基于CFD的新型表面织构仿真分析

摩擦、磨损是导致运动副失效的主要因素,而表面织构化是一种改善运动副摩擦学性能的有效手段。为此,在传统圆形和三角形表面织构的基础上,设计了几种新型表面织构,并分别建立其二维和三维模型;利用CFD（computational fluid dynamics,计算流体力学）软件Fluent对新型表面织构进行仿真分析,研究了表面织构的几何参数（圆弧状凸起高度和三角形形状）和分布角度对其表面的速度场和承载力的影响。结果表明：对于圆形表面织构,底部有圆弧状凸起的普遍具有更大的承载力,且当凸起高度为0.6 mm时,其承载力达到最大;对于三角形表面织构,所设计的新型三角形Ⅰ表面织构的承载力较大;表面织构的分布角度对其承载力的影响显著,当分布角度为75°时,表面织构的承载力最大。研究结果可为运动副表面织构的设计及优化提供一定的理论参考。     

活塞-缸套系统表面织构设计与发展分析

表面织构技术作为一种有效的减摩抗磨方法已被广泛应用于改善活塞-缸套系统摩擦副的摩擦学性能研究中，但活塞-缸套系统表面织构的摩擦机理研究以及织构设计体系仍不够完善。因此，为了更好地拓宽表面织构技术在此领域的广泛应用，系统地总结了表面织构的研究目的和发展现状，从表面织构的摩擦机理及其产生原因展开讨论，之后从表面织构形貌和方向(凹坑织构、沟槽织构)、织构几何参数(深度、直径、纵横比、面密度和角度)、分布位置(活塞环、缸套)、分布形式(全织构分布、部分织构分布)等方面进行了分类综述，阐述了目前研究较少的复合织构和复合改性的相关研究进展情况，最后结合现有研究和未来需求，对表面织构应用于活塞-缸套系统摩擦副亟待解决的问题和今后发展趋势进行了总结和展望。     

FePtAg-C纳米颗粒薄膜的制备及表征

采用磁控溅射法在硅基片上生长FePt纳米颗粒薄膜。在硅片表面生长MgO籽层用来引发FePt合金薄膜的fct织构,加入C来减小其颗粒尺寸,加入Ag来增强其L10有序度。采用X射线衍射仪（XRD）、超导量子干涉仪（SQUID）和高分辨率透射电镜（TEM）对FePt薄膜进行表征。结果表明制备的薄膜样品具有优良的L10相结构,其M-H曲线表明方形度很好,垂直矫顽力HC有2467 kA/m,颗粒大小为10.4 nm。该薄膜非常适合用做下一代高密度磁存储媒质,可有效提高信息存储密度。     

3004铝合金铸轧和热轧法生产罐用薄板中间工艺阶段的ODF分析

用取向分布函数（ＯＤＦ）分析了３００４铝合金铸轧和热轧法生产罐用薄板中间工艺阶段的织构类型，并且对两种工艺产生的织构进行了详细的比较，实验结果表明，两种工艺中有一织构类型相同；一部分织构类型相近；另一部分织构相差很大，热轧板中织构罗稳定，冷轧板构较易变化。     

复合表面微凹坑对机械端面密封动压性能的影响

针对表面织构可以有效改善相对运动表面的摩擦学性能,建立了均匀分布的微凹坑机械端面密封的理论模型,采用有限差分法对流体动压润滑方程进行求解,获得了密封端面间气膜的无量纲压力分布,并考察了微凹坑形状和复合形式对密封端面的无量纲平均压力pav的影响.结果表明:微凹坑在相同的形状下,大小尺度不同的复合凹坑比单一凹坑具有更强的动压性能,而以矩形凹坑表现得最为明显,其动压性能效率提高率ε3可达6.79％;微凹坑的复合可明显增强密封端面动压性能.     

用两板法修研深度游标卡尺的最佳方法

用两板法将其中一块平板研磨至中凸（3～5）μm的球面（所谓两板法是将两块平板作相互研磨。研磨时上平板作圆周运动,圆周运动的半径越大则下平板就越凸。这样就能得到下平板中凸而上平板中凹的两块平板）;然后将深度游标卡尺放在上面研磨,如果卡尺的深量面的两端伸出平板之外,     

近场水下爆炸气泡与目标尺寸匹配关系研究

为了探究不同尺寸结构与气泡的相互作用机理，开展了2.5 g TNT在边长为20 cm、40 cm和70 cm固支方板底部15 cm处起爆的水下爆炸实验，通过观察实验高速录像以及传感器测得的压力数据结果得到：板的尺寸过小时，气泡在膨胀过程中会与空气接触，使得气泡脉动过程终止。为进一步探究爆炸气泡与目标尺寸的匹配关系，采用Abaqus软件中的CEL算法，固支方板以拉格朗日网格建立，其余部分以欧拉网格建立，对近场水下爆炸气泡的动力学行为以及压力数据进行数值模拟，通过将仿真结果与实验拍摄到的气泡现象与测得的压力时程曲线做对比验证了仿真方法的可行性。以爆炸深度除以最大气泡半径为比深度，以板的边长除以最大气泡半径为边长，接着开展了板边长为0.455到3.182倍最大理论气泡半径、爆距为0.455到1.136倍最大理论气泡半径的系列仿真。仿真结果表明：随着板尺寸的减小，气泡越容易提前溃散；以无量纲板尺寸和无量纲爆深为变量给出能否形成一个完成气泡脉动的分界函数；爆距与板尺寸距离分界线越近，气泡脉动结束时间越早。     

带约束拉杆方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱轴心抗压性能

为解决方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（SBCC）在压缩载荷下易开胶失效的问题,提出了一种新型的带横向约束拉杆的方形薄壁钢管/竹胶合板组合空芯柱（SBCCB）。首先,对9根SBCCB进行了轴心抗压试验,考察了SBCCB受压破坏形态,分析了SBCCB的截面尺寸、长细比和截面组合方式对其开胶载荷和极限承载载荷的影响,并将SBCCB的极限压应力与已有的SBCC数据进行了比较;然后,通过非线性回归分析,建立了SBCCB轴心抗压承载力计算公式。结果表明:SBCCB的轴心抗压失效破坏主要为柱端及柱身横向约束拉杆之间的竹胶合板开胶失效和竹胶合板材料破坏失效,其极限承载力不仅与截面尺寸和长细比相关,而且受截面组合方式影响。设置横向约束拉杆可有效减缓开胶失效,改变极限破坏模式,显著提高极限承载力;与SBCC的极限压应力相比,SBCCB的极限压应力平均提高26%。      

曲线裂纹裂尖SIFs等效分析的广义参数Williams单元确定方法

基于Williams级数建立的含直线裂纹平面弹性体裂尖应力强度因子（Stress Intensity Factors，简记SIFs）分析的广义参数Williams单元（简记W单元），因裂纹面必须满足σ_θ=0、τ_ρθ=0（θ=±π）的边界条件，而曲线裂纹面无法满足该边界条件使得W单元不能直接适用。该文针对此问题，将含曲线裂纹平面弹性体裂尖局部区域进行等效处理，以裂尖为圆心，选取合适的半径建立等效区，即截取斜率呈单调变化的曲线微段，在微段两端引切线交叉成折线段，以该折线段近似代替曲线微段。算例分析表明:当等效区的尺寸取建议值时，该文方法的计算结果精度较高，证明了该文改进方法在分析曲线裂纹尖端SIFs的合理性，同时给出了等效区尺寸的建议值，即ψ_min=5π/6，且等效区截取曲线长度宜大于原曲线长度的1/5。     

基于体积填充法的弹体侵爆一体毁伤效应研究

弹体侵爆一体试验很难区分侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重，目前亦未有较成熟的方法模拟弹体侵彻动爆一体的全过程。针对此问题提出一种基于体积填充法的弹体侵爆一体数值模拟方法，在背景网格中通过体积填充生成炸药材料，同时赋予其与弹壳相同的初始速度，设置流固耦合算法约束弹壳与炸药协同变形和运动，同步侵彻目标介质后静态或动态起爆炸药。利用经验公式对惰性弹侵彻过程进行了模型验证，完成了侵彻静爆一体和侵彻动爆一体全过程数值模拟，给出混凝土介质内部压力场、表面成坑和成坑深度的变化规律，量化分析了侵爆一体过程中侵彻和爆炸两种荷载的毁伤权重。结果表明：当侵彻静爆一体时，目标介质内未消散的侵彻波场会与爆炸冲击波场叠加，其压力峰值较侵彻后装药静爆的单一爆炸波场有所提高，但不明显；当侵彻动爆一体时，炸药的动爆效应使得介质内爆炸冲击波场呈现出不规则的球形分布，速度方向峰值压力提高20%以上，在固定着靶速度的情况下，起爆时间越晚，表面成坑越小，成坑深度越大；在固定起爆深度的情况下，着靶速度越大，表面成坑越小，成坑深度越大。     

团块缺陷结构对岩石静动力学特性影响的数值模拟分析

基于颗粒流离散元法和PFC2D程序构建含团块缺陷结构的岩石数值模型试样,指定试样中部1 cm半径范围为团块缺陷,通过0.1倍、1倍和10倍关系改变团块细观力学参数,构建A、B和C三种数值试样类别,分别进行三轴压缩和三轴疲劳试验。通过试样破坏特征、强度特征、团块及周边应力、应变率特征分析缺陷岩石静、动力学特性。试验结果表明,压缩和疲劳荷载下A类试样在团块左右方向应力集中,而上下方向（包括团块内部）为低应力区;C类试样与之相反,B类试样无明显应力集中现象。无论压缩或疲劳荷载,A类试样团块应变率高于四周,C类试样与之相反,B类试样无明显应变率差异化。研究成果揭示:1）岩石内部团块状缺陷结构无论其材料强度高低均劣化岩石抗压强度;2）静动荷载加载过程中含团块缺陷岩石内部表现出应力场不均匀性和应变差异性。     

Homogenization‐based design of surface textures in hydrodynamic lubrication

An optimization framework is developed for surface texture design in hydrodynamic lubrication. The microscopic model of the lubrication interface is based on the Reynolds equation, and the macroscopic response is characterized through homogenization. The microscale setting assumes a unilateral periodic texture but implicitly accounts for the bilateral motion of the surfaces. The surface texture in a unit cell is described indirectly through the film thickness, which is allowed to vary between prescribed minimum and maximum values according to a morphology variable distribution that is obtained through the filtering of a design variable. The design and morphology variables are discretized using either element‐wise constant values or through first‐order elements. In addition to sharp textures, which are characterized by pillars and holes that induce sudden transitions between extreme film thickness values, the framework can also attain a variety of non‐standard smoothly varying surface textures with a macroscopically isotropic or anisotropic response. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于数值仿真的冲压成形界面接触压力

为探究冲压成形过程中板料-凹模圆角区界面接触压力,采用有限元静力算法建立了U形件小圆角半径弯曲成形过程的数值仿真模型,完成了板料和模具界面接触压力数值模拟,并参数分析了钢板强度、相对圆角半径、压边力和摩擦系数对板料界面接触压力分布的影响.研究表明:与压边力和摩擦系数相比,钢板强度和相对圆角半径更明显地影响着板料界面接触压力,并随着材料强度增加和相对模具圆角半径减小界面接触压力明显增加;随着压边力和摩擦系数的增加,界面接触压力宽度也随之增大.     

颗粒间摩擦对颗粒流润滑影响的力学机制

颗粒流润滑是一种可用于苛刻工况环境的新型润滑方式,颗粒间摩擦对颗粒流润滑影响的规律和特性是阐明颗粒流润滑理论的关键科学问题,也可以为极端工况环境下颗粒流润滑轴承的设计和参数选择提供技术支持。为了分析颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统宏、微观特性以及下摩擦副与颗粒润滑介质间摩擦的影响规律,构建了颗粒流润滑离散元数值模型,并对该问题进行了分析和研究。研究结果表明:颗粒间摩擦对颗粒流润滑系统的减摩润滑特性具有显著影响,下摩擦副和颗粒润滑介质之间的平均摩擦系数会随着颗粒间摩擦的增大而增大;颗粒流润滑系统内的微观配位数和滑动率均随着颗粒间摩擦系数的减小而增大;颗粒润滑介质在摩擦副间隙的宏观流动行为具有明显的分层特性,且宏观流动速度随着颗粒间摩擦的增大而减小,进一步的分析结果表明:颗粒润滑介质的波动速度是直接反映其宏观流动速度快慢的关键性参数。     

莱洛三角形微孔织构化端面密封性能数值模拟

基于微孔型表面织构在改善机械端面密封性能方面的优势,提出了一种新型的莱洛三角形微孔表面织构,并利用数值模拟方法考察了莱洛三角形微孔织构化端面的密封性能。首先,在动环表面上分别设置圆形、三角形、莱洛三角形三种微孔表面织构。然后,利用GAMBIT软件进行3种微孔织构化密封端面模型网格划分,利用Fluent软件分析密封端面的流场特性并获得其流场压力分布。最后,总结出3种微孔织构化密封端面的开启力、泄漏率和开漏比随织构面积率、孔深、密封间隙、操作压力及转速的变化规律。结果表明：3种微孔织构化密封端面的开启力和泄漏率随着密封参数的变化具有相同的变化规律;当S_p＝10%,h_d＝3～4 μm,h_p<3 μm,p_i<0.3 MPa时,3种微孔织构化密封端面均呈现出较好的密封性能;相比于圆形、三角形微孔织构化密封端面,莱洛三角形微孔织构化密封端面具有较大的开启力和较小的泄漏率,同时具有较大的开漏比。研究成果可为微孔织构化机械端面的密封参数优化设计提供参考。     

Influence of wire-EDM textured conventional tungsten carbide inserts in machining of aerospace materials (Ti–6Al–4V alloy)

Importance of this present investigation is to identify the influence of modified tool (tool with texturing) on the process of orthogonal turning of Ti–6Al–4V work material. To achieve the enhanced turning conditions, four different types of textures (plain conventional, cross, perpendicularly textured and parallel textured tool to the chip flow direction) were fabricated on the rake face of the tool insert and the lubricant used during the machining process is molybdenum disulfide (MoS₂). Machining forces (the force of cutting and feed), angle of shear, chip morphology, temperature distribution between tool and chip were measured. Shear strain and strain rate were also computed and compared with all type of cutting tools. Experimental results revealed that the cross-textured cutting tool exhibit an effective reduction in cutting force, friction, shear strain and strain rate. The favorable metal removal condition of curling chip with low diameter was achieved through cross-textured tool.     

基于Euler方程的B型和C型嗡鸣特性数值研究

运用非定常Eu ler方程求解气动力,耦合结构运动方程,采用改进的四步龙格-库塔推进方法,在时间域内研究了音速附近发生的单自由颤振问题。其中气动力模块采用非结构网格技术进行空间离散,运用线性弹簧方法实现非结构网格的运动。空间上采用Jam son中心格式的有限体积法,时间上采用双时间推进方法。从无量纲化的结构方程出发,把M数、音速、密度、舵面刚度、转动惯量、弦长等一系列气动、结构参数对嗡鸣特性的影响归结为三个无量纲参数的影响。通过研究发现,运用非定常Eu ler方程可以模拟B型和C型嗡鸣,但不能模拟因激波附面层干扰而产生的A型嗡鸣。C型嗡鸣比B型嗡鸣发展缓慢,提高系统阻尼对于排除C型嗡鸣更有效。     

不同因素下镍铜双层膜表面摩擦行为的研究

材料在摩擦接触过程中的弹塑性变形对基体的力学性能具有重要影响。为研究镍铜双层膜在接触过程中的变形行为和力学特性,本文从原子轨迹、原子晶格结构变化、接触力和基体内部位错等方面,详细研究了表面纹理密度、纹理方向、晶体学方向、磨粒半径和接触深度等因素对摩擦接触过程的影响。结果表明：纳观纹理表面以及镀层的引入对接触力产生影响。镍膜晶体学方向对滑动接触过程影响显著,存在接触力最小的晶体学方向;凸体的分布角度对摩擦过程的影响较小;在界面作用下,特定纹理密度表现出一定的减摩作用;基体材料的接触力随着磨粒半径和接触深度的增大而增大;在不同因素及水平下,基体表现出不同的位错缺陷程度和原子堆积现象。     

Talc functionality as lubricant: texture, mean diameter, and specific surface area influence

Talc is widely used as a glidant (flow regulator) for powders. This study highlights the characteristics that confer to talcs new end use properties in improving the lubrication function during compression. We studied the contribution of texture, mean diameter (D50), and specific surface area on the residual die pressure, the ejection pressure, the lubrication index, and the tablet hardness. Different textures were studied: microcrystalline, macrocrystalline, and moderately macrocrystalline talc grade. The compression parameters were improved according to the texture. D50 varies from 0.62 to 15 µm. As D50 decreases, the lubrication performance is improved. Finally, the specific surface area of talcs was studied. This last characteristic of talcs was shown as the most relevant parameter in determining lubrication ability.