纤维增韧陶瓷基复合材料热端部件的热分析方法现状和展望

以陶瓷基复合材料（CMC）为代表的纤维增韧复合材料具有耐高温、高强度、低密度等特点,在航空燃气涡轮发动机、火箭发动机等动力装置中逐步得到工程应用。CMC材料因其自身特殊的结构特点,使得其导热系数呈现出明显的各向异性,进而导致传统基于均质金属材料的热分析方法将不再适用于CMC热端部件。总结了单向纤维、2/2.5维编织纤维、3维编织纤维等典型纤维增韧CMC材料导热系数预测方法的研究进展和CMC热端部件热分析方法的研究现状。综合来看,如何在热分析中高效引入CMC材料微观尺度信息,建立起精度高且工程可应用的CMC热端部件跨尺度热分析方法是目前亟需突破的技术难题。面向未来CMC热端部件的工程应用,基于三维微观结构特征重构的热分析模型是建立CMC热端部件高精度热分析方法的关键,同时热分析还需要同制造工艺、力学行为分析等进一步紧密结合。     

Al/Mg搅拌摩擦点焊–钎焊接头的微观组织与拉伸剪切性能研究

采用搅拌摩擦点焊–钎焊工艺进行2A14铝合金和AZ31镁合金的连接,使用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、能量色散谱(Energy dispersive spectroscopy,EDS)和X射线衍射仪(X–ray diffraction,XRD)研究不同参数下接头的微观组织、化学成分及物相组成,采用电子万能试验机对接头进行拉伸剪切性能测试。研究结果表明,搅拌区主要由Al–Mg系金属间化合物和少量MgZn相、MgZn₂相组成;热力影响区主要由富Zn固溶体和Mg₇Zn₃相组成;热影响区靠近铝合金处的锌钎料没有与其他元素发生反应,靠近镁合金处的锌钎料与镁元素发生反应,生成了Mg–Zn系金属间化合物。当轴肩下压量为0.5 mm,搅拌头旋转速度为950 r/min时,接头的拉伸剪切载荷达到最大值7.6 kN。     

2024–T351铝合金激光冲击微观组织强化机制分析

激光冲击强化在航空制造业中具有广泛的应用前景,研究其强化机制对认识工艺过程材料响应行为,合理规划激光冲击强化工艺具有重要意义。采用电子背散射衍射与X射线衍射表征激光冲击强化材料微观组织演化状态,对微观组织强化机制进行分析。通过室温拉伸试验对激光冲击强化2024–T351铝合金试样进行测试,研究其对铝合金力学性能的影响。研究结果表明,激光冲击强化通过引入应变梯度在材料中引起轧制方向晶粒断裂并生成小角度晶界,同时引发统计存储位错大量增殖。激光冲击强化主要通过位错强化机制提升材料的屈服强度与抗拉强度,细晶强化与固溶强化机制贡献不显著。     

融合背景图像信息和多特征压缩的相关滤波跟踪算法

针对相关滤波类跟踪算法目标背景图像信息利用率较低、目标特征表达能力较弱的问题,提出了一种融合背景图像信息的多特征压缩跟踪算法。首先,在上下文感知滤波器的基础上,将背景图像信息加入位置滤波器。其次,提取颜色名(Color Name, CN)特征与梯度直方图(Histogram of Oriented Gradient, HOG)特征,使用最大响应因子及平均峰相关能量(Average Peak-to-Correlation Energy, APCE)评估跟踪结果的可信度,实现两种特征的自适应融合。最后,利用特征降维简化模型的复杂度,实现算法运行速度的提升。实验结果表明,改进后的算法在遮挡、形变、尺度变化等复杂环境下均具有较高的鲁棒性,其跟踪精度和成功率指标均优于DSST及其他主流的跟踪算法,并且仍保持了实时性。     

传热对微型摆式发动机性能的影响机制分析

建立了微型摆式发动机(Micro internal combustion swing engine,MICSE)的计算模型,揭示了传热及其尺度效应对微型摆式发动机性能的影响机制。结果表明:壳体仅在一个较薄的热缓存层内与工质气体进行周期性热交换。在进气过程中,热缓存层对气体的传热会提高气体温度,从而降低进气质量和压缩比;在做功过程中,气体对热缓存层的传热减少做功,这两方面都会降低系统热效率。尺寸越小,进气气体在热缓存层传热下的温升越大,相对进气质量和压缩比越低;做功过程中的气体向热缓存层的传热量占燃气总化学能的比值越高。因此尺寸越小,传热效应增强,热效率越低。     

激光选区熔化成形Ti6Al4V合金的热处理组织演变机理

激光选区熔化(SLM)Ti6Al4V成形构件需要通过热处理改善其塑性。为探究该过程中的组织特征和演变机理,研究了Ti6Al4V试样固溶时效热处理(910℃/8 h水冷,750℃/4 h炉冷)前后的微观形貌和力学性能。结果表明:沉积态的马氏体α′相尺寸具有层次结构;热处理相变时初生马氏体α′发生分解,小尺寸马氏体α′转变为β相,随后发生β→(α+β)转变,最后得到α相片层和精细(α+β)相结构均匀分布的组织;热处理后材料抗拉强度达1 055 MPa,延伸率提升至16.2%,均优于典型Ti6Al4V合金拉伸性能。采取的热处理技术对Ti6Al4V组织调控成效显著,满足后续工艺要求,可在激光选区熔化成形双相钛合金中推广应用。     

脱硫石膏基复合胶凝材料的物理力学性能试验

以β型脱硫石膏为基材,混掺水泥、粉煤灰和硅灰等胶凝材料,加入自制的专用改性外加剂,制备脱硫石膏基复合胶凝材料,测试分析原料组分、水胶比和养护方式对脱硫石膏基复合胶凝材料性能的影响,通过SEM和XRD测试手段探讨其强度形成及耐水机理。试验结果表明:水泥掺量为20%、粉煤灰掺量为25%和水胶比为0.7时的脱硫石膏基复合胶凝材料综合性能优良,其28 d抗压强度为12.1 MPa,吸水率为17.6%,软化系数为0.81;二水石膏晶体形成的第一支撑骨架和以钙矾石和C―S―H凝胶等形成的第二支撑骨架相互补充,提高了脱硫石膏基复合胶凝材料结构的致密性和耐水性。     

一种平纹编织复合材料的三维通用单胞模型

为了解决采用通用单胞(GMC)方法开展编织复合材料多尺度模拟的技术难题,发展了一种三维通用单胞模型,可用于二维平纹编织复合材料的多尺度模拟。概述了三维通用单胞方法的基本理论和求解流程;基于对二维平纹编织复合材料细观结构特征分析,建立了其三维通用单胞模型,并通过与传统有限元单胞模型的宏细观力学响应分析计算结果对比,验证了所建模型的正确性。采用基于通用单胞模型的有限元多尺度模拟方法,开展了二维平纹编织复合材料平板试件的模态分析。与试验结果对比表明,采用所建立的通用单胞模型预测得到的前五阶固有频率绝大部分的精度较传统有限元方法有了明显提升。该方法的优势在于可以基于通用单胞模型开展多尺度模拟,进而研究宏细观力学响应的相互关联。      

基于ACMPE、ISSL-Isomap和GWO-SVM的行星齿轮箱故障诊断

针对从行星齿轮箱非线性、非平稳振动信号特征提取困难的问题,提出了一种基于自适应复合多尺度排列熵(ACMPE)、改进监督型自组织增量学习神经网络界标点等度规映射(ISSL-Isomap)和灰狼群优化支持向量机(GWO-SVM)相结合的行星齿轮箱故障诊断方法。利用ACMPE从复杂域提取振动信号的故障特征,构建高维故障特征集;采用ISSL-Isomap方法对高维故障特征集进行维数约简,提取出低维、敏感故障特征;应用GWO -SVM分类器对低维故障特征进行模式识别,判断故障类型。行星齿轮箱故障诊断实验结果分析表明:与多尺度排列熵(MPE)、复合多尺度排列熵(CMPE)等特征提取方法相比,ACMPE方法在分类效果和识别精度上更具优势;与局部切空间排列(LTSA)、等度规映射(Isomap)、加权Isomap(W-Isomap)、监督Isomap(S-Isomap)和监督型自组织增量学习神经网络界标点Isomap(SSL-Isomap)等降维方法进行比较,ISSL-Isomap方法降维效果最佳;所提方法的故障识别率达到100%,具有一定优越性。      

基于机匣信号的滚动轴承故障卷积神经网络诊断方法

针对在滚动轴承故障激励下的机匣微弱故障特征,提出了基于卷积神经网络(CNN)的故障诊断方法。利用矩阵图法、峭度图法以及小波尺度谱法3种振动信号的预处理方法,将一维原始信号转换为图像信号;利用卷积神经网络对故障进行识别。通过比较分析发现:通过连续小波尺度谱更易提取滚动轴承的故障特征,其故障识别率达到95.82%,均高于其他几种振动信号预处理方法;由于卷积神经网络可以利用深层网络结构自适应地提取滚动轴承故障特征,比传统支持向量机(SVM)方法的故障识别率高约7%。结果证明了该方法的有效性与可行性,且具有较好的泛化能力和稳健性。