激光薄膜层裂技术的理论建模及相关诊断技术

以定量检测Al2O3薄膜／steel体系薄膜界面动态结合强度为目的,应用改进激光层裂装置,利用高功率脉冲激光冲击薄膜表面能量吸收层产生向基体内部传播的高幅应力波。在自由表面应用激光探针对心记录到达该面的应力波引起的振动位移。通过应力波分析、数据处理和数值模拟,建立了应力波传播与衰减模型。经过应力波相关技术表征,建立了关于界面损伤发展的3个阶段;初始脱粘、裂纹扩展、薄膜剥离的新的层裂判别准则。同时,根据应力波的到达时间和衰减方式,提出估计层裂面尺寸的计算方法。     

球头弹丸低速冲击下薄板大变形的理论计算

为研究球头弹丸低速冲击下薄板塑性大变形的现象,结合弹道冲击试验,对球头弹丸低速冲击下薄板的变形模式进行了分析.在此基础上,根据球头弹丸低速冲击下薄板的变形特点,基于刚塑性假定,采用动力学方法结合应力波传播理论提出了确定靶板隆起变形区大小的计算方法,通过将球头弹丸低速冲击薄板的过程分为隆起变形和碟形变形2个阶段,利用能量守恒原理建立了球头弹丸低速冲击下薄板塑性大变形的理论计算模型,并与本文及相关文献试验结果进行了比较.结果表明:理论计算得到的隆起变形区大小以及靶板最大变形挠度均与试验结果符合较好,工程上可利用所建立的理论计算模型对球头弹丸低速冲击下薄板的塑性大变形进行合理的预测.     

激光薄膜层裂技术的理论建模及相关诊析技术

以定量检测Al2 O3薄膜 /steel体系薄膜界面动态结合强度为目的 ,应用改进激光层裂装置 ,利用高功率脉冲激光冲击薄膜表面能量吸收层产生向基体内部传播的高幅应力波 在自由表面应用激光探针对心记录到达该面的应力波引起的振动位移 通过应力波分析、数据处理和数值模拟 ,建立了应力波传播与衰减模型 经过应力波相关技术表征 ,建立了关于界面损伤发展的 3个阶段 :初始脱粘、裂纹扩展、薄膜剥离的新的层裂判别准则 同时 ,根据应力波的到达时间和衰减方式 ,提出估计层裂面尺寸的计算方法     

弹丸发射内弹道方程嵌入LS-DYNA数值模拟研究

为更好地分析弹丸发射内弹道过程,通过对LS-DYNA进行二次开发,将弹丸发射经典内弹道模型及火药气体状态方程引入有限元计算,并采用Lagrange方法对某弹丸发射内弹道全过程进行了数值仿真,成功模拟了火炮发射时火药燃烧推进弹丸运动的力学过程. 仿真结果表明：数值模拟获得的弹丸速度、弹后气体压力、弹丸过载曲线与经典内弹道计算结果一致性很好,同时数值模拟解决了经典内弹道无法获得弹丸具体受力情况和动态下的强度等问题.     

复合材料结构侧向高速弹丸冲击研究

通过高速弹丸冲击试验研究复合材料层压板侧向冲击的损伤,利用有限元方法建立碳纤维增强树环氧基复合材料的三维冲击失效模型,研究计算高速弹丸侧向冲击载荷下复合材料的失效过程.对比模拟结果与试验结果,发现两者吻合较好.研究发现侧向冲击损伤区域呈半圆状并且上下对称,侧向冲击损伤区域远大于面内冲击损伤区域,损伤模式主要表现为基体的开裂和基体的分层.研究采用的三维Hashin损伤判据与界面单元联合仿真的方法可得到与试验吻合的计算结果.     

某埋头式弹丸动态冲击挤进特性的研究

为研究埋头式弹丸动态冲击挤进过程中弹带在坡膛处产生的高应变率塑性变形及断裂失效问题,考虑到埋头式弹药二次点火和火药程序燃烧的特殊性,将试验测得的弹底压力及弹丸一次上膛速度作为数值仿真模型的初始边界条件,建立了基于身管及埋头式弹丸结构特性、材料大变形和损伤效应等因素的三维有限元模型. 基于LS-DYNA软件,采用显式数值计算方法,对埋头式榴弹动态冲击挤进过程进行了研究,获得了弹丸冲击挤进阻力的变化规律,并分析了弹带表面刻槽的成形过程及应力应变特征. 结果表明:当埋头式榴弹的紫铜弹带冲击挤入坡膛时,经历了从弹性变形到塑性变形,并最终断裂失效的过程. 当弹带完全挤入身管全深膛线,整个动态冲击挤进过程结束,弹带表面形成了较深的刻槽,并与身管膛线紧密贴合,其间冲击挤进阻力呈现出强烈的非线性变化.      

钢纤维高强混凝土抗冲击性能的数值仿真

采用显式动力有限元软件LS-DYNA,对钢纤维高强混凝土的霍普金森压杆冲击试验过程进行了数值仿真,混凝土和霍普金森压杆的本构关系分别采用弹塑性流体动力模型和虎克定律描述,钢纤维的增强与增韧作用则通过钢纤维高强混凝土强度与失效应变来体现.结果表明:试件内部应力趋近于均匀之前,经历了初始状态的应力震荡;试件的破坏稍微滞后于应力峰值;相同的冲击速度下,钢纤维高强混凝土试件各个时刻的破坏程度轻于未掺钢纤维的基体混凝土试件,当基体混凝土试件裂成多块时,钢纤维高强混凝土试件还基本保持整体.数值仿真结果与试验结果有较好的相似性,基本能够反映出试件受力与破坏的特征.     

不同材料涂层/基体界面应力的有限元评价

涂层／基体结合强度是衡量喷涂质量的关键指标。利用有限元方法对涂层／基体剪切结合强度的测定方法进行了力学分析，着重讨论了涂层／基体交界面上的应力分布，然后，在此基础上，针对3种不同涂层材料（Al2O3、Al、Cr3C2/Ni-Cr），对涂层－基体交界面进行了应力分析，比较了不同的涂层材料性能对涂层／基体剪切结合强度的影响，给实际喷涂工艺有一定的指导意义。     

基于光弹实验与有限元法的涂层/基体接触应力分析

表面涂层处理常用于保护机械零件表面、减少磨损和提高使用寿命,涂层上的应力分布对零件表面破坏有着重要的影响.文中以聚碳酸酯/环氧树脂为涂层/基体材料,采用光弹实验对受载的涂层/基体进行光弹条纹采集,根据实验条件利用Abaqus软件建立涂层/基体的有限元模型,分析不同涂层厚度和载荷下的应力分布情况.实验和数值分析结果表明:在接触应力场中,最大剪切应力出现在材料的次表层而非表层,随着加载量的增大,最大应力值逐渐向基体扩展;不同涂层厚度下,应力场在结合界面处出现较大的突变,主要是由涂层与基体的材料物理性能不一致导致;光弹实验和有限元法得到的应力分布基本上是一致的.     

薄膜充气梁有限元分析方法与结构特性研究

文章采用3种数值计算模型对薄膜充气梁进行分析研究.首先基于铁木辛柯梁线弹性分析理论,考虑充气压力效应,推导薄膜充气梁非对称单元刚度矩阵,采用稀疏矩阵存储,应用共轭梯度法求解有限元平衡方程,并用VC编程实现;然后提出了分别采用壳单元和预应力薄膜单元的非线性有限元分析模型,并给出了基于ANSYS的数值分析过程与方法;通过对...     

涂层材料特性对滚动轴承接触性能的影响

使用半解析法求解涂层材料的接触问题. 对于接触压力的求解采用共轭梯度法;而表面弹性变形以及次表层应力,通过解析法得到影响系数,并采用离散卷积-快速傅里叶变换加速求解. 结果表明,薄涂层对表面压力的改变很小,主要由基体承受载荷,对于滚子轴承而言,涂层不能消除边缘压力集中;最大Von-Mises应力的大小和位置与涂层材料、涂层厚度以及摩擦因数有关;与软涂层相比,硬涂层具有较大的界面剪切应力,涂层剥落、黏着失效更易发生,随着涂层厚度的增加,最大界面剪切应力先增加后减小.      

基于无网格方法的涂层接触问题研究

建立了含有表面织构的涂层的接触力学模型,将无网格理论与求解接触问题的线性规划方法相结合对模型进行了数值求解. 研究了涂层的材料、厚度及表面织构对接触压力和涂层-基体系统应力状态的影响. 结果表明:随着涂层与基体弹性模量比(E_c/E_s)增大,沿对称轴在涂层和基体界面处的应力梯度逐渐增大. 随着涂层厚度的增加,界面处应力梯度先增大后减小. 弹性模量比和涂层厚度对界面处的剪应力和Mises应力也有很大的影响. 减小表面织构间的间距能够降低涂层和基体内的最大Mises应力.      

等离子喷涂薄壁零件涂层中的残余应力

以等离子喷涂零件为研究对象,提出了薄壁零件与厚壁零件的概念,并建立了一种基于叠加原理的残余应力计算模型.计算结果表明:在涂层中既可能产生拉应力,也可能产生压应力;喷涂零件残余应力极限值位于基体与涂层的结合区域;增层模型和应力叠加方法可有效估算残余应力的松弛;估算值与测量值吻合得较好;热膨胀系数、基体预热温度、涂层厚度对残余应力的影响较大.研究结果对等离子喷涂涂层的设计具有一定的参考价值.     

等离子熔射成形熔滴薄片沉积的模拟研究

采用等离子熔射成形技术制造的模具和零件,其涂层的性能受残余热应力的影响极大。为此建立了一个二维有限元模型,用于研究单个不锈钢熔滴薄片在碳钢基体上沉积时的温度场及残余热应力。结果显示,尽管在初始的凝固阶段薄片边缘的温度高于薄片中心的温度,但随后这两个位置的温度差却发生逆转。最大残余应力位于薄片与基体界面的边缘,且其大小随基体温度升高而减小,最小残余热应力则位于薄片上表面的边缘。残余热应力在薄片中表现为拉应力,而在基体中则表现为压应力。本研究可为在微观水平上理解等离子熔射成形的温度场和残余热应力分布提供基础。     

电子封装件受热载荷作用有限元数值模拟分析

针对典型塑料方形扁平封装体PQFP在工作过程中的受热分析问题,基于热弹性力学理论建立了二维和三维有限元数值模拟分析模型.研究了封装体在功率耗散情况下受均匀和非均匀热载作用时其材料的热膨胀和导热性质.有限元数值模拟取得了与实验一致的结果.数值结果表明,采用较小弹性模量和热膨胀率的材料可以有效地减小热应力,基板和芯片的厚度是影响封装体变形的主要参数.数值分析结果为提高封装件的可靠性和优化设计提供了理论依据.     

基体材料高温强度对枪管寿命的影响研究

根据界面剪切失效理论和疲劳损伤累积理论,建立了基于枪管镀层—基体界面剪切疲劳损伤累积的枪管寿命预测模型.以某小口径步枪枪管为研究对象,计算了一个冷却周期射击过程中的枪管界面剪切应力,预测了3种不同基体材料枪管的寿命,研究了基体材料高温强度对枪管寿命的影响.研究结果表明,基体材料高温强度是影响枪管寿命的至关重要因素.温度升高引起的界面抗拉强度下降,是导致镀层产生界面破坏以及枪管寿终的重要诱因.增加材料常温强度对提高枪管寿命意义不大,而增加高温强度则可以显著提升枪管寿命.寿命试验结果验证了本文所建寿命预测模型的可用性及预测结果的正确性.      

细晶压电涂层/基底界面裂纹热流强度因子分析

研究了在热载荷作用下的细晶粒压电涂层/基底界面裂纹的力学行为,利用积分变换方法把热力学问题转变成了求解奇异积分方程,得出了问题的温度场及热流强度因子.最后,通过数值算例给出了热流强度因子同裂纹尺寸和涂层厚度之间的关系.结果表明:在热载荷的作用下涂层厚度较小时容易造成裂纹的扩展,可以通过增加涂层厚度来增强结构的安全性.     

后续热处理对激光熔铸层残余应力的影响

本文在镍基合金ＤＺ４上激光熔铸钴基合金层，研究了后续热处理温度对熔铸层残余应力、显微硬度和金相组织的影响。结果表明，在低温退火处理时，可部分地消除熔铸层中的残余应力，而熔铸层组织和显微硬度并无明显变化；在高温退火处理时，熔铸层大部分应力得以消除，但熔铸层显微硬度下降，同时，熔铸层枝晶组织开始碎化。     

防腐涂料导热率对片式散热器散热能力影响的数值计算

利用Fluent仿真软件研究片式散热器防腐涂层的导热率对片式散热器散热能力的影响。研究结果表明:在其他结构、参数相同的情况下,较小的防腐涂层导热率使得散热器的散热性能显著下降。提高防腐涂层的导热率可以实现在减小风机功率或减少散热片个数的同时保证散热效果,有利于实现变压器的节能和小型化设计。利用数值模拟软件对片式散热器内部的温度场分布进行了研究,研究结果可为变压器片式散热器的优化设计提供参考。     

金属陶瓷倾斜涂层的热障作用

研究了在大气下用氧—乙炔火焰法实现的Al_2O_3基金属陶瓷倾斜涂层的附着性及其热障作用。结果表明,Cu、Ni/Al金属的加入及梯度成分设计,改善了涂层与基体之间的物理相容性和化学相容性,使热应力、界面应力弛豫,附着性明显提高。同时,该梯度涂层具有良好的抗热震、抗热冲蚀及抗高温铁水烧蚀等性能,热障作用显著。