基于水平集方法的软性磨粒两相流场特性分析

为了解决模具结构化表面精密加工(SAFM)过程中软性磨粒两相流场特性参数难以求解的问题,提出一种基于水平集法 (LSM)的磨粒流场特性分析方法. 基于LSM结构拓扑变换原理,结合流体体积模型(VOF)计算方法,建立面向软性磨粒两相流湍流流型分析的动力学模型. 通过高阶TVD Runge-Kutta、迎风格式以及高阶本质无振荡(ENO)方法分别对水平集时间项和空间项进行离散,且利用N-S方程和压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,实现软性磨粒两相流场的压力、速度等特性参数的求解. 以工程中常见的90°方形弯管为具体仿真实验对象,研究软性磨粒两相流流经管道过程中的速度场与压力场变化. 实验结果表明,数值计算结论与直管处速度场试验结果是一致的,验证了该方法的有效性,为软性磨粒流精密加工方面的研究提供了可靠的理论依据.     

软性磨粒流加工方法及近壁区域特性

为了解决模具细微结构化表面难以光整加工的问题,提出固 液两相软性磨粒流（SAF）无工具精密加工方法.通过为结构化表面配以约束模块,以构建磨粒流湍流流道,利用软性磨粒流与被加工表面的“无缝”接触特性及壁面效应,实现模具表面的无工具无死角光整加工.以Nikuradse实验方法为理论依据,分析软性磨粒流中固体相在近壁区的运动学和力学特性,得到适用于软性磨粒流加工的摩擦系数公式.采用标准k-ε模型和欧拉多相流模型对软性磨粒流进行数学描述;利用压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,对不同入口速度时流道内的固体相压力分布进行数值分析研究.数值模拟结果表明,软性磨粒流固体相的压力衰减程度与入口速度成反比,并且固体相在流道内的运动轨迹呈无序状态.利用动态分析三维显示系统对流道内的颗粒运动轨迹进行实验研究.结果显示,固体颗粒运动轨迹呈无序漩涡状,符合湍流形态的运动规律.搭建软性磨粒流加工平台并进行加工实验.实验结果表明,采用软性磨粒流的加工方法能够使工件表面粗糙度达到61.8 nm.     

基于剪切应力输运湍流模型的两相磨粒流动力学特性研究

为了解决软性磨粒流加工方法(SAFM)中磨粒流动力学特性难以进行实验的问题,提出一种基于剪切应力输运(SST)湍流模型的数值模拟研究方法。该模型继承了k-ω模型和标准k-ε模型的优点,对近壁区有较高的仿真精度。利用SST湍流模型与流体混合模型相结合的方法,以工程中常见的U形流道作为数值模拟对象,对磨粒流动力学特性进行研究。分析数值模拟结果,得到流道内磨粒流的压力和速度的分布规律：楔形流道内,磨粒流的压力相对于等截面流道明显增大,并且楔形流道内湍流程度一直处于发展状态。设计了颗粒轨迹观测实验平台,基于该平台对流道内颗粒轨迹进行研究发现：虽然流体在壁面处的速度为0,但流体中的颗粒依然对壁面产生碰撞。通过理论与实验研究,揭示了流道内两相磨粒流动力学特性,为软性磨粒流加工提供了理论基础,并提供了约束模块的设计方法。     

钢带并联机器人力学失稳机理

为了发展新的并联机构形式,提出一种以圆弧弯曲截面钢带作为运动支链的6自由度钢带并联机器人机构形式。简要阐述钢带并联机器人结构组成与工作原理。采用基于变分原理的有限元静力学理论和线性屈曲分析理论建立求解钢带失稳临界力的屈曲方程。利用有限元软件ANSYS对不同结构参数的截面由圆弧弯曲形状过渡到平直形状的钢带进行失稳分析,得到钢带能承受的失稳力与结构参数的关系,并进行试验验证。对钢带并联机器人在平移运动位姿下的整机失稳机理进行系统研究,得到不同位姿参数与钢带并联机器人失稳临界力的关系。研究结果表明：弯曲截面结构的钢带能承受一定的压力,钢带失稳力随钢带圆弧截面中心角、钢带厚度增大而增大,随钢带长度增大而减小。对于机器人动平台作上升运动,在500 mm的高度,失稳临界力最大。而对于沿Y轴平动或沿=60平动且100 mm200 mm的范围,对于沿极径=500 mm平动且1020的范围,失稳临界力均比较大。研究成果能用于优化钢带并联机器人的结构设计及确定刚度工作空间。     

基于改进的低雷诺数湍流模型的软性磨粒流加工仿真与实验

针对模具结构化表面软性磨粒流精密加工中壁面特性求解困难的问题,基于改进的低雷诺数湍流模型提出了一种对软性磨粒流壁面特性进行分析的方法。该模型仿真的湍流可以从充分发展的高雷诺数湍流到低雷诺数湍流,所以,对于壁面区域的求解精度更高。以机械加工中常见的U形沟槽为仿真对象,数值模拟了其内部流场,尤其是壁面区的流场特征参数。分析结果表明:当初始压力p0在2.5～4.5MPa之间时,流道的内部流动是不完全发展的湍流,详细分析了p0为4.5MPa时渐变截面流道的内部流动,压力与速度分布均是中心高、两侧低,而且越靠近U形底部,压力值和速度值越高;磨粒流速度一直增大,磨粒受到的驱动力增大,使得单位时间内颗粒与壁面的碰撞增加。通过碰撞观测实验发现磨粒对壁面的碰撞速度与仿真结果相符,加工实验进一步验证了仿真结果。     

一种手持式智能化故障诊断仪的实现

提出了一种基于ARM9和MSP430的手持式智能化故障诊断仪的实现方案，并对系统的硬件架构和软件体系设计进行了相关研究与讨论。该套仪器系统采用电池供电的节能设计，能够实现实时数据采集、在线状态监测、专家系统诊断等功能，界面友好，易于操作。     

结构化表面软性磨粒流精密光整加工方法及其磨粒流动力学数值分析

提出一种基于软性磨粒流的模具结构化表面无工具精密光整加工新方法,通过在被加工的结构化表面附近配置约束模块,使结构化表面成为一条截面几何形状可设计的约束流道的内壁面,利用液固两相软性磨粒流在约束流道内的湍流壁面效应实现对约束流道内壁面的微力微量切削,从而克服光整加工工具难以接触结构化表面的困难,完成对结构化表面的无工具化精密光整加工.基于液固两相流体耦合理论,建立面向结构化表面精密加工的约束流道内液固两相磨粒流动力学模型,利用标准k-ε湍流模型和离散相模型相结合的求解方法,以环形截面约束流道为研究对象,选择不同的约束模块配合参数,对流道内压力/速度分布及湍流动能进行数值分析研究,通过该数值分析方法,可以观察约束流道进口压力、入口与出口截面尺寸的相对变化等工艺参数对湍流形态的影响,为研究软性磨粒流湍流形态调控的基本规律和磨粒流特性提供一种理论工具.     

模具结构化表面SAF精密光整技术

针对模具结构化表面难以采用传统抛光工具实现精密光整加工的问题,提出了一种基于软性磨粒流(SAF)的模具结构化表面无工具精密加工新技术.该技术通过约束模块与结构化表面组合构成特定形状的磨粒流流道,利用SAF在流道中的湍流流动使磨粒对结构化表面进行微力微量切削,进而实现光整加工.介绍了SAF加工技术原理、SAF流体力学特征...     

软性磨粒流超声强化机理及试验研究

针对固液两相软性磨粒流加工时间长,效率低的缺陷,提出一种软性磨粒流超声强化方法。该方法基于流场的欧拉-欧拉多相流模型和k??双方程湍流模型,将Navier-Stokes方程的声场模型与流场模型进行耦合。利用CFD流体分析软件,在有无加载超声波的两种情况下,对两者流场内的压力、速度及湍动能等相关参数进行对比研究分析,通过流体方程的求解得到流道内磨粒流的压力和速度分布情况。运用canny边缘检测算法对模拟图进行轮廓提取,结合Bwmorph等功能函数对轮廓图降噪去毛刺,得到处理后的数值模拟分析图,在数值模拟的基础上,利用粒子成像测速(Particle image velocimetry,PIV)系统观测流道内的流场变化,同时设计软性磨粒流循环加工系统,搭建其试验平台,对有无加载超声波两种情况下的加工效果进行对比试验。数值模拟和试验结果显示:数值模拟中加载超声波的矩形流道出现了大量速度较小、压力较大的空化区域,不断发展撞击壁面,并且数值模拟结果与PIV试验结论相一致;超声波作用于软性磨粒流,明显缩短了加工时间、提高了加工精度及效率。     

基于格子Boltzmann的混合过程建模与流致振动特性

为了探究静态混合过程中的内流冲击与流致振动特性,提出结合大涡模拟(LES)方法的介观多速度分量格子Boltzmann流固耦合模型.针对静态混合过程伴随强剪切、回流反冲、壁面冲击等特点,以静态混合器为研究对象,对静态混合过程建模,并提出流场-结构场弱耦合求解策略.通过此方法研究静态混合器不同位置位移形变、不同入口速度和不同静态混合器叶片夹角对管壁振动响应的影响.结果表明,叶片作用可以将流体轴向速度转换为切向和径向速度；在入口流速相对较大时,内部流场对静态混合器的振动频率及振幅的影响较为明显；改变混合叶片夹角,会影响流场剪切引流作用,对其纵向位移和轴向位移影响显著,且主要影响低频段.