激光冲击强化机理研究

研究表明,高功率密度激光作用于材料表面时,表层材料吸收激光能量产生等离子体,它喷射爆炸时形成强烈冲击波。当材料表面覆以约束介质和吸收涂层时可大大增强冲击波强度,从而有一个强大的冲击动量作用材料表面,当冲击强度超过材料的动态屈服强度时,就在材料上造成一个塑性变形层,塑性层中存在着表面残余应力和高密度位错,这些因素的综合作用延长了材料的抗疲劳寿命。     

激光层裂法定量测定薄膜界面结合强度

提出定量测定薄膜界面结合强度的激光层裂技术. 分析了激光诱发薄膜层裂的物理过程，在基于薄膜内部应力波多重反射、透射基础上，建立薄膜层裂数学模型，推导出薄膜层裂条件下的界面结合强度和相应层裂应变率的计算公式. 对Cr不锈钢/TiN, Al/EPOXY, 纯Fe/EPOXY三个体系的界面结合强度进行了测定.提出直观判别薄膜层裂的波形分析法，直接确定层裂时刻、层裂深度、层裂强度.实现了单次激光冲击，一次确定薄膜界面拉伸强度.     

颗粒强化氧化铝基复合陶瓷断裂特性的预测

计算了颗粒强化的氧化铝／碳化硅和氧化铝/莫来石复合陶瓷的残余微应力．结果表明,这两种复合陶瓷基体中的微应力与颗粒含量成线性关系．分析了应力状态对裂纹扩展和晶界强化的影响．从微应力作用的角度计算了氧化铝／碳化硅和氧化铝／莫来石复合陶瓷基体晶界与晶粒韧性比,并进一步得到断口的穿晶断裂百分比,从而建立了这两种复合陶瓷微观结构及成分、基体微应力、穿晶断裂百分比三者的对应关系．这样根据颗粒强化复合陶瓷的微观结构、第二相含量及分布可以预测复合陶瓷的断裂特性．     

基于深度强化学习的机械装备剩余使用寿命预测方法

随着机械装备发展的日益大型化和复杂化,其使用安全性和可靠性也越来越受到重视.剩余使用寿命(remaining useful life, RUL)预测技术,通过分析设备的运行数据,预测设备还能正常运行的时间,利用该技术可有效提升设备运行的安全性和可靠性,同时可为设备的后续维修决策提供关键依据.本文提出一种基于深度强化学习(deep reinforcement learning, DRL)的RUL预测方法,首先通过自编码器(autoencoder, AE)对机械装备的原始信号进行特征提取,利用提取到的特征构成强化学习的状态变量,通过设置合适的动作空间和奖励函数训练强化学习模型,使其能依据样本间的时序相关性对装备的RUL进行准确预测.与其他方法相比,强化学习方法的时序交互决策逻辑可以自然地保留样本间的时序依赖关系,降低了RUL预测的波动性.最后利用涡轮发动机数据集CMPASS对提出的方法进行实验验证,所提出的方法在RMSE和Score两项指标上均优于目前多种RUL预测方法,且所提出方法对于接近退化末期的装备预测效果有明显提升.     

激光冲击复合强化机理及在航空发动机部件上的应用研究

针对激光冲击强化在航空发动机高温部件、薄叶片和叶片榫槽/榫齿等复杂部件(位)应用的问题,系统开展了激光冲击表面纳米化方面的研究.本文在总结多种航空发动机金属材料激光冲击表面纳米化表征、原理、热稳定性研究的基础上,提出了基于表面纳米化和残余压应力的激光冲击复合强化机理,进而提高了激光冲击强化在高温部件上使用温度,并介绍了薄壁结构、榫槽/榫齿等特殊部件(位)激光冲击强化工程应用的情况.激光冲击表面纳米化及其复合强化机理的研究工作,拓宽了激光冲击强化的研究领域和应用范围.     

H2/O2/Ar可燃气体激光诱导火花点火的实验研究

对H₂/O₂/Ar可燃气体激光诱导火花点火进行了实验研究. 采用Nd:YAG激光器产生的 532 nm激光聚焦击穿气体点火, 并采用激光高速纹影系统对不同初压、激光点火能量、氩稀释度可燃气体点火的火焰结构进行了流场显示. 结果表明, 气体击穿形成椭球形等离子体, 稀疏波与等离子体作用, 在等离子体迎光侧和背光侧分别形成一对反旋的螺旋环, 导致等离子体和随后的火焰面向内弯缺, 在等离子体左侧激光轴附近形成一个向外凸出的气瓣. 等离子体的高温气体诱导火花核的形成, 受壁面反射弱激波或压缩波的作用, 初始层流火焰减速. 弧形火焰阵面与壁面的作用及其与激波或压缩波、稀疏波等作用, 导致层流火焰向湍流火焰转捩. 对摩尔比为2:1:10、初压为53.33 kPa, 激光诱导火花点火的激光器最小输出能量为 15 mJ. 随预混气初压的升高, 激光点火能量越高, 降低氩稀释度, 会加快火焰阵面传播速度.     

冲击载荷下弹体材料断裂破坏的数值模拟研究

高强钢作为弹体结构设计中最常用的一种材料,针对其在冲击载荷下断裂破坏特性的数值模拟研究一直以来都受到研究人员重视.此类问题通常涉及材料在高温、高压、高应变率环境下的动态响应与破坏.因而本文提出了一种Euler网格与Lagrange标志点相耦合的局部标志点映射算法.该算法在Euler网格中添加带正六面体影响域的标志点,根据标志点与网格的拓扑关系,通过影响域加权将网格物理量映射到标志点上.基于MPI标准编写了三维并行程序代码,在程序中引入Johnson-Cook本构关系与等效应变断裂判据,对钢板在爆炸载荷作用下的破坏行为进行了数值模拟.与实验结果的对比表明,本文提出的算法结合了Euler方法和Lagrange方法的优点,能很好地处理材料的大变形及破坏过程,同时保证了计算精度和效率,可以更好地应用于各类冲击问题的数值模拟研究.     

印度高技术中心的激光与粒子加速器研究

在印度前总理英迪拉甘地亲自关心下建立的印度高技术中心,主要从事激光和粒子加速器研究.目前已建立了2×1012W的四路钕玻璃激光振荡放大链,用于激光等离子体研究;建立的两台同步辐射源,临界波长分别为3.8A和61A,主要用于显微照相,光刻和微型机械元件加工等领域.     

飞秒激光脱附的随机运动模型的研究

以飞秒脉冲激光的非平衡态传热和原子分子激发态的微观机理为基础, 建立了飞秒激光对微纳米结构中基体表面层的杂质进行脱附的随机运动物理模型. 由脱附过程的数值模拟结果, 获得了脱附概率随激光辐射时间的演化规律以及不同激光参数对脱附概率的影响.     

基于激光多普勒技术测量研究二甲醚-柴油混合燃料喷雾速度和粒度分布规律

利用激光多普勒技术,对含15%和30%二甲醚的二甲醚-柴油混合燃料以及纯柴油的稳态喷雾的速度和粒径进行了测试,得到了相应的速度矢量图、轴向和径向速度以及喷雾索特平均直径的轴向和径向分布的比较曲线.试验结果证实了二甲醚-柴油混合燃料射流存在气爆雾化作用,且在喷孔附近,混合燃料喷雾具有较大的径向速度,在喷嘴远端,径向速度值的大小和变化率均较纯柴油的喷雾小,粒径分布范围随着增大,而粒径分布趋于均匀,在射流轴线上,轴向速度的衰减趋势则大致相似.随着燃油内DME含量由15%增加到30%,喷雾锥角和射流出口速度均增加,喷雾粒径则减小.     

物理短裂纹Manson-Coffin公式的理论研究及寿命

国际上广泛使用Manson．Coffin公式来预测疲劳寿命,但该公式不能确定疲劳寿命同裂纹尺寸之间的关系．本文提出采用与疲劳极限有关的最大非损伤裂纹尺寸代替晶粒尺寸,当裂纹达到最大非损伤裂纹尺寸时,减速扩展速率降低到零．在此基础上结合短疲劳裂纹扩展速率的变化规律,导出了物理短裂纹的萌生和扩展速率同应力、应变、裂纹尺寸以及常规力学性能之间的定量关系．从而做到直接用材料常规力学性能预测短裂纹的疲劳寿命．本文证明了短裂纹的寿命预测公式同Manson—Coffin公式有相同的形式,从理论上揭示了Manson．Coffin公式的本质是短裂纹的萌生和扩展规律．用本文公式预测的疲劳寿命与著名学者相关的试验结果进行了比较,两者完全吻合．并且本文公式中的系数和指数同试验数据的拟合公式也完全一致．特别是对接近10ILtm物理短裂纹疲劳寿命的预测同实验结果惊人的吻合．用本文的公式对15种材料的短裂纹扩展速率进行了预测,其结果和实验值的吻合程度也令人十分满意,显示了本理论的广泛适用性．     

间断蛇形短翅片强化扁平管传热的研究

针对火电机组空冷凝汽器典型扁平管结构上蛇形翅片长度大,空气在翅片间流动对强化传热的效果受到边界层发展抑制的缺陷,根据锯齿翅片破坏边界层发展强化传热的思想,引入间断翅片结构强化火电空冷凝汽器扁平管空气侧传热．将原有蛇形翅片断开为不连续的蛇形短翅片,分别采用顺排、叉排方式将短翅片布置于扁平管管壁上．通过数值模拟,对短翅片的不同布置方式叫顷排、又排）、短翅片排数,以及不同断开间距下,间断蛇形短翅片间空气的流动与传热性能进行研究．结果表明,与原有连续结构相比,在工程实际应用的空气流动速度范围内,采用间断短翅片结构可以有效提高空气侧的传热性能,且由于间断结构减小了空气与壁面的接触面积,流动的压力损失增加受到抑制．     

飞秒激光辐射材料的Coulomb爆炸烧蚀理论模型研究

摒弃了离子静止假设和飞秒时间尺度内电子、离子的温度概念,以及基于电子、离子温度概念的双温模型,采用动力论的Vlasov方程描述电子、离子在飞秒时间尺度下非平衡态输运过程,建立了飞秒激光辐射材料的Coulomb爆炸微观烧蚀理论模型,并对其进行了数值模拟分析,在此基础上,定量分析了自洽电场导致的材料表面层Coulomb爆炸的机理及飞秒激光参数对材料表面烧蚀的影响,理论模型计算的烧蚀深度与实验吻合的较好,结果表明在绝缘体材料表面层产生的静电自洽电场强度远大于金属材料与半导体材料,绝缘体材料表层更易发生Coulomb爆炸烧蚀现象．     

HDPE／MWCNT复合材料薄膜热导率的激光脉冲法研究

采用激光脉冲法测量了高密度聚乙烯,多壁纳米碳管（HDPE／MWCNT）复合材料薄膜的热导率．研究发现热导率随MWCNT含量增加而升高,并且在MWCNT含量小于3．35vt％（体积百分比）时热导率随MWCNT含量增加变化的速度明显高于MWCNT含量高于3．35vt％的区域．当温度低于HDPE熔点时,热导率随温度变化很小,而当温度超过HDPE熔点时,热导率明显增大．提出HDPE／MWCNT复合材料的热导率与MWCNT导热网络的形成密切相关;并建立了热导率渗流模型,计算结果与实验结果基本相符．     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

高效磨削时弧区热作用机理与强化弧区换热的基础研究

在研究了高效磨削时弧区热作用机理的基础上, 将热工领域有关强化传热的思想引入磨削加工, 并具体提出了利用高压水射流冲击强化弧区换热的独创构想. 为考查该项构想可能提供的极限换热能力, 完成了关于高压水射流冲击强化换热的传热学基础试验研究, 试验用射流速度最高达到110 m/s. 瞬、稳态试验结果证明, 水射流冲击的临界热流密度和换热系数相对于池内沸腾可分别提高70和30倍以上, 其中临界热流密度的绝对数值更是高达80 W/mm²以上. 随后介绍了专门设计研制和调试成功的可限制高压水只在弧区范围内作径向射流冲击的实验装置, 以及利用该装置完成的采用径向水射流冲击供液的缓进给磨削试验研究. 试验结果确证, 引入弧区的水射流冲击确有超常的强化冷却效果, 它可在普通供液已严重烧伤的情况下将工件表面温度轻松地维持在100℃以下的超低水平上.     

管壳式换热器纵流管束内的扰流机制与传热强化研究

分析了折流杆换热器管束内的扰流机制,在此基础上,根据核心流传热强化原理,设计了一种新型的折流杆-扰流叶片组合式换热器,建立了相应的物理和数学模型,并对其传热与流动特性进行了计算模拟．结果表明,该新型换热器壳程的对流换热系数与折流杆换热器相当,但流动阻力远小于折流杆换热器,综合性能优于折流杆换热器,而且Re数越高,优势越明显．     

激光共聚焦显微镜研究填料在涂料中的分布I：正交分析方法研究填料在涂料中的纵向分布以及对耐候性能的影响

设计制备了2种不同TiO2填料填充的环氧树脂涂料,用激光共聚焦显微镜（LSCM）对填料TiO2在这2种涂料中的横向和纵向分布分别进行了研究.结果表明,在这2种涂料中TiO2填料的纵向分布差别较大.TiO2在Disp样品中的纵向分布比较均匀,而TiO2在Non-disp样品的纵向分布中存在1.1μm的一个填料缺失层（gap）,这个填料缺失层严重影响耐候过程中涂料的表面光学性质.根据LSCM的测试结果,提出了填料在涂料中的分布模型,并且根据该模型预测了耐候过程中涂料表面性质的变化：涂料的表面光学性质出现一个先降低再提高的过程.此理论预测结果与实际耐候过程中表面光学性质的变化情况一致,说明该模型的正确性与科学性.