道中的变形量进行了测量,并分别建立了皮碗和直板在直管和挡条三通管道中运行的三维有限元模型,对皮碗和直板的变形量和应力分布进行了研究。本文的主要研究内容如下:(1)根据清管器清管原理,对皮碗在管道中运行时的受力情况进行分析并将皮碗的变形分为周向变形和轴向变形。使用非接触式三维激光扫描仪得到皮碗变形前后的三维点云数据,将得到的点云数据进行边界圆拟合、比对分析后,反求测量得到了皮碗在过盈量为1.15%,2.14%,3.14%和4.16%时的周向变形量和轴向变形量,解决了目前清管器皮碗在管道中变形量无法测量的难题。(2)分别建立了皮碗在过盈量为1.15%,2.14%,3.14%和4.16%时,皮碗在直管中运行的三维有限元模型,利用显式动力学求解器进行模拟仿真计算,得到了皮碗在上述过盈量下的周向变形量和轴向变形量。通过反求测量实验值与模拟仿真计算值进行对比,验证了建立的三维有限元模型的合理性,同时也在清管领域提出了一种新的有限元模型验证方法。(3)分别建立了皮碗和直板在8种不同过盈量下在直管和挡条三通管道运行的三维有限元模型,从变形与等效应力两个方面,对不同过盈量下皮碗和直板的清洁能力与防卡堵能力进行综合分析。在分析皮碗和直板在挡条三通处运行的过程中,提出了“高度差”的理论来分析皮碗和直板的变形量。通过分析发现,直板的清洁能力优于皮碗,而皮碗的防卡堵能力强于直板,无论是皮碗还是直板,在三通与直管交界处的卡堵风险较大。在直管中,皮碗的过盈量需保持在3.14%～6.26%之间,直板的过盈量需保持在4.16%～5.20%之间,若输油管线中存在较多三通,则皮碗的过盈量需小于5.20%,而直板的过盈量需保持在4.16%左右。

关键词： TC4钛合金   TIG   SYSWELD   应力场   变形量  

摘要： 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好等诸多优异的性能,因此,钛合金焊接件被广泛应用于海洋工程、航空航天等领域。使用一般焊接方法焊接钛合金时极易产生焊接缺陷与焊接变形过大等问题,而使用TIG焊则能获得质量相对更好的焊接接头,但TIG焊熔覆量较低,在焊接钛合金中厚板时不能一次成型。因此,本文首先使用TIG焊接法对6mm厚钛合金板进行多层多道焊接实验,探究工艺参数对焊缝质量及力学性能的影响,旨在解决钛合金中厚板焊接中的焊缝质量问题。由于钛合金多层多道焊接实验周期过长、材料昂贵及难以测量实验过程中的某些物理量,因此,针对焊接变形过大的问题,本文采用数值仿真方法对钛合金多层多道焊接实验进行优化分析,探究焊接工艺对试板残余应力及变形的影响,为钛合金中厚板TIG焊工艺的实际应用提供参考。具体研究内容如下:(1)开展多次焊接试验得到无冷裂纹、无氧化等表面形貌良好的焊缝,确定较优的钛合金TIG焊工艺参数范围;通过实验分析焊接电流、焊接速度、送丝速度等工艺参数对焊缝表面形貌的影响;基于上述较优的工艺参数,使用两种不同的填充焊丝进行焊接实验,检测两种焊接接头的焊接缺陷及拉伸性能等,通过对比分析得出,在焊接TC4钛合金时加入纯钛焊丝能提高接头的塑性,减少冷裂纹的产生;探究两种焊接接头三个区域的显微组织情况。(2)基于SYSWELD软件建立仿真模型,对6mm厚钛合金板的多层多道TIG焊进行数值模拟并校核其热源,得到与实际热源吻合良好的热源模型;将实际测量的角变形等结果与仿真结果进行对比,验证仿真准确性;针对仿真得出的数据进行分析,探究在实际焊接时难以测量的相转变、温度场、应力场、变形量等物理量的变化情况。(3)基于SYSWELD软件对不同工艺参数下的焊接过程进行模拟,探究热输入、坡口角度等参数变化对试板残余应力及变形的影响,调整工艺参数的方法对降低试板的残余应力及变形能起到一定程度的效果;基于仿真结果探究刚性约束法对焊件残余应力及变形的影响,得到了不同压板宽度和压板与焊缝距离的情况下试板残余应力及变形的变化规律,该方法能有效降低试板变形,但不能降低试板的残余应力;基于仿真结果探究温差拉伸法对试板残余应力及变形的影响,总结了该方法在不同温度和不同温度带与焊缝距离情况下试板的残余应力及变形变化规律,该方法相比于刚性约束法而言能够在减小焊件变形的同时有效降低其残余应力。

关键词： 课岗赛证   课程思政   教学模式   工程力学  

摘要： 针对工程力学课程长期存在的痛点问题，结合学情，探索了高职工程力学课程的“课岗赛证+思政融通”模式。重构教学内容，融通“课岗赛证”；整合多方资源，建立多元支撑；实施融通教学模式，突破教学重难点；纵横思政主线，全面融合构建课程思政体系。通过教学改革，学生的知识、能力、素质得到了全面提升，取得了较好的实践成效。

关键词： 硅钢片   应力场   磁导率模型   损耗模型   选取原则  

摘要： 高速电机由于其优势明显,被各个领域广泛应用,因此针对其研究一直是国际电工领域的研究热点之一。但是,由于其自身具有高速、高频、高功率密度等特点,导致电机内部场域分布复杂,随之带来的问题也更加突出。除此之外,研究人员对电机铁心材料的研究也比较广泛,作为电机铁芯的主要材料,对硅钢片的研究也更加广泛和全面。因此,本文从电机本身的特点入手,对考虑应力影响的电机用硅钢片特性进行研究。首先,以一台高速永磁电机为例,建立其物理模型。应用ANSYS中的Maxwell模块对电机的电磁场进行有限元仿真,并通过对定转子上特征点的分析,得到电机内部电磁场的分布特点,其中包括频率的大小、磁化方式以及谐波分布及存在形式等。应用解析法和Workbench模块对电机的应力场进行分析,分别得到电磁应力和机械应力下电机的应力场分布特点。依据上述的分析结果,论述在进行硅钢片的电磁特性研究过程中,除电磁场之外,考虑应力场的必要性。其次,简要描述实验系统、设备原理以及实验过程。通过对大量的硅钢片进行实验测量,并对测量数据进行处理和分析,得到不同类型、不同频率以及不同应力下硅钢片的电磁特性变化情况,分析硅钢片的导磁性能以及损耗随各物理因素的变化规律,确定各物理因素对硅钢片不同电磁特性的敏感程度。然后,建立考虑电磁场和应力场耦合下的磁导率计算模型,根据实际磁导率对其进行修正,并通过仿真结果与计算结果的对比,验证该模型的准确性;通过电磁场和应力场中的各影响因素,对损耗计算模型进行逐次改进,通过对所有改进后模型的计算值与经典损耗模型的计算值进行对比,验证各物理因素的影响程度以及改进损耗模型的准确性。最后,研究硅钢片特性的改变对电机性能的影响。并依据此结果、电机的设计要求以及应用场合等确定了硅钢片的选取原则,为高速电机在进行硅钢片的选取时,提供一定的参考。

关键词： 短杯柔轮   谐波减速器   结构优化   应力   圆弧面柔性轴承  

摘要： 短杯柔轮谐波减速器具有传动比大、体积小、传动精度高等特点,在航空航天、机器人等领域有着极为重要的应用。然而,我国在短杯柔轮谐波减速器的研究上存在齿形设计相对单一、结构设计不合理导致应力过大、寿命较低等问题,严重制约了我国高端智能装备产业的发展。鉴于此,本文通过理论分析、数值仿真、有限元、试验等方法,针对短杯柔轮谐波减速器的优化设计与其核心零件柔轮的特性分析展开了下列研究。 (1)构建了谐波传动几何关系模型,针对一种三次样条曲线新型柔轮齿廓,利用该模型结合包络啮合理论、最小二乘法完成了刚轮共轭齿廓的设计,并通过理论计算与数值仿真对齿廓的啮合性能进行了分析。 (2)设计并确定了谐波减速器三大组成部件:柔轮、刚轮以及波发生器的结构参数,并在此基础上构建了谐波减速器三维啮合有限元模型。 (3)提出了一种圆弧面改进波发生器柔性轴承结构,并验证了采用该结构的合理性;基于改进波发生器与柔轮的参数化装配有限元模型,探究了柔轮结构参数对其应力的影响,再利用响应曲面法对柔轮结构参数进行了多目标优化设计,并对优化后的柔轮强度进行了校核;最后利用有限元法验证了优化后的谐波减速器模型在额定负载作用下其柔轮应力也满足设计要求。 (4)利用有限元法阐明了优化后谐波减速器“装配-负载”过程中柔轮的变形规律,并开展柔轮变形测量试验验证了有限元结果的准确性,最后求解了谐波减速器柔轮的扭转刚度。

关键词： 双丝埋弧焊   有限元模拟   温度场   应力场   应力腐蚀  

摘要： N610CF钢在经过控轧控冷工艺处理后获得了较好的力学性能,凭借其良好的综合性能被广泛地应用于水电压力管道等结构。随着该钢种在水电行业的大量使用,以及水电行业对生产效率的更高要求,双丝埋弧焊开始被用于N610CF钢的焊接,目前,对于N610CF钢双丝焊工艺的研究仍处于起步阶段,对于焊接工艺的研究具有重要意义。在焊接完成后,接头会存在焊接残余应力,对其性能产生影响,如何获得准确的残余应力大小和分布,将是接头应力研究的重要环节。此外,接头在使用过程中会接触到各种腐蚀介质,在焊接残余应力和工作应力的作用下存在发生应力腐蚀的风险,因此对于N610CF钢双丝埋弧焊工艺和接头应力腐蚀行为的研究具有重要的意义。本文采用三种不同的焊接速度（即不同焊接线能量）对N610CF钢板进行双丝埋弧焊焊接试验,通过金相试验、硬度试验、拉伸试验等方法研究了接头微观组织及力学性能,结果表明不同焊接速度接头组织类型基本相同,但由于线能量不同,导致冷却速度不同,最终形成的组织比例、晶粒大小不同。三组接头中,70cm/min焊接速度下接头成形、综合力学性能较佳,采用该焊接速度能够有效降低热影响区软化程度。采用有限元模拟方法对焊接温度场、应力场进行了研究,并与热循环采集、X射线应力测试等试验实测结果进行了对比,结果表明模拟结果与试验结果分布规律一致。温度场模拟结果显示,模拟热循环曲线与实测热循环曲线一致,模拟结果可对接头组织进行有效预测。随着焊接速度的提高,熔池面积、峰值温度减小,接头冷却速度加快。应力场模拟结果显示,焊接速度的改变（即线能量改变）对残余应力影响不大,其中,横向拉应力均达到+400MPa,纵向拉应力均达到+450MPa。随着焊道的叠加,横向拉应力存在明显的叠加效应。对于厚板双面多层多道焊,焊接顺序对接头横向残余应力有显著影响,采用正反依次交替焊接能有效降低横向残余拉应力及焊接角变形。焊接接头电化学试验结果表明,随着电势升高,接头不同区域在三种溶液中均出现了钝化、过钝化并二次钝化的现象。接头在三种溶液中均有明显的腐蚀倾向,在Na2SO4中自腐蚀电位最低,最容易发生腐蚀,在Na NO3中自腐蚀电流密度最高,腐蚀速率最快。通过慢应变速率拉伸试验研究了母材及接头的应力腐蚀倾向,结果表明焊接接头仅在Na Cl和Na NO3两种溶液中存在一定的应力腐蚀倾向,但三种溶液中试样的断裂模式均由韧性断裂向脆性断裂转变,在Na NO3溶液中该转变尤为明显。根据应力模拟结果,对接头进行了四点弯浸泡试验,结果表明:接头在三种溶液中均具有良好的抗应力腐蚀性能,无裂纹萌生。试样在三种溶液中均会形成钝化膜,但由于接头在Na Cl溶液和Na2SO4溶液中为均匀腐蚀,在形成钝化膜后腐蚀不再加深,而接头在Na NO3溶液中则是发生点蚀,形成了腐蚀坑,并在加载应力作用下形成了应力集中,导致钝化膜破坏,腐蚀不断加深。

关键词： 激光选区熔化   多尺度数值模型   温度场   应力场  

摘要： 激光选区熔化是通过逐层铺粉、逐层加工的激光快速成形技术,该技术可以实现复杂精密件的直接成形,具有成形构件高致密度和高尺寸精度等特点,在生物移植和航空航天等领域得到广泛应用。激光选区熔化技术成形过程中涉及复杂的物理化学现象,工艺参数敏感性高,温度场不稳定且分布不均匀易导致热应力的产生,进而影响构件尺寸精度和力学性能。本论文针对激光选区熔化逐点、逐线和逐面的技术成形特点,开展了从熔池(介观尺度)、片层到构件(宏观尺度)的GH3625合金热-应力耦合多尺度数值分析,研究了各层次下应力的演变机理,并探究了工艺参数和支撑结构设计的影响规律,为成形工艺参数选取和支撑结构设计提出理论依据,实现激光选区熔化成形较好的应力及变形控制。本文的主要研究工作如下:(1)基于介观尺度模型研究了逐点颗粒熔化过程中熔池形貌的演变,熔池先后在蒸汽反冲力、马兰戈尼对流和表面张力及重力为主要驱动力的作用下流动变形,最终熔道凝固后呈“山丘”状,熔池形貌尺寸模拟结果与实验结果偏差在7%以内。随着扫描速度的减小和激光功率的增加,熔池中心温度升高,液相金属存在的时间增长且流动速度增大,熔池尺寸增大。根据熔池形貌平整及连续性确定了逐点成形工艺参数窗口。(2)基于确定的工艺参数窗口开展SLM片层逐线成形分析,研究发现已扫描区域在后续热循环作用下温度回升达到的最大值随着扫描速度和激光功率的升高而升高;片层峰值应力随着扫描速度的升高和激光功率的降低而降低,能量输入越大,成形后应力值越大。(3)SLM片层逐线成形中随着扫面间距的增大,热交互作用减弱,同时条带成形数量减小,能量输入量减少,片层峰值应力降低;相比平行和分区扫描路径,“S”形扫描路径可有效缓解应力集中问题,降低片层成形后的应力。(4)优化确定了激光功率为380 W,扫描速度为1000 mm/s,扫描间距为120μm,扫描路径为“S”形路径的工艺参数组合。基于该套工艺参数研究分析了SLM构件逐层成形过程及应力演变,并针对大变形缺陷进行了工艺辅助支撑的设计。模拟结果表明,Block支撑的设计有效改善了支出结构处大变形缺陷问题,支出结构1处最大变形量由17.497 mm降低至1.309 mm,下降幅度达到了92.1%。

关键词： 直埋   供热管道   顶管   应力分析  

摘要： 本文结合实际工程案例，通过有限元应力分析软件START-PROF进行三维建模，计算分析主管径DN1200的直埋供热管道轴向布置使用90°和45°弯头下翻穿越市政道路几种设计方案。通过对方案中不同工况下供热管道和附件进行应力分析，发现弯头处应力较接相触直管段处应力值大；弯头倍率R=1D时，90°弯头相比45°侧向变形更大，所受应力小；曲率半径R=1D～4.5D的45°弯头，随着曲率半径的增大，弯头所受应力值变小。工程中当顶管深度时受限可通过使用大倍率45°弯头设计过路方案。