烧结钕铁硼材料压痕断裂力学机理研究

利用单金刚石磨粒磨削模型,根据高等弹塑性力学中的空间问题,把磨削加工的过程分为法向分力和切向分力,建立钕铁硼材料单金刚石的磨粒磨削的理论模型,等效成单金刚石磨粒的压痕试验,观察到其压痕均为巴氏裂纹,论证了钕铁硼材料磨削加工材料去除机理,对材料受载后其形貌变化和裂纹的形成及扩展过程进行了详细阐述,为钕铁硼材料磨削参数和加工方式的选择提供理论依据.     

工程陶瓷高效深磨磨削力和损伤的研究

采用树脂结合剂金刚石砂轮,对氧化铝和氧化锆等2种工程陶瓷进行高效深磨磨削加工.测量了磨削力,并对磨削表面形貌和亚表面损伤进行了观测.揭示了这2种工程陶瓷的高效深磨材料去除机理,氧化铝陶瓷主要为脆性去除,而氧化锆则是局部的横向裂纹和塑性去除.提出了磨粒的平均磨削力公式,讨论了磨粒的平均法向磨削力对陶瓷材料去除机理和磨削损伤的影响.     

ZrO2和SiC陶瓷的表面磨削温度

采用金刚石磨粒砂轮对结构陶瓷材料进行磨削加工过程中产生的磨削热是影响被磨工件表面质量的重要因素,陶瓷材料在机械物理性能上的差异,以及磨削参数的选择,均对工件表面的表面磨削温度产生重要影响,本文对SiC和ZrO2陶瓷材料的表面磨削温度进行了测量,通过实验得到了这两种材料表面磨削温度随磨削参数的变化规律,并对影响磨削温度的因素进行了分析,。     

工程陶瓷磨屑形成机理及磨削模型

从单颗金刚石磨料磨削工程陶瓷材料的试验入手,用扫描电镜观察陶瓷磨痕形貌,对陶瓷磨屑形成过程的表面裂纹、塑性变形及重结晶机制进行分析。提出工程陶瓷的磨削模型可划分为3个变形区:脆性崩碎区,非弹性变形区和残留破坏区。磨削过程为3个阶段:弹性变形及有限非弹性变形阶段、裂纹生长及扩展阶段和切屑形成阶段。     

基于光学玻璃磨削的磨粒冲击裂纹系统研究

光学玻璃磨削过程中磨粒对光学玻璃的冲击作用直接关系到亚表面裂纹的形态和深度.因此光学玻璃磨削磨粒动态冲击作用的研究是光学制造领域重要基础性课题.根据应力张量理论和最大拉应力准则研究了柱面应力波最大拉应力的主方向,得到了磨粒冲击硬脆光学材料亚表面裂纹开裂的方向和裂纹系统的形态.通过光学玻璃单颗粒磨削实验,试件截面抛光、扫描电镜(SEM)检测亚表面裂纹系统的形态,实验结果显示,亚表面裂纹开裂的方向和裂纹系统的形态与理论研究的结果一致.光学玻璃单颗粒磨削磨粒动态冲击实验结果表明,光学玻璃磨削亚表面裂纹是磨粒动态冲击裂纹,磨粒动态冲击裂纹系统由径向裂纹和环向裂纹构成,光学玻璃材料磨削过程中磨粒的冲击作用是亚表面裂纹生成的重要影响因素.     

单颗磨粒划擦陶瓷声发射信号 与材料去除体积关系研究

针对硬脆难磨削的氧化锆和氧化铝两种工程陶瓷,研究其磨削表面创建的声发射监测,研究单颗金刚石磨粒划擦陶瓷材料的去除体积与其对应的声发射信号之间的关联.试验结果表明:随着单颗磨粒划擦陶瓷去除体积的增大,其声发射信号在低频段的信号能量占比增大;声发射信号的均方根值、最大幅值和标准差等特征值增大,且这两种陶瓷材料单颗磨粒划擦声发射信号特征值的增大趋势不同;但这些声发射信号的特征值大小都与其对应的陶瓷材料去除体积有关.同时单颗磨粒划擦陶瓷的声发射信号的时间序列自回归AR(2)模型可以表示其对应的声发射信号.时间序列自回归AR(2)模型特征参数的绝对值都随划擦陶瓷去除体积增大而增大,且增大趋势与其声发射信号特征值的增大趋势相似.为工程陶瓷磨削表面创建的声发射在线监测打下了基础.     

钎焊金刚石磨粒焊接强度

利用高频感应钎焊技术制备单层金刚石静强度实验样块和磨削砂轮,比较了单颗金刚石磨粒在磨削过程中所承受的平均法向和切向载荷分别与其钎焊后的静压强度和静剪切强度大小,结合对磨削过程中磨粒的磨损形态的观察,揭示钎焊金刚石砂轮在磨削过程中金刚石磨粒的磨损机理. 实验结果表明:一般磨削过程中金刚石磨粒所承受的载荷远小于其静强度;钎焊后磨粒的静强度主要受钎焊时的真空度和钎焊加热时间的影响,真空度越高,静强度越大,钎焊时间越长,静压强度损失越大,而静剪切强度却存在一个最佳的钎焊时间;利用高频感应加热方式制备金刚石工具的磨粒焊接强度,完全能满足一般磨削加工要求,在磨削过程中磨粒以微破碎为主,很少有脱落和整颗折断现象.     

石英纤维复合材料的磨削加工性能研究

为了探究石英纤维复合材料在磨削过程中的损伤演变规律及磨削性能,本文将2.5维石英纤维机织复合材料作为研究对象,对材料各个组分分别建模构成细观几何模型.通过使用SolidWorks中二次开发中Rnd函数生成多个随机平面将磨粒切割成多面体,利用ABAQUS有限元分析软件首先对复合材料细观模型进行三维单磨粒磨削仿真,再分别从不同纤维方向进行基于三相微观结构的二维磨削仿真,分析了不同的纤维方向对加工表面质量的影响.通过进行磨削实验观察材料表面形貌,利用声发射技术对材料损伤实时监测并与仿真对比,结果表明复合材料断裂起始主要是由基体最大主应力和界面强度主导的,产生的裂纹沿着界面扩展,纤维束于不同磨削方向加工时由于受到磨粒剪切、弯曲、挤压及耕犁等不同的综合作用,断头呈不同的状态,纤维受剪切作用的加工表面质量比纤维受拉压发生断裂后的表面质量较好.     

几种工程陶瓷的延性域磨削

在几种磨削条件下,采用不同粒度金刚石石砂轮对工程陶瓷材料进行了延性域磨削,着重研究了磨粒尺寸和各磨削参数对陶瓷材料磨削过程中脆性／延性转换的和各磨削转换的影响,并用微粉金刚石砂轮（Ｗ２．５）进行ＺｒＯ２、Ｓｉａｌｏｎ和Ｓｉ３Ｎ４陶瓷的超精密磨削,获得表面粗糙度Ｒａ３,４,８ｎｍ的超光滑镜面最后采用ＳＴＭ对上述精密镜面的形貌和细节进行了观测,为解释延性域磨削的表面形成机理提出了依据。     

正前角金刚石磨粒磨削钛合金仿真与试验研究

为研究正前角金刚石磨粒磨削加工的机理,论证正前角磨削的可行性,采用有限元仿真软件ABAQUS建立单颗金刚石磨粒磨削Ti6Al4V钛合金过程的模型,对比研究不同工艺条件下具有正、负前角的单颗金刚石磨粒磨削过程中磨削力的变化规律.在此基础上,分别针对飞秒激光加工的正前角金刚石磨粒和原始的负前角金刚石磨粒开展钛合金磨削试验,采用测力仪测量磨削力,并将测得的磨削力与仿真结果进行对比;观测磨削加工表面形貌,测量表面粗糙度,将正、负前角磨削时的磨削力、磨削加工表面形貌和表面粗糙度进行对比.结果表明,在单颗金刚石磨粒磨削中,磨削力随着磨削速度的增大而减小,随着磨削深度的增加而增大,随着磨粒前角由负到正而逐渐减小,仿真得到的磨削力与试验结果的变化趋势基本吻合.相比于传统的负前角磨削,正前角金刚石磨粒具备良好的耐磨性,磨削表面磨痕较浅、加工缺陷少,表面粗糙度值降低58％～66％,可有效提高磨削加工表面质量.     

钢-混凝土组合沉管结构抗剪机理

以深圳至中山跨海通道沉管隧道设计方案为研究背景,建立沉管节段的精细化非线性有限元模型,进行四点反弯矩剪切试验仿真模拟.结果表明,在隧道横向,横隔钢板和混凝土分别承担斜向拉力和斜向压力,两者形成主要的受力体系;在隧道纵向,混凝土内未发现明显的横向应力分布变化;角钢连接件主要承担格室面板与混凝土间的剪力传递,拉拔作用不明显;在结构弹性状态下,各连接件抗剪刚度相近、剪力分布均匀;连接件附近混凝土开裂后逐步退出工作,但并不影响结构继续承载;剪切破坏过程表现为结构依次发生混凝土弯剪开裂、连接件处混凝土开裂、横隔钢板屈服,最终因混凝土剪切斜裂缝贯通达到结构极限承载力.     

基于有限元的非共线边裂纹相互影响研究

薄壁结构是飞机中常用的工程结构。薄板中裂纹将直接影响结构的剩余强度。当薄板结构含有多个裂纹时,其强度分析过程复杂。利用有限元分析方法对含有两等长非共线边裂纹的有限宽板进行了系统分析。通过与共线边裂纹情况对比,提出了合适的应力强度因子K_Ⅰ的修正系数F_1。同时,分析了裂纹相对位置对应力强度因子K_Ⅱ的影响,当两裂纹相对方位角为18.8°时,K_Ⅱ取最大值,而该最大值的大小仅仅与板宽w与裂纹长度a的比值w/a有关。结果为估算含有该类裂纹结构的剩余强度及裂纹扩展行为提供方便快捷的方法。     

水力压裂中多裂缝间相互干扰力学分析

将复变函数理论与位错理论相结合 ,在考虑了裂缝表面有流体压力作用且裂缝间存在相互干扰的情况下 ,建立了无限大介质中裂尖应力强度因子的数学模型 ,利用该模型可对水力压裂中多裂缝间的相互干扰进行力学分析。假设裂缝沿着垂直于局部最大周向拉应力方向扩展 ,应用数值方法对所建立的数学模型求解 ,得到裂尖的应力强度因子及转角。数值计算结果表明 ,裂缝间存在相互干扰时所产生的剪切应力强度因子远远小于法向应力强度因子。当两个裂缝尖端垂向距离为零时 ,法向应力强度因子达到最大值。两个裂缝尖端没交叠之前裂缝基本沿着轴线扩展 ;当尖端交叠面积较小时 ,两裂尖偏离自己的轴线向避开对方的方向扩展 ;当尖端交叠面积较大时 ,两裂缝向靠拢对方的方向扩展 ,最终将贯通在一起     

强震作用下运营隧道裂损衬砌动力响应分析

运营隧道由于地质因素、施工因素与地下水因素造成衬砌结构带裂缝工作。在地震力作用下,带裂缝的衬砌的安全性难以保证。基于隧道衬砌结构裂损的不同位置和裂缝不同深度的考虑,建立了三维数值有限元模型,采用时程分析的方法研究了衬砌的动力响应。研究表明:①在地震力作用下,隧道衬砌受往复拉压作用;在剪切波作用下,最大弯矩、轴力发生在隧道横截面"X"位置;②带裂缝衬砌在地震力作用下,纵向裂缝处混凝土应力集中,主筋拉应力增大,其他位置内力与完好衬砌响应相同;③随着裂缝的位置不同,对隧道安全性的影响不同,影响顺序由大到小依次为225°、315°、270°;④衬砌初始裂缝深度越深,在地震作用下应力集中情况越严重。     

缝洞型碳酸盐岩近井筒裂缝转向模拟研究

缝洞型碳酸盐岩油气储层在非主应力方向上存在许多储集体,水力压裂开采技术产生的压裂缝传统的扩展模式为对称双翼扩展线性裂缝,此方式很难沟通大量存在于非最大主应力方向上的储集体。定向射孔并控制水力裂缝扩展路径是解决此问题的关键。本文通过定向射孔压裂起裂模型判断水力裂缝起裂,最大周向应力准则作为判断裂缝转向扩展的依据,结合顺北某油气田实测参数,利用Abaqus扩展有限元法对射孔方位角、水平地应力差、射孔深度、压裂液排量等影响水力裂缝近井筒转向扩展的因素进行数值模拟。结果表明：射孔方位角、水平地应力差是水力裂缝转向扩展的主要控制因素;射孔深度的影响受水平地应力差的控制;压裂液排量的大小对于水力裂缝转向扩展几乎没有影响。     

钢箱梁横隔板-U肋疲劳裂纹钢板加固参数分析

针对疲劳裂纹建立局部有限元模型,分析钢板加固机理,通过提取连接焊缝焊趾应力评价受损构件钢板加固效果,针对胶层应力分析钢板加固胶层破坏模式,提取裂纹尖端应力强度因子用于研究钢板加固效果。通过设置多种工况,研究加固件面积、形状、厚度等参数对于加固效果的影响。研究表明：针对横隔板弧形缺口-U肋焊缝细节,钢板加固可改善应力水平。钢板可直接贴合加固裂纹,加固作用体现为代替受损截面参与构件协同受力。钢板加固范围对于加固效果影响较大,沿连接焊缝方向延长加固件,可提升加固效果,短裂纹加固时适当增加板厚,设置十字形加劲肋加固效果劣于等效增加板厚。     

一维正方准晶的共线周期性裂纹问题的应力分析

通过构造势函数,利用半逆解法研究了一维正方准晶平行于准周期方向的共线周期性裂纹问题,给出了该问题的应力和应力强度因子的解析解.当裂纹间距趋于无穷时,共线周期性裂纹退化为Griffith裂纹,得到一维正方准晶平行于准周期方向裂纹问题的结果.     

玛湖致密砾岩裂缝干扰规律

玛湖致密砾岩油藏是目前重要的陆上原油上产的主要组成部分,系统的油藏工程评价显示,其裂缝的扩展规律与页岩为代表的非常规储层具有典型的差异,“绕砾成缝”是其重要的控制机理,裂缝的干扰特征也有显著的差异。本研究基于考虑“基质本构、固液耦合、任意方向破裂表征”的离散元计算模型,研究了砾岩油藏裂缝扩展过程中的干扰规律。研究表明,应力差较小情况下,裂缝受到砾石吸引作用大于应力差作用,加之裂缝间的相互作用,使得裂缝逐渐向两侧发育,裂缝受到砾石阻碍作用,导致相互贯通,裂缝向两侧发育消耗能量,导致裂缝较短,在应力差较大的情况下,应力差作用大于裂缝受到砾石吸引作用,裂缝沿着最大主应力方向发育,裂缝集中发育,主裂缝较长。应力和砾石共同作用下的裂缝和干扰机理的研究为后期不同应力差条件下的合理改造和开发对策提供重要的支撑。     

基于相互作用积分方法的裂纹扩展分析

使用传统有限元方法对裂纹扩展问题进行分析时,裂尖奇异性是首先必须要面对的问题,其次裂纹扩展的方向、长度与模型的网格密切相关.本文通过建立一个不完全依赖于网格的模型来分析裂纹扩展问题,利用相互作用积分方法来求解裂尖参数,积分方法可以一定程度上消除奇异性影响,从而避免了裂纹尖端的奇异性对网格划分的苛刻要求.采用相互作用积分法则求解裂纹尖端的应力强度因子,由最大周向拉应力理论来判断裂纹的扩展方向.模拟裂纹扩展的过程中,只对涉及扩展区域的网格进行重新剖分来获得最终的扩展路径以保证计算的精度.最后通过I型裂纹扩展、带孔板裂纹扩展及受压裂纹扩展等几个典型算例与参考文献进行对比,证实了本文方法具有良好的可靠性,并展示了在多种破坏模式下方法的适用性.     

砂轮约束磨粒喷射精密光整加工表面形貌的创成机理

针对磨削加工存在表面缺陷层,重要零件需要在磨削后进行以去除表面缺陷层、降低粗糙度和波纹度等光整加工的实际,提出了砂轮约束磨粒喷射光整加工新工艺,将磨削与磨粒喷射精密光整加工一体化·阐述了表面光整加工的主要方法,研究了砂轮约束磨粒喷射精密光整加工材料去除机理和微观表面形貌的创成机理,在楔形区游离磨粒获得能量对工件进行抛磨、滑擦、微耕犁和微切削是材料去除机理的核心因素,磨料流体侧向挤出是均化和降低表面波纹度的主要因素·试验表明,该方法能明显去除磨削加工过度塑性变形、降低表面粗糙度和均化波纹度,对丰富精密光整加工工艺和理论具有重要意义,并对工业生产有实用价值·