冲蚀与空蚀交互磨损三相流场仿真与试验研究

基于计算流体力学方法,数值研究在模拟水轮机工况下,冲蚀与空蚀交互作用时,试件表面上汽液固三相流场的动力学特性(压力场、速度场、汽相体积比分布),然后在转盘式磨损装置上,进行汽液固三相冲蚀与空蚀交互磨损试验,并对试件微观形貌进行分析。结果表明:数值分析得到试件表面最小和最大压力值、气泡速度最大值和汽相比例最大值均出现在空化孔附近,其他位置基本不变,说明空化孔附近交互磨损比单一空蚀磨损严重。就某一空化孔而言,顺着转盘旋转方向的孔边某一夹角展开区域汽相比例较大,并且出现最小和最大压力;从试件微观磨痕分析,其上存在短程犁沟和空蚀孔,磨痕呈现规律性。仿真的气泡轨迹和试件磨痕基本一致,数值计算结果和试验结果吻合得较好,从而证明了数值分析的正确性和合理性。上述数值仿真为揭示流体机械过流部件冲蚀与空蚀交互作用磨损机理奠定了基础。     

Tribological Studies on Fracture and Erosion of Nanostructures

We present a variety of scanning force microscope experiments concerning fracture and wear mechanisms of microfabricated nanotowers. The scanning force microscope tip is used as a tool to apply well-defined forces to the surface of the patterned substrate that consists of a two-dimensional array of nanotowers. Detailed studies reveal two different wear mechanisms: erosive wear of the nanotower from the top and fracture of the structure at its bottom. Using optimized parameters, a controlled removal of individual nanotowers and the ability to create predefined patterns on the nanometer scale can be achieved.     

Experimental and Simulation Studies on Cold Welding Sealing Process of Heat Pipes

Sealing quality strongly affects heat pipe performance, but few studies focus on the process of heat pipe sealing. Cold welding sealing technology based on a stamping process is applied for heat pipe sealing. The bonding mechanism of the cold welding sealing process (CWSP) is investigated and compared with the experimental results obtained from the bonding interface analysis. An orthogonal experiment is conducted to observe the effects of various parameters, including the sealing gap, sealing length, sealing diameter, and sealing velocity on bonding strength. A method with the utilization of saturated vapor pressure inside a copper tube is proposed to evaluate bonding strength. A corresponding finite element model is developed to investigate the effects of sealing gap and sealing velocity on plastic deformation during the cold welding process. Effects of various parameters on the bonding strength are determined and it is found that the sealing gap is the most critical factor and that the sealing velocity contributes the least effect. The best parameter combination (A ₁ B ₃ C ₁ D ₃, with a 0.5 mm sealing gap, 6 mm sealing length, 3.8 mm sealing diameter, and 50 mm/s sealing velocity) is derived within the experimental parameters. Plastic deformation results derived from the finite element model are consistent with those from the experiment. The instruction for the CWSP of heat pipes and the design of sealing dies of heat pipes are provided.     

高速正交切削SiCp/Al复合材料切削温度仿真研究

使用ABAQUS有限元软件对高体分SiCp/Al复合材料的颗粒和基体进行分别定义,仿真研究了高速切削复合材料时的温度场,分析了切削过程中切削用量和刀具角度对工件切削温度的影响。结果表明:在切削过程中,与刀具接触位置的颗粒温度较高且应力值较高;SiC颗粒的温度较Al基体的温度低;第一变形区发现一条沿着剪切角方向非常明显的温升带。在稳定切削阶段,与刀尖接触位置的工件温度较高,且应力集中现象总是发生在SiC颗粒上。随着切削深度和切削深度的增加,切削过程中工件的最高温度均随之增加;随着刀具前角和后角的增大,切削过程中工件的最高温度均随之降低。     

聚醚醚酮多元复合材料的摩擦学研究

采用模压法制备了PEEK多元复合材料,用环-块磨损实验机对复合材料进行了磨损试验,用SEM方法对复合材料的磨损表面进行了观察和分析,并利用DSC、红外光谱（FTIR）和SEM分析方法对复合材料的磨屑进行了研究,并探讨了复合材料的磨损机制。结果表明：与PEEK相比,复合材料具有优良的摩擦学性能;PEEK复合材料磨屑的熔点比相应模压材料有所降低,且磨屑的熔限比相应的模压材料有所加宽;随着Ekonol含量的增加,复合材料的磨损机制发生了由粘着磨损为主向疲劳磨损为主的转变;通过磨屑形貌分析和对磨损表面的观察与分析所得的关于复合材料的磨损机制的结论是一致的。     

SiC_p/Al复合材料薄壁件断裂损伤仿真研究

利用有限元仿真软件ABAQUS对体积分数为56%的Si C_p/Al复合材料薄壁件进行切削加工仿真,研究了切削加工过程中不同切削深度对工件产生裂纹的位置和出现裂纹时工件顶部变形量的影响规律。结果表明:切削深度的改变会对工件产生裂纹的位置和出现裂纹时工件顶部变形量有不同的影响,其中切削深度在1mm左右会使工件上出现裂纹的位置急剧改变,裂纹出现位置从工件的中部变化到工件的下部,增大切削深度后裂纹的位置集中出现在工件下部区域;而切削深度改变,在工件上出现裂纹时,工件顶部的变形量没有太大变化,主要集中于0.7mm左右,这主要是Si Cp/Al复合材料内部Si C颗粒数量多、粒径大使得自身协调变形能力差的缘故。     

30CrMo合金钢的冲蚀磨损性能研究

采用自制的喷射型冲蚀磨损试验机,研究在水力压裂工况下,高速携砂液对高压管汇材料30CrMo的冲蚀磨损作用,分析冲蚀磨损机制以及冲蚀角度和冲蚀速度对30CrMo合金钢冲蚀性能的影响。结果表明,30CrMo合金钢在高速粒子冲击下,其耐冲蚀磨损性能表现一般,属于典型的金属塑性材料;冲蚀角度为30°时,30CrMo的冲蚀磨损量最大;30CrMo的磨损机制与冲蚀角度有直接的关系,冲蚀角度小于30°时,冲蚀磨损机制以切削模型为主,大于30°时以局部塑性变形模型为主;冲蚀磨损量随冲击速度增加而显著增加,在高速冲击时,30CrMo钢的冲蚀磨损较为严重。     

冲蚀与气蚀复合磨损试验装置及其试验研究

在分析典型含沙水流的冲蚀、气蚀磨损试验设备和方法的基础上,针对我国水力机械和水工建筑的特殊损伤破坏形式提出了基于射流的水下冲蚀与气蚀复合磨损试验设备和方法。实验室泥沙冲蚀与气蚀复合磨损模拟试验结果表明,该试验装置设计合理,可以在较短时间内获得试验数据。对2种典型的耐磨不锈钢材料进行了冲蚀磨损试验研究,发现2种材料在冲蚀磨损过程中伴随有气蚀作用机制,材料损伤的实质是冲蚀与气蚀的复合磨损。     

Some Views on the Mapping of Erosion of Coated Composites In Tidal Turbine Simulated Conditions

This article presents a study of the erosion resistance of coated and uncoated polymer matrix composites for tidal turbine conditions. It focuses on the development of comparative erosive wear mode and mechanism maps for such materials. In our earlier work, testing of glass-fiber-reinforced polymer composites for tribological applications in marine simulated conditions, several erosion-related issues were highlighted. The combined effects of the NaCl solution and sand dramatically enhanced the erosive wear of the uncoated specimens. In order to address those issues, an erosion-resistant polymeric coating was applied to the composite and tested in marine simulated conditions with an extended range of sand particle size. The test results of the uncoated and coated composite have been compared in this research by erosive wear mode and mechanism maps techniques. These maps reveal that the coating has enhanced the erosion resistance. These findings provide significant progress toward materials selection approaches to manufacture of tidal turbine blades.     

气动疏水阀冲蚀工况数值模拟及结构优化

采用Eulerian-Lagrangian多相流模型对Y型气动疏水阀的内部流场进行了模拟分析。通过将模拟结果与现场运行的阀门的实际状况进行对比验证了模拟的准确性。研究发现阀门密封处液滴速度大于破坏阈值速度,此处冲蚀损伤严重。为减低阀门冲蚀损伤,提出通过阀内流体中液滴对撞来降低液滴速度方法。基于此思想,在疏水阀密封封面前加装节流套装置。发现液滴速度下降了52%,冲蚀损伤大幅下降且位置远离密封面,但质量流量下降到无节流装置的56.5%。为了提高质量流量,进而提出采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯的设计。模拟计算发现阀门液滴最大速度为78.6 m/s,仅为无盘片阀门的46%,同时的质量流量为未加盘片阀门的78.2%。采用循环对流式迷宫式盘片组件作为阀芯的疏水阀适用于冲蚀严重的工况。     

纳米SiO_2、玻璃微珠共混改性UHMWPE复合材料空蚀性能研究

通过模压成型工艺制备纳米SiO2、玻璃微珠颗粒共混改性UHMWPE复合材料,采用MRH-5A型环块磨损试验机研究载荷以及玻璃微珠含量对UHMWPE复合材料摩擦磨损性能的影响,利用转盘式空蚀磨损试验装置对复合材料进行空蚀磨损试验。结果表明,适量的纳米SiO2和玻璃微珠颗粒填充可以提高UHMWPE硬度,有效地改善UHMWPE的摩擦磨损性能和抗空蚀性能,质量分数10%纳米SiO2和2%玻璃微珠改性UHMWPE复合材料抗空蚀性能是纯UHM-WPE的3倍。     

纤维补强陶瓷的制备及性能测试

通过对纤维补强陶瓷的制造工艺分析及其主要力学性能的实验研究，认为工业陶瓷通过纤维补强等工艺手段，可有效地提高陶瓷的抗压强度和降低陶瓷的热膨胀系数，并从机理上找出这一现象产生的原因。     

纤维补强陶瓷机械性能的实验研究

本文通过对纤维补强陶瓷的主要机械性能的实验研究,以及利用一套实验室已有的设备对材料的热膨胀系数的测定,认为工业陶瓷通过纤维补强等工艺手段,可有效地提高陶瓷的抗压强度和降低陶瓷的热膨胀系数,并从机理上找出这一现象产生的原因。     

异面三通管冲蚀磨损的数值模拟研究

在管道输送过程中,油品中夹带的微小固体颗粒会对管道壁面产生冲蚀磨损。采用DPM冲蚀预测模型,模拟在不同流速、不同颗粒直径、不同质量流量下管道的冲蚀分布规律,预测异面三通管中受冲蚀磨损比较严重的区域。结果表明:固体颗粒对异面三通管的冲蚀主要集中在三管交汇处的弯面、水平管段的上侧管壁以及两水平管的交汇处,对管道弯头底部的冲蚀较小;管道的最大冲蚀率随流体入口速度的增大呈指数增长;管道的最大冲蚀率随颗粒直径的增大开始时缓慢增大,当颗粒直径增大到一定值时管道的最大冲蚀率随之呈线性增长趋势;管道的最大冲蚀率随着颗粒的质量流量的增大且呈线性增长。     

橡胶-帘线增强复合材料的本构模型及数值模拟

针对有两族帘线的橡胶—帘线增强复合材料,基于Spencer的连续介质力学不变量理论,提出了一种非线性超弹性本构模型。通过引入两个帘线排列方向的结构张量把单位体积的自由应变能分解为便于参数识别的体积变形、等容变形和各向异性变形三部分。分别用纯橡胶单轴拉伸实验,沿帘线方向单轴拉伸实验数据拟合得到等容变形和各向异性变形的材料参数。通过COMSOL弱形式偏微分方程,对橡胶-帘线增强复合材料在有限变形下的单轴拉伸进行数值模拟。预测了帘线在不同排列方向条件下的力学性能,为轮胎的力学分析打下了坚实的基础。     

颗粒浓度对离心风机磨损的影响规律数值研究

当含尘气体经过除尘设备净化后,粉尘粒径已经很小,在两相流中更多的表现出流动性,颗粒浓度成为影响叶轮磨损的重要因素。由此,可基于雷诺应力湍流模型和Tabakoff and Grant的磨损模型,对离心风机叶轮中气固两相流进行数值计算,得到不同粒径的颗粒在不同的入口浓度条件下对风机压力面的磨损位置、形态和磨损率。研究结果表明,磨损位置与粒径大小有关,颗粒数量浓度对磨损率的影响远高于质量浓度对磨损率的影响。     

Assessment of Erosion Resistance of Coated Polymer Matrix Composites for Propulsion Applications

The erosion behavior of tungsten carbide-cobalt (WC-Co) coated and uncoated polymer matrix composites (PMCs) was examined with solid particle impingement using air jets. Erosion tests were conducted with Arizona Road Dust impinging at 20°, 60°, and 90° angles at a velocity of 229 m s^–1 at both 294 and 366 K. Noncontact optical profilometry was used to measure the wear volume loss. Results indicate that the WC-Co coating enhanced erosion resistance and reduced erosion wear volume loss by a factor of nearly 2. This should contribute to longer wear lives, reduced related breakdowns, decreased maintenance costs, and increased product reliability.     

弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟

针对流体输送管道失效研究中存在的问题,主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机理。建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler, ALE)描述下的粘性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用。以弯管的冲蚀失效为例,结合弯管的结构特性、多相流的物性参数,运用ANSYS有限元分析软件,采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合数值模拟,分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态,判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势;现场测厚数据与仿真计算结果基本吻合,验证仿真计算的可靠性和可行性,该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造。     

三维编织复合材料拉伸性能试验研究

通过单向拉伸试验 ,从宏观角度研究了三维编织复合材料的力学行为。研究选用了两种增强纤维、两种编织角、两种纤维体积含量等不同工艺参数所组成的 16组试样 ,进行力学性能试验 ,探寻三维编织工艺参数与力学性能之间的关系 ,确定适合于编织复合材料的力学性能试验方法     

冲击力仿真计算与试验研究

根据接触力学理论,应用虚拟平台,对冲击试验机冲击过程进行了仿真模拟和计算,得出了冲击力随时间变化的具体曲线,并和实际的冲击试验数据进行了对比,分析总结了两者的差别.