CFRP钻削温度场的数值仿真与分析

文摘为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)钻削过程传热规律及温度分布特性,在对材料热物理特性均匀化处理的基础上,利用COMSOL Multiphysics建立单向CFRP钻削温度场数值仿真模型,探究钻削过程中热量传递及温度场分布规律。结果表明,出口处温度场呈椭圆形分布状态,椭圆形最小值离心率e为0.771,且椭圆的长轴和纤维方向平行。通过实验对比,纤维方向和垂直纤维方向的温度误差分别为7.5%和7.8%,实验结果验证了数值仿真模型的正确性。     

钛合金铆钉热铆一次合格率提升方法研究

针对现有钛合金铆钉热铆存在的镦头成型不足、镦头表面灼伤、钉头现灰黄色氧化层等问题,分析得出其主要原因是铆接加热时间未精确控制和铆接过程带电,提出了一种钛合金铆钉热铆系统优化方法,基于PLC实现加热时间参数化控制和铆接自动断电功能,通过铆钉加热试验获得多组铆钉温度和对应加热时间数据,采用牛顿插值法得到铆钉加热至目标温度时所需加热时间,形成一套针对不同长度和直径铆钉的热铆工艺参数,最后通过热铆试验确定钛合金铆钉热铆一次合格率获得大幅提升。     

TC4-DT钛合金线性摩擦焊过程三维数值模拟

针对TC4-DT钛合金在热模拟机上测得的流动应力数据,建立了TC4-DT线性摩擦焊同质接头三维刚塑性有限元模型,研究了温度场、金属流动。验证试验采用预埋热电偶的方法测得焊接过程中特殊点温度,同时测量了缩短量,误差不超过4%。在模拟结果中观察到,沿振动方向飞边有波纹状条纹,与实际飞边形貌符合,证明模型可用来预测线性摩擦焊过程中的温度场、轴向缩短量及金属流动情况。     

铆钉数量及间距对自冲铆接头性能的影响北大核心CSCD

为研究铆钉数量及铆钉间距对自冲铆接头性能的影响,首先采用数值模拟和试验的方式优化了铆接参数,制备了三组不同形式接头;基于拉伸-剪切实验研究了各组接头的静力学性能及其失效形式;并运用MATLAB 2014b用户自定义开发平台精确计算出各组接头的能量吸收值。结果表明:数值模拟结果与实验具有良好的一致性;单铆钉接头失效形式为铆钉从下板完全拉出,双铆钉接头失效形式为板材断裂失效;双铆钉接头性能明显优于单铆钉接头,而铆钉间距对接头静失效载荷和能量吸收性能的影响较小。     

铆钉数量及间距对自冲铆接头性能的影响

为研究铆钉数量及铆钉间距对自冲铆接头性能的影响,首先采用数值模拟和试验的方式优化了铆接参数,制备了三组不同形式接头;基于拉伸-剪切实验研究了各组接头的静力学性能及其失效形式;并运用MATLAB 2014b用户自定义开发平台精确计算出各组接头的能量吸收值。结果表明:数值模拟结果与实验具有良好的一致性;单铆钉接头失效形式为铆钉从下板完全拉出,双铆钉接头失效形式为板材断裂失效;双铆钉接头性能明显优于单铆钉接头,而铆钉间距对接头静失效载荷和能量吸收性能的影响较小。     

2A12-T4铝合金自冲摩擦铆焊接头力学行为研究

针对干涉配合铆接中预制孔工序带来的连接效率等问题，采用自冲摩擦铆焊(F-SPR)工艺，通过半空心铆钉高速旋转产生摩擦热软化铝合金，在无预制孔条件下获得机械-固相复合连接接头。根据接头成形质量确定F-SPR工艺合适的转换深度，分析了典型接头的微观组织特征，研究了进给速度对接头宏观形貌、硬度分布及力学性能的影响规律。试验结果表明，转换深度为3.5 mm时可消除多余物、间隙、张开不足及裂纹等缺陷，实现铆钉与板材紧密连接；进给速度主要通过影响接头中母材硬度，进而影响接头拉剪及正拉力学行为。F-SPR工艺接头的拉剪强度约为2A12-T4铝合金母材抗拉强度的80%,相比于电磁铆接及自动压铆工艺具有较大优势。     

惯导平台长时间通电有限元热分析

长时间通电会造成惯导平台腔内温度场发生较大变化,鉴于惯性仪表对环境场的敏感性,温度的变化将极大影响平台的性能。通过某型气浮惯导平台长时间通电温度场变化有限元热分析,建立了通电时间与平台各部件温度场模型、平台腔内温度场模型以及台体耦合的热弹性结构模型,得到了温度场分布的量化结果,分析了平台台体的热应力分布情况。在温度数据的处理过程中,利用Matlab构建数据模型,预测了各部件及腔内的温度变化趋势,并通过对比试验数据,验证了仿真结果的正确性,为后续研究提供了理论基础。     

补偿头铆钉应用研究

简述了补偿头铆钉提高接头疲劳性能和密封性能的机理,进行了铆钉干涉量及铆接接头性能对比试验,验证了补偿头铆钉接头具有优良的密封性和抗疲劳性能,并介绍了补偿头铆钉的应用情况。     

数控机床主轴热误差测点优化及建模技术研究

为了减少热误差对数控机床加工精度的影响,首先利用热成像仪初步找出机床温升明显的位置,然后利用灰色理论对16个温度测点的试验数据进行优化处理,找出与热误差关联度较高的测点;将优选出的温度测点数据和实测的Z轴热误差数据进行划分,采用GM (1,n)灰色预测和BP神经网络建立热误差预测模型,并在试验机床上进行验证。试验结果表明:采用灰色GM (1, n)模型预测结果与实际测量平均相对误差为10.17%,采用BP神经网络预测与实测结果平均相对误差为5.19%,优于灰色GM (1,n)预测,能起到提高热误差预测精度的作用。     

铆钉成形技术研究及性能评价

针对电磁铆接和普通铆接镦头变形差异,建立铆钉成形过程的数学模型,并通过试验验证了有限元模型的合理性,得出了不同铆接工艺铆钉的变形规律;设计了铆钉拉脱试验方法,验证了电磁铆接在成形质量和轴向抗拉强度方面均高于普通铆接,得出了电磁铆接工艺性能优于普通铆接的结论。     

自激励式电磁铆接放电电流分析

电磁铆接是一种将电磁能转化为机械能的铆接工艺。传统感应式低电压电磁铆接存在能量利用率低、难以解决高强度大直径铆钉和难成形材料铆钉的铆接等问题。基于自激励式电磁铆接技术,建立放电电流分析模型,通过数值分析与工艺试验探讨自激励式电磁铆接进行大直径铆钉成形的可行性。研究结果表明建立的电磁铆接放电电流分析模型可实现传统感应式和自激励式电磁铆接放电电流分析,分析结果与试验吻合较好;放电能量相同时,自激励式电磁铆接的涡流斥力峰值要远大于感应式的涡流斥力,能有效提高能量利用率,是实现大直径铆钉成形的有效方式;在放电电压为320V时,自激励式电磁铆接可实现直径为10mm的45号钢铆钉的成形,其变形以绝热剪切的方式进行。     

无头铆钉成型过程的有限元仿真与试验分析

采用ABAQUS建立有限元分析模型,分析了66°锥形铆模压铆无头铆钉的成型过程。对成型后的试片进行了力学及金相分析,并将结果与普通半圆头铆钉进行对比。研究结果表明,无头铆钉的压铆变形过程为钉杆中间最早涨粗,墩头部分成型,随后钉杆部分逐步与孔壁均匀挤压的过程;随着压铆位移的增加,无头铆钉拉脱强度及剪切强度均呈上升趋势;与传统平铆模成型的半圆头铆钉相比,在锥形铆模的作用下,金属材料向钉杆流动更加均匀,墩头两侧的绝热剪切效应明显弱化。     

基于DEFORM-3D的自封铆接工艺研究

铆接工艺参数对自封铆接干涉量产生重要影响。采用有限元仿真软件DEFORM-3D,以2117-T4材料、直径4mm的半圆头自封铆钉及2024-T3材料的铝板为研究对象,分析自封铆接的3个主要工艺参数钉孔直径、顶铁形状及压铆力对铆接质量的影响。仿真结果表明,钉孔直径范围在4.01~4.02mm,采用凹槽顶铁及较大的压铆力会增加铆接干涉量,提高铆接件的密封性能。     

复合材料斜面压铆和锤铆铆接质量对比分析

通过试验对复合材料斜面机器压铆和手工锤铆两种铆接方法的质量进行评估。评估内容主要包括铆钉的外观质量、复材铆接件的外观质量、无损检测和力学性能测试4个部分。结果表明:压铆的铆钉比复材铆接件的外观质量更好,受人为因素影响小;在无损检测后,压铆后的复材铆接件没有出现分层现象;在力学性能测试部分,压铆的铆接强度优于锤铆的铆接强度。可见在复合材料铆钉中压铆更具有实用性和适用性。     

基于镦头不均匀变形的压铆力建模

压铆力是影响铆接质量的重要参数,其数值的确定主要依赖于经验或简化的理论模型,且不考虑镦头鼓形部分的影响,因而误差较大。依据铆钉材料在压铆过程中的流动趋势,将压铆过程划分为4个阶段,并确定了最大压铆力出现的位置。基于厚壁筒受压进入塑性状态的极限应力分析,建立了镦头不均匀变形的压铆力计算模型,结合体积不变假设得到了镦头圆环部分尺寸,用于压铆力的求解。最后以直径4 mm和5 mm的平锥头铆钉压铆为例,利用ABAQUS软件和G86型钻铆机分别进行数值模拟与压铆实验,对相同压铆力作用下的镦头尺寸进行对比。结果表明,模拟和实验得到的镦头尺寸与理论相比,差别均小于5%,表明该压铆力计算模型具有有效性。     

几种金属材料自冲铆接头的静态失效机理

利用自冲铆连接系统、材料试验机及扫描电子显微镜等设备来研究钛合金、铝锂合金及铝合金自冲铆接头的力学性能与静态失效机理。结果表明:TA1钛合金接头平均最大拉剪载荷(6 285.0 N)在3种接头中最大,8090铝锂合金接头(5 478.3 N)次之,5052铝合金接头(3 217.7 N)最小;不同金属材料自冲铆接头的静态失效模式有很大的区别,TA1钛合金接头出现铆钉从沿晶断裂向韧性断裂转变的失效过程,8090铝锂合金接头出现材料被擦伤与解理断裂的失效过程,5052铝合金接头仅出现材料被擦伤的失效过程。     

单向CFRP螺旋铣削力建模

螺旋铣削加工工艺具有降低轴向力,改善排屑、散热条件等优点,螺旋铣削力是其重要过程指标之一。对单向CFRP螺旋铣削力建模方法展开研究,预测给定加工参数下的螺旋铣削力。首先,通过对螺旋铣削过程进行运动学分析和切屑几何分析,建立了螺旋铣削过程中侧刃、底刃动态切屑层模型,纤维切削方向角度模型和动态切削力计算模型。然后,分别通过侧刃直线槽铣实验和底刃半齿插铣实验,对各个切削方向角度下侧刃、底刃切削力系数进行了标定,并利用人工神经网络对切削力系数进行拟合。最后,将标定所得的切削力系数代入动态切削力计算模型中,建立了单向CFRP螺旋铣削过程动态切削力预测模型,并通过实验验证了模型的准确性。与现有模型相比,该模型不仅能够预测刀具螺旋运动周期内的切削力变化情况,还可以对每个刀具自转周期内的细节进行预测,通过考虑纤维切削方向角度对切削力系数的影响,反映了单向CFRP材料的各向异性,较为准确地预测了螺旋铣削力。     

压-压疲劳载荷下CFRP层合板表面红外辐射特征

为探究含冲击损伤CFRP层合板在循环交变载荷下的损伤演化规律,基于热力耦合效应研究了含损伤CFRP层合板疲劳过程中的表面红外辐射特征。以压-压疲劳试验模拟交变载荷,采用红外热成像方法分析了疲劳过程中含损伤CFRP层合板的热图序列和温度数据,结果表明：随着疲劳次数的增加,损伤沿垂直疲劳载荷方向演化,热斑颜色逐渐加深,初始冲击损伤形状逐渐演化为椭圆状,最后热斑横向端部出现"尖点";试件最大表面温差演化整体呈"快速上升-缓慢上升-快速上升"规律,最后出现跳升,其中热斑尖点、最大表面温差跳升可被视为结构疲劳破坏的前兆;含损伤CFRP层合板疲劳破坏时,其最大表面温差主要与纤维和基体种类有关,而试件铺层方式相较于纤维基体类别对最大表面温差无明显影响。研究揭示了冲击后CFRP层合板在疲劳载荷作用下的损伤演化规律,为飞行器复合材料结构的剩余疲劳寿命评估与损伤容限设计奠定了基础。