液动压悬浮抛光中磨粒与工件表面作用的数值模拟研究

针对液动压悬浮抛光固-液两相流中固相磨粒与工件表面撞击的过程中,对磨粒以不同的速度和不同的角度撞击工件表面后残余应力沿工件深度方向的分布规律进行了研究,利用ABAQUS软件建立了单颗磨粒撞击工件表面的三维有限元模型。对磨粒流撞击工件表面时的速度场进行了输出,利用PFC/3D软件建立了磨粒流撞击工件表面的三维离散元模型。研究结果表明:随着撞击角度和速度的增大,在工件表层形成的压应力场会增大,沿深度方向残余应力值急剧下降,磨粒流中磨粒间的撞击对磨粒撞击工件表面的速度场影响不大。     

液动压悬浮抛光盘的设计及抛光液动压分布研究

提出一种液动压悬浮抛光加工新方法,该方法是基于流体动压润滑理论,以高速转动的抛光盘带动抛光液及其磨粒对工件表面进行加工。针对动压浮离抛光过程中存在的表面压力分布不均的问题,在动压浮离抛光盘的基础上加入约束边界和蓄流槽,设计一种新型抛光盘,实现了液动压悬浮抛光。利用CFD软件对抛光盘与下盘面间的流场进行数值模拟,得出动压浮离抛光盘和新型抛光盘底部流道的液体压力分布。结果表明,新型抛光盘能够能提高加工区域的流体压力,并能使流体压力的分布相对均匀。     

化工泵叶轮内部固液两相流场的研究

为了研究化工泵叶轮内部伴有盐析的固液两相流动，本文利用先进的流场测试仪器PIV（粒子成像测速仪）对改型后的化工泵叶轮内部流场进行测量，并编写了图像处理软件，用来区分流场中固液两相，分别对固液两相进行互相关算处理后得到固液两相的速度场，实验结果发现固体颗粒具有向压力面移动的趋势，这与数值模拟的结果一致。     

线性液动压抛光加工的流场特性研究

分析了线性液动压抛光加工中液流对工件表面的作用形式，推导了黏性切应力和液动压力数学模型。对线性液动压抛光流场进行了数值模拟，剖析了抛光辊子尺寸以及抛光工艺参数对液动压和黏性切应力的数值及分布均匀性的影响规律。研究结果表明：液动压力和黏性切应力数值随辊子直径和辊子转速的增加而增加，与此同时其分布均匀性反而下降；抛光间隙值越小，液动压力和黏性切应力数值越大，且其分布均匀性越好。最后采用自制的线性液动压抛光实验平台，以K9玻璃为实验对象，探究了抛光加工表面形貌和表面粗糙度的创成过程。     

液动压悬浮抛光机床的设计与研究

为了解决纳米薄膜生长所需的原子级超光滑表面制备问题,基于液动压悬浮抛光新方法开展液动压悬浮抛光机床的设计研究。利用铝基盘作上抛光盘,高磷合金铸铁盘作下抛光盘,抛光工件贴于上抛光盘上,上下抛光盘保持一定的间隙并浸没在抛光液中,结合高精度的滚珠花键轴和导轨即可实现新型的非接触式抛光—液动压悬浮抛光。     

磁流变变间隙动压平坦化加工力特性研究

磁流变变间隙动压平坦化加工利用工件的轴向低频振动使磁流变液产生挤压强化效应,可以有效提高加工效果并使光电晶片快速获得纳米级表面粗糙度。通过旋转式测力仪试验研究不同变间隙参数对磁流变变间隙动压平坦化加工过程中抛光正压力的影响规律,结果表明,在工件轴向低频振动作用下,抛光正压力形成脉冲正值和负值周期性的动态变化过程;将工件轴向低频振动过程分解为下压过程与拉升过程,下压速度和拉升速度对动态抛光力有不同的响应特性;随着最小加工间隙的减小抛光正压力会急剧增大;设置最小加工间隙停留时间观察抛光正压力变化,可以发现在工件最小加工间隙停留期间抛光力从峰值逐渐衰减并趋于平稳;挤压振动幅值对抛光正压力影响较小。建立了磁流变变间隙动压平坦化加工材料去除模型,弄清了在动态压力作用下,磨料更新及其附加运动机制,研究了磁流变变间隙动压平坦化加工过程中磨料颗粒对工件表面柔性划擦和微量去除的作用机理,为磁流变变间隙动压平坦化加工的工艺优化提供了理论依据。     

三相旋流抛光磨粒运动的测量与微气泡补偿

研究了气液固三相旋流流场抛光机理和规律。设计了三入口的抛光加工流道,对气液固三相旋流抛光流场进行了数值模拟。基于模拟结果设计了气液固三相磨粒流旋流流场测量平台,并通过粒子图像测速法(PIV)测量了微气泡补偿条件下气液固三相旋流抛光的流场参数,获得了微气泡补偿区域流场的运动图像、速度矢量图和涡量图。PIV测量试验数据显示:在微气泡补偿区域,磨粒速度主要集中在30m/s到80m/s,同一测量点高速磨粒出现频率明显增加,少数磨粒速度达到100m/s以上;磨粒平均速度从33.8m/s增大到44.2m/s,经4h抛光后硅片表面最大粗糙度从10.4μm下降到1.3μm。理论和试验研究表明,气液固三相旋流抛光流场中微气泡溃灭引发的空化冲击效应可增大磨粒动能,提高抛光效率,实现B区域的均匀化抛光。     

液动压悬浮抛光工具盘承载力的研究

提出一种新型液动压悬浮抛光方法,阐述液动压悬浮抛光的基本原理,通过对结构化单元的划分及其流体液动压力的研究,推导出液动压承载力与抛光液黏度、抛光工具速度、抛光间隙以及抛光工具盘结构参数如单元长度、单元宽度、形状系数等的解析模型.数值模拟研究获得了影响液动压悬浮抛光工具盘承载力大小的主要因素,液动压抛光工具盘的斜面升高比和斜面占长比对承载力的数值大小存在极值条件,承载力与抛光工具盘速度和单元长度成正比,承载力与单元宽度的平方成正比并与加工间隙的平方成反比,单元宽度和加工间隙对承载力数值大小的作用最为显著.     

离心泵叶轮中固液两相流动的数值模拟

针对绿液输送过程中，析出的结盐颗粒物堵塞泵内部流道这一现象，从弄清离心泵叶轮中固液两相流的流态出发，分析叶轮内部流场对结盐的影响。通过商用软件fluent6．1．22，利用混合模型对叶轮内部不可压固液两相流动进行了数值模拟。根据计算结果，对叶轮中两相紊流的速度分布、压力分布进行了分析，初步了解泵在输送含结盐颗粒的固液两相流时，结盐颗粒对液相流场的影响。     

线性液动压抛光加工的流体动压特性研究

基于流体动压润滑原理提出了线性液动压抛光加工方法。借助计算流体力学数值模拟，研究了抛光辊子结构和加工工艺参数对液动压力大小及分布均匀性的作用规律。结果表明：具有矩形微结构的抛光辊子可以在工件表面产生均匀的液动压力；更大直径的抛光辊子、更高的转速和更小的抛光间隙都可以获得更大的流体动压力，但同时也会使液动压力分布均匀性变差。搭建实验平台并进行抛光实验，线性液动压抛光加工后，K9玻璃表面粗糙度Ra值从45.41 nm降低到0.91 nm。     

基于均匀设计和遗传算法的液动压悬浮抛光工艺参数优化研究

针对液动压悬浮抛光流场压力均匀性优化问题,研究了悬浮抛光加工过程中工艺参数对加工区域动压力的影响;采用计算流体力学(CFD)和均匀设计方法求解了不同工艺参数下加工区域的压力均值和压力标准差;采用多元非线性回归方法建立了工艺参数与压力均值、压力标准差的拟合数学模型;通过遗传算法对工艺参数进行了优化;通过数值模拟和加工实验对比研究了优化前后的压力分布和加工效果。研究结果表明:所选的工艺参数与压力均值、压力标准差有非线性回归关系,最优工艺参数为h=285μm,ω=1 300 r/min,φ=0. 12,在该参数下工件区域的流场压力均值最大,压力标准差最小,有助于快速均匀地去除材料。     

固液两相流离心泵内颗粒运动规律的数值研究

针对分析固相参数对颗粒在流道内运动规律影响的问题,对不同固相参数工况下流道内颗粒运动轨迹、固相速度分布和颗粒雷诺数分布规律进行了研究,对颗粒直径以及颗粒浓度对颗粒运动规律影响进行了归纳。应用RNG k-ε湍流模型以及离散相模型进行了离心泵内部固液两相流场数值模拟。研究结果表明,颗粒与蜗壳碰撞的次数随着直径和颗粒浓度的增大而减少;叶轮流道内,颗粒与叶片发生碰撞的位置在叶片工作面;流道内的固相速度随着直径的增大整体会有减小的趋势;蜗壳和叶轮流道内两相分离严重,两相滑移速度较大。     

液滴与弹性固体表面撞击过程的研究

在工业生产及航空航天领域,经常出现由于液固撞击而造成固体材料侵蚀的现象,为了防止固体材料侵蚀破坏,就必须准确全面地了解液固撞击过程、推导了可用于研究液体——弹性体撞击问题的非线性耦合波动模型,并将其应用于不同粒径、不同撞击速度的液滴与弹性固体撞击过程的模拟。大量的数值模拟发现,量纲一化以后,不同粒径的液固撞击过程是相似的。此外,还对不同撞击速度的液固撞击过程进行了研究,给出了最大量纲一压力,最大量纲一等效应力以及最大等效应力点位置随时间的变化。最后在大量计算结果的基础上总结出了量纲一峰值等效应力随撞击马赫数的变化规律,为液滴侵蚀固体表面问题的研究提供了有力的基础。     

线性液动压抛光装置设计及其动压力分布研究

针对以往液动压抛光装置中存在的压力较小、不均及离心力无法消除的问题,提出了一种线性液动压抛光方法。基于液体动压润滑理论,该方法在抛光液浸没环境中,以高速旋转的辊子带动抛光液对工件表面进行了材料微量去除;同时,设计了一种新型抛光辊子,并在辊子表面设计了不同形状的沟槽,加强了液动压效应;利用CFD软件,对抛光环境下的流体进行了数值模拟,得出了线性液动压抛光的流体压力分布,并与前人的研究结果进行了比较。研究结果表明:新装置所能形成的液体动压力明显大于以往装置,该线性抛光方式能够提高加工区域的流体压力,并能改善压力不均及离心力等问题,更好地满足超精密抛光的需求。     

余弦光-液耦合喷嘴参数优化及射流抛光实验

采用流体力学模拟方法,建立了非淹没射流的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,研究了在紫外光诱导纳米颗粒胶体射流抛光过程中,使用参数优化前后的余弦光-液耦合喷嘴进行抛光加工的冲击动力学,对比分析了在非淹没射流下参数优化前后余弦光-液耦合喷嘴流场分布的能量特征以及压力分布情况,并使用参数优化后的余弦光-液耦合喷嘴对单晶硅材料表面进行抛光实验。仿真结果表明,胶体束在参数优化后的喷嘴内能够获得更大的出口速度,其最大值v=146. 621 m/s;抛光实验结果表明,相较于抛光前,抛光后的工件表面粗糙度降低了2. 78 nm。     

基于ABAQUS的单个颗粒与加工面碰撞对固液两相流加工的影响研究

针对固液两相流加工过程中磨粒如何影响加工效果的问题,提出了磨粒与工件之间的摩擦状况是直接影响抛光过程与抛光质量的重要因素的假设。根据实际加工的实验材料数据,利用ABAQUS非线性有限元分析软件,研究了单磨粒对工件表面的接触作用与材料去除的关系;然后搭建了固液两相流实验平台,对试验钢条进行了软性磨粒流加工。实验结果表明,加工表面的磨损分布比较均匀,表面的粗糙度明显降低,体现了固液两相流加工的有效性。研究结果表明,实际加工中加工表面在受到水平切削力和竖直挤压力共同作用下,产生了塑性变形继而发生切削磨损,最终提高了加工表面的抛光效果,达到了镜面级加工效果的目的,同时通过使用ABAQUS软件可从微观直接说明固液两相流无工具精密加工机理。     

气液固三相湍流环境中气泡破裂对SiC颗粒的影响研究

为解决气液固三相磨粒流抛光加工中气泡破裂对Si C颗粒运动的可控性研究等问题,研究了气液固三相流中近壁面微纳米气泡破裂对周围流场和颗粒的影响,采用Fluent软件中多相流体体积模型与可实现k-ε湍流模型,建立了气液固三相颗粒流气泡破裂动力学模型,得到了气泡破裂对壁面和颗粒的作用规律。利用流场中气泡破裂产生的高速射流对周围颗粒的扰动作用,提高了颗粒切削工件表面动能。研究结果表明:气泡初始直径越小或气泡与颗粒之间的距离越小,都使气泡破裂所产生的局部射流对周围颗粒的影响越大;可为流体精密加工、空蚀、气泡可控性研究提供参考。     

颗粒对渣浆泵内部流场影响规律的研究

利用计算流体动力学软件FLUENT对一离心式渣浆泵内部流场进行数值模拟,分别计算了渣浆泵在6种不同颗粒直径、5种不同的进口初始固相浓度的两相介质工况下的内部流场,分析比较了不同工况下叶轮及蜗壳内的压力、固相浓度和速度分布,得出了颗粒直径和初始固相浓度对泵内部流场的影响规律。     

耦合超声场的气液固三相磨粒流多物理场数值模拟研究

针对气液固三相磨粒流抛光研究中流场分布不均问题,对气液固三相磨粒流中的湍流分布、湍流峰值分布、能量分布、温度分布和加工质量等方面进行了研究,对气液固三相磨粒流的抛光方法和抛光问题进行了归纳,提出了一种耦合超声场的气液固三相磨粒多物理场数值模拟方法,利用超声场的交变声压增加了气液固三相磨粒流流场的扰动,改变了流场分布。研究结果表明:不同的超声频率和声压幅值会带来不同的流场分布,其中频率为20 k Hz、声压幅值为30 k Pa的超声场所得的流场分布最优。该研究成果对气液固三相磨粒流抛光方法的推广与实际运用具有重要意义。     

液浮转子式陀螺的间隙流场

研究了液浮转子式陀螺仪转子在高速转动时其间隙流场的流动状态.采用计算流体力学中的雷诺应力模型,对陀螺仪转子与定子间的封闭流场进行数值模拟,并运用粒子成像测试技术(Micro PIV)观测运动流场,测量液浮陀螺的间隙流场速度.模拟结果表明,转子上下表面与侧壁面均形成了不同类型的二次流动,该现象随转速及空间尺寸的增大而增强;当转速增大到7500 r/min时,二次流速可达到0.3 m/s,故减小空间尺寸有利于提高转子的运动稳定性.另外,文中给出了运用粒子成像测试技术(Micro PIV)得到的流场矢量分布与流线分布图.实验证实,Micro PIV测试技术可实现对转子转速在0～1000 r/min内的流场速度的精确观测,满足限域空间内对高速运动流场的非接触测量要求.