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双封单卡压裂管柱喷砂器的冲蚀磨损研究

双封单卡压裂管柱喷砂器的冲蚀磨损研究

引用

作者：周相宜东北石油大学

学位级别：硕士

压裂是油田低渗储层改造,提高采收率的重要措施,双封单卡分段压裂技术可实现水平井分段多段压裂,有效改造储层。但随着储层改造的需要,流量和加砂量不断增加,携砂压裂液通过导压喷砂器注入地层过程中,流体流动方向发生改变,固体支撑剂... 详细信息

压裂是油田低渗储层改造,提高采收率的重要措施,双封单卡分段压裂技术可实现水平井分段多段压裂,有效改造储层。但随着储层改造的需要,流量和加砂量不断增加,携砂压裂液通过导压喷砂器注入地层过程中,流体流动方向发生改变,固体支撑剂对喷砂器产生严重的冲蚀磨损、偏磨等现象。因此,本文针对双封单卡压裂管柱喷砂器内部固液两相流进行数值模拟,结合冲蚀磨损模型,对喷砂器不同工况下的内部流场和冲蚀磨损规律进行分析。针对压裂工况,建立了压裂管柱喷砂器内部流场数值计算模型,基于离散相模型对液固两相进行计算,采用Realizable k-?模型模拟湍流流动,采用颗粒动力学模型计算固体支撑剂的运动,考虑相间的耦合作用,计算多相流动;基于Arabnejad、Oka和E/CRC Zhang三种不同的冲蚀磨损模型,模拟颗粒对壁面的冲蚀磨损作用。对喷砂器内部流场进行LDA测试,得到了喷砂器喷砂孔位置流场的速度分布规律,对不同雷诺数流动进行了测量,将实验结果和数值模拟进行了对比分析,结果表明,数值模拟结果和实验测试结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可靠性。对喷砂器位于中心位置和偏心位置工况的固液两相流动进行模拟,分析内部流场分布规律,支撑剂颗粒的分布规律及携砂压裂液对喷砂器表面冲蚀磨损规律和磨损形貌,分别采用Oka模型、E/CRC Zhang模型和Arabnejad模型对喷砂器进行冲蚀磨损模拟。结果表明,在中心位置时,靠近死堵位置磨损率急剧增大;在偏心位置时,两侧喷砂孔磨损不对称。Oka模型预测出了最高的冲蚀速率,E/CRC Zhang模型预测出了最低的冲蚀速率,Oka模型的预测结果和实际施工后的形貌较为接近。采用Oka冲蚀磨损模型,进一步分析喷砂器在不同排量下对喷砂器内部流动和冲蚀磨损的规律,以及支撑剂粒径大小和压裂液粘度对喷砂器的冲蚀磨损规律,结果表明,流量增加,涡的结构基本保持不变,但是涡的强度大大增加;在支撑剂的质量流量保持不变的情况下,流量越高,磨损越严重,流量成为了影响固体颗粒对喷砂器表面冲蚀行为的重要因素。随着流量的增加,喷砂器在偏心工况与中心工况的压力降之差逐渐增加。随着粒径的增加,最大冲蚀磨损率逐渐增加,而平均磨损率与粒径大小不呈正相关性。压裂液粘度的增加,最大磨损位置和区域基本相似,冲蚀磨损率随压裂液粘度变化不明显。本文可为喷砂器的冲蚀磨损规律研究提供参考,同时,也为双封单卡压裂管柱喷砂器的优化设计提供了一定的借鉴。

关键词：喷砂器冲蚀磨损偏磨磨损模型

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中厚板轧机工作辊热凸度与磨损研究

中厚板轧机工作辊热凸度与磨损研究

引用

作者：娄蕾燕山大学

学位级别：硕士

在钢铁产品中，中厚板是重要的钢材品种，一般占钢材总产量的10%左右。中厚板广泛应用于基础设施建设、工程机械、造船、容器、建筑、能源等行业，在国民经济中有着重要的地位。工作辊热凸度是影响板形质量的重要因素之一，随着板形控... 详细信息

在钢铁产品中，中厚板是重要的钢材品种，一般占钢材总产量的10%左右。中厚板广泛应用于基础设施建设、工程机械、造船、容器、建筑、能源等行业，在国民经济中有着重要的地位。工作辊热凸度是影响板形质量的重要因素之一，随着板形控制技术的发展，工作辊热凸度作为热轧板形控制系统的重要组成部分，其研究已经越来越受到重视。本文根据传热学基本理论在全面分析轧辊热量传递的基础上，参考轧辊内热传导系数、空气热传导系数、冷却对流热传导系数以及输入轧辊的热量(包括变形热和摩擦热)的计算公式；从能量守恒定律和热传导方程出发，建立了轧辊二维非稳态温度场的差分计算数学模型；开发了轧辊热凸度离线模拟计算程序并进行了模拟计算，分析了有关参数对轧辊热变形的影响规律。轧辊磨损也是轧制过程中难以精确控制的因素之一。磨损破坏了原始辊型，直接影响板凸度、轧件板形的控制，严重制约了板材产品质量的提高，同时轧辊磨损也大大增加了辊耗。中厚板轧机轧辊磨损及其数学模型是中厚板生产领域亟待深入研究的问题。本文论述了轧辊磨损的机理、特点，分析了轧辊磨损的形式、影响因素。从摩擦学原理出发，建立了中厚板轧辊磨损模型。

关键词：中厚板轧制温度场热凸度磨损机理磨损模型离线模拟

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基于DEM的散料转运溜槽滑动磨粒磨损规律研究

基于DEM的散料转运溜槽滑动磨粒磨损规律研究

引用

作者：李煜杰武汉理工大学

学位级别：硕士

在散料转运过程中,溜槽频繁受到冲击和摩擦,磨损现象严重,使用寿命下降。料流速度、壁面载荷等因素对溜槽滑动磨粒磨损的影响规律尚不清晰,磨损模型不完善,难以通过数值计算方法准确预测溜槽磨损。本文通过回转式滑动磨粒磨损试验探究... 详细信息

在散料转运过程中,溜槽频繁受到冲击和摩擦,磨损现象严重,使用寿命下降。料流速度、壁面载荷等因素对溜槽滑动磨粒磨损的影响规律尚不清晰,磨损模型不完善,难以通过数值计算方法准确预测溜槽磨损。本文通过回转式滑动磨粒磨损试验探究法向载荷和切向速度对金属试件滑动磨粒磨损的影响规律,提出一种适用于离散元仿真的滑动磨粒磨损预测模型并利用试验数据标定模型参数,基于该预测模型开展溜槽结构耐磨性能仿真分析及优化设计,为散料转运溜槽结构耐磨设计提供指导。本文的研究内容及成果如下: (1)开展法向载荷和切向速度对金属试件滑动磨粒磨损的影响规律试验研究。分析溜槽磨损机理及影响因素,设计了回转式滑动磨粒磨损试验台,开展金属试件滑动磨粒磨损试验,获得了不同载荷和转速下Q235、45号钢和NM400试件磨损量。结果表明:随着载荷增加,磨损量呈上升趋势,当载荷大于248 N时,低转速试件磨损量开始减小,高转速试件磨损量仍上升;随着切向速度增加,低载荷试件磨损量下降,而高载荷试件磨损先减小后增加;三种材料中NM400的耐磨性能最佳,但当转速达到2500 r/min时,Q235磨损率最低。 (2)提出一种适用于离散单元法仿真的滑动磨粒磨损预测模型——变化磨损因子模型(Varying Wear Factor Model,VWFM)。针对DEM仿真常用的Archard模型因其固定磨损因子对滑动磨粒磨损存在适用性问题,在Finnie和SIEM磨损模型的基础上,提出了滑动磨粒磨损预测模型VWFM,采用试验数据标定模型参数,并通过试验和仿真对比验证了VWFM磨损预测的准确性。结果表明:两组工况参数的试件磨损量计算值与试验值偏差分别为3.30%和0.82%。 (3)基于VWFM的溜槽结构耐磨性能分析及优化。采用VWFM对不同横截面形状、倾角、曲率以及表面形态的溜槽结构进行离散元仿真及规律分析,提出溜槽耐磨结构设计方案。结果表明:相较于梯形、折线形和圆弧形,方形横截面颗粒流集中度低,整体磨损最小;在40～55°倾角范围内,随倾角增大,落料区磨损量先增加后减小,输送区磨损量呈下降趋势;曲率越小,溜槽磨损量越小;落料区光滑平面磨损量最小,输送区台阶形引导颗粒运动,耐磨性能最佳;采用圆弧导料板和台阶形直线输送管组合形式的溜槽可减少30%的磨损量。

关键词：滑动磨粒磨损转运溜槽离散单元法磨损模型

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纳米陶瓷颗粒对钴合金高温抗磨性能的影响研究

纳米陶瓷颗粒对钴合金高温抗磨性能的影响研究

引用

作者：李赛太原理工大学

学位级别：硕士

钴基高温合金在航空航天领域应用广泛。传统的钴基高温合金普遍存在尺寸稳定性差、机械强度与耐高温性失调等问题,故需要选取合适的强化相来增强钴基合金的力学和高温摩擦学性能。本文采用高温热压烧结技术制备出一系列纳米陶瓷颗粒强... 详细信息

钴基高温合金在航空航天领域应用广泛。传统的钴基高温合金普遍存在尺寸稳定性差、机械强度与耐高温性失调等问题,故需要选取合适的强化相来增强钴基合金的力学和高温摩擦学性能。本文采用高温热压烧结技术制备出一系列纳米陶瓷颗粒强化的钴基复合材料,研究了室温至1000℃的温度范围内纳米陶瓷颗粒强化相对钴基复合材料力学性能及高温摩擦学性能的影响,建立了CoCrMo-TiO2复合材料的高温磨损质量仿真模型和摩擦性能预测模型。制备了CoCrMo-TiO2钴基复合材料,对其力学和高温摩擦学性能展开了系统性研究。发现基体中添加纳米TiO2,可以起到明显的强化作用,并很大程度上提高了复合材料的高温耐磨性能,原因是TiO2起到了提高了基体的硬度和在高温下支撑氧化膜的作用。在给定的实验条件下,含有4 wt.%TiO2的复合材料表现出最合理的摩擦学性能。分别研究了在400℃条件下载荷与滑动速度对CoCrMo-TiO2钴基复合材料摩擦学性能的影响。随着载荷的增加,复合材料的摩擦系数有小幅度变化;磨损率具有下降的趋势。随着滑动速度的增加,复合材料的摩擦系数有轻微变化;磨损率表现出先减小后增大的趋势,载荷为10 N时复合材料表现出最低的磨损率。在400℃的实验条件下,复合材料表现出相似的磨损机理,为轻微的犁沟磨损和氧化磨损。随着载荷与滑动速度的增加,犁沟变浅,磨损表面变得平整。制备了CoCrW-ZrO2钴基复合材料。随着纳米ZrO2质量分数的增加,复合材料表现出更好的耐磨性和力学性能。随着温度的升高,试样的磨损率具有相同的变化趋势。在给定的试验条件下,含有1.5 wt.%ZrO2的复合材料表现出最合理的高温摩擦学性能。建立了两种钴基复合材料磨损模型:（1）以修正的Archard磨损模型为基础,综合考虑了影响钴基复合材料寿命的材料特性、磨损机理等因素,采用MATLAB建立了CoCrMo-TiO2复合材料磨损质量仿真模型,模型与实验结果基本吻合。（2）以CoCrMo-TiO2钴基复合材料为研究对象,利用牛顿插值理论,建立摩擦学性能预测模型。结果表明,模型精确度较高。

关键词：钴基复合材料纳米陶瓷颗粒高温摩擦磨损模型

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旋转超声磨削金刚石磨具磨损行为演变机制研究

旋转超声磨削金刚石磨具磨损行为演变机制研究

引用

作者：皮久哈尔滨理工大学

学位级别：硕士

随着现代航空航天技术的飞速发展,对材料性能要求也越来越高。热压烧结Si3N4陶瓷作为新型航空航天材料,具有优良的耐磨性及化学稳定性,以及密度小、高温力学性能高等特点。但热压烧结Si3N4陶瓷作为典型的硬脆材料,加工起来十分困难。旋... 详细信息

随着现代航空航天技术的飞速发展,对材料性能要求也越来越高。热压烧结Si3N4陶瓷作为新型航空航天材料,具有优良的耐磨性及化学稳定性,以及密度小、高温力学性能高等特点。但热压烧结Si3N4陶瓷作为典型的硬脆材料,加工起来十分困难。旋转超声磨削加工较好的解决了这一问题,它是集超声高频振动与旋转磨削加工复合的一种加工工艺方法。旋转超声磨削加工具有磨削力较小、加工表面质量高等优点。但是在加工过程中,磨具磨损不仅会影响到Si3N4陶瓷表面加工质量,还会对磨具的使用寿命有较大的影响。为了提高加工表面质量,减小磨具磨耗并降低加工成本,开展基于旋转超声磨削的金刚石磨具磨损行为演变机制研究具有重要的意义。首先,针对热压烧结Si3N4陶瓷在超声磨削加工过程中金刚石磨具超声振动磨削特性,对单个金刚石磨粒进行受力分析,并分析不同结合剂的特性。将磨粒与结合剂之间的镶嵌机制进行理论分析,并确定磨具在超声磨削加工过程中金刚石磨具的磨损形式及磨损阶段。其次,建立金刚石磨粒三维随机模型。结合金刚石磨粒形貌随机属性,依据虚拟格子法,并根据磨具随机形貌生成磨具三维随机模型,最后根据试验结果,按照磨损形式所占比例建立磨具磨损表面形貌三维模型,实现磨具磨损随机形貌三维建模。最后进行旋转超声磨削实验,根据试验后得出的磨具磨损的数据,分析金刚石磨具在不同工艺参数和工具参数条件下对磨具磨损的影响。并根据试验结果,分析金刚石工具磨损的影响规律。进行磨具破坏性磨损试验和磨具磨削力检测试验,观测磨具出现的破坏性磨损形式,判断磨具磨损阶段,并使用扫描电镜观测磨具磨损表面形貌和陶瓷表面形貌,通过能谱分析探索磨具破坏磨损的产生原因,分析不同磨损阶段材料表面加工质量的规律。

关键词：旋转超声磨削磨损模型磨损形式 Si3N4陶瓷

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基于能量耗散的受电弓滑板摩擦磨损研究

基于能量耗散的受电弓滑板摩擦磨损研究

引用

作者：李兵红辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

作为电力机车牵引供电系统中不可或缺的一环,弓网系统在列车的稳定运行中扮演着重要角色。列车运行过程中,受电弓滑板与接触网导线通过滑动接触为列车提供运行所需的电能,二者之间既发生滑动摩擦,又传导电流,滑板与接触线构成一对机械... 详细信息

作为电力机车牵引供电系统中不可或缺的一环,弓网系统在列车的稳定运行中扮演着重要角色。列车运行过程中,受电弓滑板与接触网导线通过滑动接触为列车提供运行所需的电能,二者之间既发生滑动摩擦,又传导电流,滑板与接触线构成一对机械与电气耦合的特殊摩擦副。滑动电接触条件下滑板磨损既有机械磨损又有电气磨损,还存在机械与电气的耦合作用,两者相互影响加剧了磨耗,一旦滑板磨耗到限没有得到及时更换,会影响列车的运行安全。因此,对滑板磨损量进行有效预测,可以为运行维护人员提供重要指导,有利于确保列车安全稳定运行,开展滑板摩擦磨损与建模研究具有重要现实意义。本文利用滑动电接触实验机,以浸铜碳滑板和纯铜接触线作为摩擦副进行载流摩擦磨损实验,提出了一种基于能量耗散来预测受电弓滑板磨损量的新方法,从系统做功的角度解释了受电弓滑板的摩擦磨损行为。实验研究了接触电流、接触压力和滑动速度对滑板磨损量的影响规律,包括电流对滑板摩擦系数的影响规律,结果表明:滑板摩擦系数随接触电流的增加呈现减小的趋势,且减小幅度逐渐减缓;接触电流小于150A时,滑板磨损量的增加程度相对缓慢,接触电流大于150A时磨损量增加较快,滑板磨损量呈现明显的增长趋势;滑板磨损量随滑动速度的增加而增加;随接触压力的增加呈先减小后增大的“U”形变化规律。为了在摩擦系数发生变动的工况下准确表征滑板的磨损量,利用摩擦系数的实验数据,推导并验证了新的滑板摩擦系数数学模型。综合考虑电流做功和摩擦力做功对滑板磨损性能的影响,定义了电流做功与摩擦力做功的和为弓网载流摩擦耗散能量,采用弓网载流摩擦耗散能量来定量表征受电弓滑板的磨损程度,研究发现滑板磨损量与弓网载流摩擦耗散能量之间呈现显著的线性关系。结合新的摩擦系数数学模型,建立了基于能量耗散的受电弓滑板磨损数学模型,新的磨损模型预测值与实际值匹配良好,最小相对误差为0.385%,相对误差均值仅为5.100%,适用于工程实践。研究了滑板磨损量与接触电流和摩擦力之间的关系,结果表明在给定滑动速度和接触压力条件下,随着接触电流的增加,摩擦力减小,滑板磨损量逐渐增大,磨损量与摩擦力之间呈负相关。揭示了电流做功与摩擦力做功对弓网载流摩擦耗散能量的影响规律,发现随着接触电流的增加,摩擦力做功和电流做功产生的能量明显发生变化,摩擦力做功产生的能量减小,电流做功产生的能量不断增加,总耗散能量不断增加。当电流在0～150A之间时,摩擦力做功产生的能量所占比例大于电流做功产生的能量,滑板磨损主要以机械磨损为主;随着电流的增加,滑板主要磨损开始由机械磨损向电气磨损转变,在150A时摩擦力做功与电流做功产生的能量接近相同,此时机械磨损与电气磨损基本达到相对平衡;当电流达到200A时,电流做功产生的能量所占比例大于摩擦力做功产生的能量,此时滑板磨损主要以电气磨损为主,通过观察滑板表面的磨损形貌,发现滑板表面出现损伤程度较大的电弧烧蚀坑和裂纹,导致滑板磨损加剧。该论文有图27幅,表7个,参考文献76篇。

关键词：弓网系统滑动电接触载流摩擦能量耗散摩擦系数磨损模型表面形貌

来源：评论

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基于几何更新方法的轮胎胎面磨耗行为仿真分析

基于几何更新方法的轮胎胎面磨耗行为仿真分析

引用

作者：许顺凯华南理工大学

学位级别：硕士

轮胎作为汽车与路面接触的唯一部件,汽车依赖轮胎与路面间的摩擦力实现汽车加速、巡航和制动。耐磨性作为评价轮胎性能的重要指标,直接制约着轮胎的使用寿命。目前世界各国轮胎公司对轮胎磨耗性能的测试主要依靠道路磨耗试验,但是该方... 详细信息

轮胎作为汽车与路面接触的唯一部件,汽车依赖轮胎与路面间的摩擦力实现汽车加速、巡航和制动。耐磨性作为评价轮胎性能的重要指标,直接制约着轮胎的使用寿命。目前世界各国轮胎公司对轮胎磨耗性能的测试主要依靠道路磨耗试验,但是该方法成本高耗时长。因此,在计算机性能大幅提升和有限元方法不断完善的今天,利用有限元仿真分析方法研究轮胎胎面的磨耗性能成为可能。本文以205/55R16型号的子午线轮胎为研究对象,利用ABAQUS等有限元分析软件建立了光面轮胎、纵沟槽花纹轮胎以及复杂花纹轮胎的有限元模型,并通过径向刚度试验验证了有限元模型的正确性;利用ABAQUS用户子程序(FRIC、VFRIC)将胎面和路面之间的摩擦特性定义为指数衰减模型;针对不同花纹轮胎的结构特点,采用隐式分析方法模拟光面轮胎和纵沟槽花纹轮胎的自由滚动过程,而采用显式分析方法模拟复杂花纹轮胎的自由滚动过程。考虑到轮胎在滚动过程中发生胎面磨损导致材料销蚀的现象,本文基于李钊和左曙光等人提出的胎面磨耗求解策略——几何更新法,使用ABAQUS软件仿真研究了光面轮胎、纵沟槽花纹轮胎和复杂花纹轮胎的磨耗性能。即将总的磨耗评价行驶里程离散为多个阶段,在每个阶段内采用Archard公式计算胎面各节点的磨耗量,然后依据该阶段内的总磨耗量采用UMESHMOTION用户子程序对胎面几何形状进行更新。再计算轮胎在下一阶段内的磨耗量,如此不断循环直至达到磨耗评价要求的里程数,求得最终的胎面磨耗情况。分析结果表明,三款轮胎胎面磨耗深度沿胎宽方向近似呈左右对称分布,胎肩处磨耗比胎面中部磨耗严重,并且复杂花纹轮胎的单个花纹节先接地处磨损较轻,而后接地处磨损较为严重,与轮胎实际磨损情况一致。花纹轮胎的最大磨损量仿真结果与实验结果基本相同。通过仿真分析,比较几何更新法采用与否的胎面的磨耗行为,发现不进行几何更新时胎面磨耗突变严重,且最大磨耗量偏大。以上结果充分证明了几何更新法可以更准确地模拟轮胎滚动过程中胎面材料的销蚀过程。此外,本文还研究了轮胎外倾角、车轮载荷和胎面花纹对轮胎磨耗性能的影响。

关键词：轮胎磨耗自由滚动磨损模型

来源：评论

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基于CFD-DEM-Wear耦合方法的汽车涂层抗石击性能仿真研究

基于CFD-DEM-Wear耦合方法的汽车涂层抗石击性能仿真研究

引用

作者：钱嘉诚华南理工大学

学位级别：硕士

汽车涂层作为汽车表面的保护层,对于汽车的美观性和安全性十分重要。然而,汽车表面在汽车高速行驶过程中不可避免地会受到路面溅起碎石的冲击,涂层可能因此而受损,影响汽车车身的性能。目前,汽车及涂料企业常用试验方法评价汽车涂层的... 详细信息

汽车涂层作为汽车表面的保护层,对于汽车的美观性和安全性十分重要。然而,汽车表面在汽车高速行驶过程中不可避免地会受到路面溅起碎石的冲击,涂层可能因此而受损,影响汽车车身的性能。目前,汽车及涂料企业常用试验方法评价汽车涂层的抗石击性能,即在抗石击试验仪上进行标准试验,通过将涂层损伤结果和标准图片结果对照以进行性能评估。但是,这种基于试验的评价方法成本高、效率低,并且重复性较差,多次试验的结果可能会有较大的差别。本研究的主要目的是通过一种CFD-DEM-Wear耦合仿真计算方法,以计算机仿真的方式准确有效地模拟出标准试验中冲击用介质在抗石击试验仪中的运动过程以及涂层样本的受击损伤状况。为了达到这一目的,本文采用了一种耦合非解析计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)的方法计算流体和颗粒之间的相互作用。为了准确描述颗粒粒径比流场网格尺寸大的颗粒,本文提出了刚性连接颗粒法。通过这种方法,每个实际的球形或者非球形颗粒都可以通过一组刚性连接且无重叠的球形颗粒组成的颗粒团近似描述,并基于颗粒团中每个成员小球模拟颗粒与流体间的相互作用。颗粒冲击涂层样本造成的冲击损伤,将采用磨损模型进行计算。本文首先对高雷诺数下水平圆管内单个球形大颗粒的运动实验进行仿真,得到了与实验结果基本一致的大颗粒运动轨迹,验证了刚性连接颗粒法在不同气压条件下的可行性。然后,将CFD-DEM-Wear模型应用于汽车涂层抗石击性能的两个标准试验,即DIN 55996-1和SAE-J400-2002标准试验,从颗粒冲击涂层样本瞬间的速度和涂层样本受损状态两个方面对仿真结果进行评价。仿真计算结果与实验吻合良好,证明了耦合计算方法在评价涂层抗石击性能方面的应用价值。在此基础上,本文还研究了颗粒初始速度、涂层样本安装角度对汽车涂层冲击损伤的影响。最后,基于标准试验现象时间较长、试验过程中颗粒流基本稳定的特点,提出了利用随机函数提高涂层损伤仿真效率的方法,即对于现象时间较长的标准试验,可以利用前段时间仿真所得的涂层损伤结果预测后段剩余时间的涂层受损情况。

关键词：汽车涂层 CFD-DEM 磨损模型非球形颗粒复合颗粒

来源：评论

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空间结构韧化ZTAp/钢复合材料的三体磨料磨损性能研究

空间结构韧化ZTAp/钢复合材料的三体磨料磨损性能研究

引用

作者：冯家玮昆明理工大学

学位级别：硕士

传统陶瓷颗粒增强金属基复合材料(MMCs)将颗粒均匀分散于金属基体中,可以一定程度上提高材料的强度和耐磨性,但不能最大限度的发挥各组分的协同作用。将MMCs分为在空间均匀分布的增强颗粒富集区(复合区)和纯基体连续区,进行空间结构韧化... 详细信息

传统陶瓷颗粒增强金属基复合材料(MMCs)将颗粒均匀分散于金属基体中,可以一定程度上提高材料的强度和耐磨性,但不能最大限度的发挥各组分的协同作用。将MMCs分为在空间均匀分布的增强颗粒富集区(复合区)和纯基体连续区,进行空间结构韧化,是提高复合材料磨损性能的新途径。本文通过挤压铸造方法制备空间结构氧化锆增韧氧化铝(Zirconia-toughened alumina简称ZTA)陶瓷颗粒增强40Cr钢基复合材料,并研究复合区空间结构体积分数35%、50%、65%;基体材料组织为回火马氏体(627.3HV)、回火屈氏体(326.5HV)、珠光体+铁素体(235.7HV);陶瓷与基体界面结合性能(加入活化元素Ti的量为0%、10%、20%)等因素对空间结构韧化ZTA/钢基复合材料三体磨料磨损性能的影响。采用SEM、EDS、XRD等检测方法对空间结构韧化ZTA陶瓷/钢基复合材料中组成相的结构特征、元素分布情况、磨损表面和亚表层形貌和组织特征等进行深入表征,并通过建立磨损模型对复合材料的磨损机理进行了分析和讨论。主要研究内容和结论如下:研究了复合材料复合区体积分数对其三体磨料磨损性能的影响。在空间结构复合材料中,复合区体积分数为50%的复合材料的三体磨料磨损性能与体积分数35%、65%的复合材料相比,分别提高了5.2%、24.4%;而具有空间结构韧化的ZTA陶瓷/钢基复合材料的耐磨性能与传统陶瓷颗粒增强钢基复合材料相比提高了34.4%。建立了复合材料磨损数学模型。经磨损模型验证,在空间结构复合材料中,柱状复合区直径为4.0-4.5mm,即体积分数为50%的复合材料具有最佳的三体磨料磨损性能。研究了复合材料不同基体组织对其三体磨料磨损性能的影响。基体组织为回火马氏体的空间结构复合材料与回火屈氏体、铁素体+珠光体组织相比,复合材料的三体磨料磨损性能分别提高了2.1%、18.2%。这是因为回火马氏体的硬度较高,降低了复合材料基体在磨损过程中的损失。退火后的铁素体+珠光体组织硬度较低,基体磨损较为严重。研究了界面活化元素对复合材料三体磨料磨损性能的影响。添加界面活化元素Ti的复合材料与无活化元素的复合材料相比,三体磨料磨损性能提高了12.8%。但Ti含量20%复合材料与Ti含量10%复合材料相比,三体磨料磨损性能降低了10.7%。这是因Ti在提高陶瓷与基体界面结合强度的同时,也会促进基体中铁素体的形成,造成基体硬度下降,降低复合材料的磨损性能。因此Ti添加量要有一定限制。

关键词：空间结构韧化复合材料三体磨料磨损 ZTA陶瓷磨损模型

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考虑赫兹接触特性的机床进给系统导轨副磨损建模及仿真

考虑赫兹接触特性的机床进给系统导轨副磨损建模及仿真

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作者：刘伟天津大学

学位级别：硕士

数控机床直线进给系统存在导轨副直线度误差、以及导轨副之间的形位误差,当工作台运动时,会引起进给系统导轨滚道与滚动体之间的赫兹接触力和应力发生变化,进而发生导轨副运动磨损、进给系统运动精度衰退现象,影响数控机床整机加工精度... 详细信息

数控机床直线进给系统存在导轨副直线度误差、以及导轨副之间的形位误差,当工作台运动时,会引起进给系统导轨滚道与滚动体之间的赫兹接触力和应力发生变化,进而发生导轨副运动磨损、进给系统运动精度衰退现象,影响数控机床整机加工精度和精度保持性。本文着重研究考虑导轨安装基面误差形态的数控机床直线进给系统过约束静力学理论建模和有限元建模方法,探讨导轨安装基面位形误差影响导轨副运动磨损和工作台位姿误差的变化规律,为提高数控机床进给系统精度保持性提供基础理论指导,具体研究内容如下: 基于静力平衡和最小势能原理,建立了考虑导轨滚道面直线度误差和非线性赫兹接触特性的进给系统弹性耦合静力学模型、以及导轨安装基面误差模型。在此基础上,基于Archard磨损理论,构建了直线进给系统运动导轨副磨损模型,通过理论仿真分析,研究了不同导轨安装基面拱形位形误差对导轨副运动磨损和工作台位姿误差变化规律的影响。得出了精度变化速率随着导轨副滚道面直线度误差的逐渐增大而增大、精度变化速率随跑合时间增加而逐渐趋近于零的重要结论。基于弹簧单元法,建立了以导轨副滚道面直线度误差为位移边界条件的进给系统有限元静力学仿真模型。采用Python脚本对Abaqus前、后处理模块进行了二次开发,实现了批量自动修改载荷文件、自动提交载荷文件、自动访问ODB结果数据库等功能,以及工作台跑合过程中其上表面中心位置五维位姿误差随跑合时间变化量的求解。通过仿真分析,研究了滑块裙摆结构静刚度和预紧力、工作台结构静刚度对工作台位姿误差的影响规律,同时验证了理论模型的正确性。搭建了进给系统精度保持性综合试验平台,采用导轨副滚道面拱形直线度误差和恒定重力载荷加载方式,进行了进给系统运动精度衰退跑合试验。在试验过程中,通过分阶段检测工作台上表面中心位置五维位姿误差、滑块裙摆弹性应变、以及直线轴驱动系统电流等物理参数的变化,分析了进给系统工作台位姿误差的变化规律,验证了理论模型及有限元仿真模型的正确性。

关键词：机床进给系统赫兹接触理论有限元二次开发精度保持性磨损模型弹簧单元法

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