功率超声珩磨磨削区空泡溃灭微射流冲击特性及试验研究

正功率超声珩磨是一种超声辅助精密加工方法,依靠油石的运动达到去除材料及改变表面微观形貌的效果,加工过程中,超声波传入磨削液会产生空化效应,空泡溃灭过程中会产生微射流、冲击波、声致发光等次级效应,会对材料表面产生不容忽视的影响,尤其是空泡溃灭微射流的冲击作用。因此,文中提出超声珩磨环境中空泡溃灭微射流冲击特性的研究,主要工作如下。     

超高压水射流破碎子午线轮胎机理

研究子午线轮胎回收处理的新方法。将超高压水射流技术应用于子午线轮胎橡胶的破碎回收,进行非淹没条件下超高压水射流破碎分离子午线轮胎橡胶试验,得到不同驱动压力破碎后的橡胶粉末和橡胶破碎断面,对轮胎橡胶、橡胶粉末进行粒度分析和低场核磁共振分析以评价破碎回收效果。采用流固耦合方法建立超高压水射流冲击轮胎橡胶的有限元分析模型,计算超高压水射流冲击作用下橡胶材料内部应力分布规律,应用材料失效准则,研究轮胎橡胶受水射流施加高速动载冲击下的破碎行为并与试验结果相验证。对轮胎橡胶断面和橡胶颗粒进行扫面电镜观察,分析轮胎橡胶和橡胶粉末的宏观形貌和微观形态,结合有限元模型计算结果,研究轮胎橡胶的微观破碎机理,认为在橡胶破碎过程中存在拉伸和剪切两种破坏机制,主要微观失效形式有沿晶破坏和穿晶断裂。     

表面形貌与空化噪声的相关性研究

空蚀过程中,材料的表面形貌与噪声均会发生变化。在超声振动空蚀装置中,空泡的溃灭情况并不会随着空蚀阶段的发展而发生变化,即空泡噪声不变。固体材料在空泡溃灭时形成的微射流或冲击波作用下所形成的噪声是引起整体噪声变化的主要因素,并受材料表面形貌的影响。通过相关性分析方法,得出在超声振动空蚀实验装置中,由于空泡溃灭冲击固体表面所形成噪声的特征频率所在频段的中心频率为3.15 kHz与6.3 kHz,并且它们对应的声压级随粗糙度的增大而逐渐减小。     

空化水喷丸工艺中喷嘴几何参数对空化行为影响的研究

空化水喷丸是利用微小空泡群在固体边界附近溃灭时产生的冲击波压力和微射流来强化金属材料表面,而这些空泡群则是由缩放型喷嘴产生的空化射流所提供。因此,缩放型喷嘴的空化性能可直接影响喷丸效果。利用FLUENT计算软件对缩放型喷嘴产生的淹没式空化水射流进行计算机模拟,并模拟分析了喷嘴喉部直径和喷嘴扩张角对流场中空化行为的影响,同时使用Fujifilm压敏试纸对垂直于空化水射流轴线的截面上的冲击压力场进行测量。结果表明,随着喷嘴喉部直径的增大或喷嘴扩张角的减小,流场中的整体汽含率会升高,试验测得的最高冲击压力高达300 MPa。     

基于CFD的水轮机气蚀机制探讨

针对水轮机叶片表面气蚀的典型特征,利用CFD方法进行仿真计算,模拟气蚀形成和作用过程;根据模拟计算结果提出了新观点:空泡溃灭发生微射流以一定的倾角冲击壁面,壁面材料产生的最大应变在流束边界局部区域,呈环状分布;空泡气蚀在局部区域是渐进的,以“连锁反应”形式扩展,具有一定过流环境的分布特征;典型的冲蚀缺陷形貌是空泡气蚀在不同阶段的产物。     

超高压水射流作用下岩石损伤破碎机理

由于水射流的高紊动与岩石材料的复杂性,水射流作用下岩石破坏机理的研究一直都是难点问题。运用全解耦流固耦合理论,建立超高压水射流冲击岩石介质的数值分析模型,射流采用标准k－ε模型和控制体积法,岩石采用线弹性和有限元法,计算分析淹没条件下岩石介质在水射流冲击作用下内部的应力分布规律。其次,根据岩石介质内部应力分布特征,基于岩石微元强度遵循Weibull分布的概率理论,将Mohr-Coulomb破坏准则作为随机分布变量,建立岩石损伤变量演化方程和连续损伤统计本构模型及用量纲一破坏系数来表征岩石破坏的准则。再次,按建立的流固耦合分析模型、岩石损伤模型和破坏准则,运用分阶段法对水射流的破岩过程进行了数值分析。最后,运用扫描电镜对水射流切割岩石断口形貌进行观测试验,分析岩石在超高压射流作用下微观破坏机制,主要有穿晶断裂和剪切错动两种形式,进一步验证数值模拟分析的结果,建立起水射流破岩过程中岩石微观破坏机制和宏观断裂分析的桥梁。     

超声空化微射流建模与仿真

为探求功率超声珩磨中空化作用产生的微射流对壁面的冲击作用,考虑液体压缩性,基于连续方程及动量方程,建立了壁面峰值压力及滞止压力公式。应用耦合欧拉拉格朗日（CEL）方法建立了微射流冲击壁面的有限元模型,并对壁面压力、壁面变形等进行了数值研究。结果表明：壁面的峰值压力、最大变形深度及最大等效应变均出现在射流冲击的边缘;铝板在微射流冲击后出现深约0.11μm的凹坑,并在凹坑边缘有材料隆起;壁面塑性变形主要发生在冲击前期,等效应变呈环形分布。空化微射流的冲击有利于材料的去除。     

空化水喷丸中空泡云动态演变及靶距优化研究

空化水喷丸是利用空化水射流中空泡云溃灭的能量冲击金属零件表面,使其表面产生强化效果的一种新工艺,但目前靶距选择缺少依据。利用高速相机开展了空化水射流试验,采用帧间差分法(Frame-difference method,FDM)分析了空泡云动态演变规律,得出空泡集中溃灭范围。同时,以2A12铝合金为例,基于不同直径d的喷嘴,进行空化水喷丸验证试验,研究了不同靶距对材料表面性能的作用规律。结果表明,空泡云具有明显的初生-发展-脱落-溃灭的周期性,空泡集中溃灭范围为60d～75d;空化水喷丸的最佳靶距为60d～67.5d,但当d=1.8mm、靶距为120mm时产生过喷现象;提出了根据靶距空化水射流可分为液滴作用区、混合作用区和空化作用区。     

近壁面超声空化微射流对微细颗粒的破碎作用

针对微细粉体“团聚”导致粉磨极限的问题,在液相环境下利用超声的分散和空化冲击作用,开展了近壁面超声空化微射流对微细颗粒破碎作用的研究。通过理论计算空化微射流冲击微细颗粒破碎的有效作用范围,从空化泡溃灭速度的角度分析了超声频率、声压幅值、介质尺寸等主要参数对微射流强度的影响;结合物料质量浓度、介质尺寸、介质面积和功率等影响因素的微细颗粒超声空化破碎正交试验,并利用SEM观测粉体形貌,分析了颗粒中位粒径D50、10%体积累积粒径D10和比表面积（SSA）等分布特性。参数组合优化后获得了粒径小于800目的微细颗粒,破碎率高达79.35%;粒径大于10 000目的极细颗粒产率高达12.84%。从提高微细颗粒破碎率的角度,发现介质面积是主要影响因素,功率次之,其次为介质尺寸和物料质量浓度。试验结果与理论研究成果基本一致,表明优化超声空化微射流参数与增加介质壁面面积等方法可有效提高微细颗粒的破碎率。     

激光诱导空泡微孔抛光机理及实验研究

针对微孔抛光的问题,提出了一种新的抛光方法,该方法利用激光聚焦水中产生空泡,并利用激光等离子体冲击波、空泡溃灭冲击波和射流推送磨粒进行微孔抛光。通过高速摄影仪和高频动态压力传感器对激光诱导空泡机理进行了研究。利用不同激光脉冲能量、脉冲次数和脉冲频率对304不锈钢管进行抛光实验,发现随着激光脉冲能量（7~21.6mJ）和脉冲次数（0~7000）的增加,微孔表面粗糙度也随之改善;同时激光在低脉冲频率（1~10Hz）情况下,改变脉冲频率的大小对微孔的抛光效果影响不大。对微孔在不同位置的抛光效果进行了对比分析,发现孔入口1~1.5mm处的抛光效果较好,孔中和孔尾的抛光效果不佳。通过激光诱导空泡微孔抛光机理和实验研究,表明微孔抛光过程是激光等离子体冲击波、空泡溃灭冲击波和射流共同作用的过程,并得到了激光微孔抛光的一般规律。     

空化水喷丸工艺中空化行为的数值模拟与验证

空化水喷丸工艺是用于金属材料表面改性的一项新技术,该工艺中的空化行为涉及高速、高压、相变、湍流、非定常特性等复杂多变情况,对该工艺中的空化行为及冲击压力场分布规律的探索一直是该领域的重点和难点。利用FLUNET6.3流体计算软件对淹没式空化射流中喷嘴内外的流场特性进行模拟分析,获得流场内的速度、静压和汽含率分布规律,同时使用Fujifilm压敏纸对空化水喷丸工艺中沿空化射流方向上的冲击压力场的分布规律进行试验测定。研究结果表明空化水喷丸工艺中的淹没式空化射流在缩放型喷嘴内外形成剧烈的空化现象,空泡群溃灭瞬间产生的冲击波压力高达300 MPa以上。     

湿滑状态下轮胎路面摩擦特性的数值分析方法

为研究湿滑状态下轮胎路面的摩擦特性,以胎面橡胶和沥青路面作为研究对象,利用谐波叠加法建立三维粗糙路面模型,采用“伪”流体动力轴承作用等效反映路面水膜“密封”作用,综合使用有限元软件ABAQUS和计算流体动力学软件Fluent得到湿滑状态下橡胶与路面滑动接触时的橡胶接触压力、滞后摩擦力及路面水膜承载力,由此形成了综合兼顾橡胶材料、接触压力、滑动速度、路面形貌和路面水膜等多因素的轮胎与湿路面摩擦特性的仿真方法。通过橡胶与干-湿路面摩擦特性的变化与公开的试验对比,证明本方法的合理性和可行性,并进一步分析滑动速度、接触压力和路面特征对湿滑状态下轮胎路面摩擦特性的影响规律。研究结果为轮胎和路面的抗湿滑性设计及优化提供理论依据。     

Experimental study on hysteresis phenomena of shock wave structure in an over-expanded axisymmetric jet

In recent studies on two-dimensional supersonic jets, it is reported that the hysteresis phenomenon for the reflection type of shock waves in the jet flow field is occurred under the quasi-steady flow condition and this phenomenon is affected by the transitional pressure ratio between the regular reflection and Mach reflection. However, so far, there are few researches on the hysteresis phenomenon for the transition of shock waves between regular and Mach reflection in over-expanded supersonic jets and the phenomenon has not been investigated satisfactorily. Therefore, the purpose of this study is to clarify the hysteresis phenomena for the reflection type of shock wave in the over-expanded axi-symmetric supersonic jet experimentally, and to discuss the relationship between hysteresis phenomenon and rate of the change of pressure ratio with time. Furthermore, the effect of Mach number at the nozzle exit on hysteresis loop was investigated for two kinds of nozzle.     

The cavitation erosion damage process of dynamically loaded journal bearings

The cavitation damage model was built using finite element analysis software MSC.Marc. This paper attempted to numerically analyze the action process based on damage mechanics when a jet created by bubble collapse acted on the bearing surface in the process of cavitation erosion. The numerical results show that the values of equivalent plastic strain and void volume fraction increase with time. The values of damage scalar are higher on the bearing surface and subsurface, and decrease when it approaches the interface of overlay and nickel layer. The strain history and damage evolvement of bearing material acted on by jet impact load can be calculated efficiently using the proposed method, which develops a new method of analyzing cavitation erosion failure of the bearing surface. __________ Translated from Journal of Shanghai Jiaotong University, 2005, 39(7) (in Chinese)     

Wet sliding friction of elastomer compounds on a rough surface under varied lubrication conditions

‘Green’ tire bearing tread rubber reinforced with precipitated silica can exhibit improved wet traction performance. The underlying mechanism is currently not well understood. To improve our capability of rational material design for enhanced driving safety, wet sliding friction for various rubber compounds is tested on a Portland cement concrete surface under varied lubrication conditions. The wetting liquid is either ethanol or water, and the initial amount of liquid on the concrete surface is adjusted. Sliding friction is detected to alter with lubrication condition. Under ethanol lubrication, the sliding friction is markedly lower than that under water lubrication. Additionally the benefit in wet traction from silica is significantly diminished or eliminated in ethanol. Such observations cannot be rationalized with simple considerations of rubber bulk viscoelasticity, liquid viscosity, cavitation, or capillary effect. We believe that these observations strongly indicate the significance of interfacial interactions in determining the wet sliding friction of elastomer compounds. The potential relevance of capillary porosity in concrete and Marangoni drying effect to wet traction is also introduced.     

近球壁射流空泡溃灭对微细颗粒破碎效果的影响

为有效解决大规模机械粉体制备中存在的微细颗粒团聚和粉磨极限等问题,采用了空化射流冲击结合磨介研磨的微细颗粒制备方法,并对近球壁空化射流有效冲击破碎颗粒开展了研究。理论分析了近球壁空泡溃灭对微细颗粒的冲击特性,得出了颗粒冲击破碎的有效量纲一距离及临界空泡最大半径;通过空化射流冲击球壁的数值模拟仿真,分析了喷嘴入口压力和靶距对近球壁空泡分布的影响。为验证理论与数值分析结果,开展了基于靶距、转速率、颗粒质量分数和喷嘴数目等多因素的石英砂球磨空化破碎对比实验,实验结果与理论和数值分析结果吻合良好,验证了此方法的有效性。研究结果表明：空化冲击结合磨介研磨微细颗粒的破碎率比单一研磨微细颗粒的破碎率更高;在空化射流入口压力5 MPa下,靶距和转速率是石英砂微细颗粒破碎效果的主要影响因素,其次是喷嘴数目。     

自振射流频率特性的试验研究

淹没条件下自振射流的频率特性决定着射流的打击效果,而获取射流的压力脉动信号对研究自振射流频率特性至关重要。射流的压力信号通常借助于冲蚀试验和标靶打击试验来间接获得,这里采用喷嘴腔内压力信号提取方法对自振射流频率特性进行试验研究。通过比对分析证明,直接采集腔内压力信号可以有效获取自振射流的频谱特征。与标靶打击试验相比,该方法受随机扰动少,频谱清晰,更有利于自振射流特征频率的提取。在此基础上,通过频谱分析得到自振射流的共振频率,并研究来流参数对自振射流频率特性的影响。试验结果显示,自振射流的共振频率并非是对来流扰动频率的直接放大,且受来流扰动的影响很小。来流速度对自振射流共振频率的影响较大,随着来流速度的增加,自振射流的共振频率及其对应的幅值均显著增加。这表明适当加大来流速度可以有效地改善自振射流的振荡特性。     

Tire wear by ablation

The transient temperature profile of a slipping tire is calculated by taking into account the frictional heating due to slip, temperature build-up due to hysteresis, convection and radiation loss into the air, and conduction cooling into the ground. Specific attention is directed to the calculation of tire surface temperature. Calculated surface temperature shows a value which may exceed the melting point of tread rubber. The phase change of the tread rubber at the surface leads to a particular wear mechanism. Wear of the tire is calculated for the transient process which occurs at the contact area between tire and ground.The governing equations for temperature profile and the associated wear process are solved numerically by a finite difference technique. Tire surface temperatures for different service conditions agree well with the available data for automobile tires. Tire wear data agree with those reported for airplane tires. The proposed wear model may be applicable to automobile tires when the service condition is severe.From the thermal analysis one can see the effect of surface properties of both tire and ground on the wear process. Other parameter studies provide some information about the effects of some important factors on tire wear.