斜入射法测量蓝宝石基片仿真分析与实验

为获取具有微米量级变化的蓝宝石基片的面形分布,采用斜入射法拓展数字干涉仪测量范围。根据斜入射测量原理,推导了斜入射角、平面面形偏差与系统波像差之间的关系。通过Zemax构建了斜入射测量仿真光路,研究了面形偏差及入射角度对检测结果的影响。通过仿真实验得出最佳斜入射角度等关键参数,并在斐索干涉仪上测量了直径为100 mm的蓝宝石基片,测量结果的PV为5.182μm,RMS为1.251μm。研究了斜入射角对分辨率、灵敏度因子、条纹对比度的影响。研究表明,斜入射角为70°时,适宜测量矢高值≤5μm的蓝宝石基片,引入误差小于0.1μm,测量范围是正入射测量范围的1.46倍,且能获得适宜的条纹对比度。     

基于两相介质理论天然气水合物超声探测分析

针对海底裸露的块状天然气水合物的超声波识别探测问题,提出基于双相多孔介质理论的天然气水合物声场计算方法。对“海水-天然气水合物”模型进行超声波传播特性的仿真分析,并研究相关参数对天然气水合物吸收特性的影响规律。研究结果表明：当超声波频率设置为20 kHz以上时,天然气水合物的声波吸收系数随着频率的增加而增加;天然气水合物的饱和度越高,固相平均密度越小,吸收系数越高;孔隙度越高,吸收系数也越高;而同一入射频率下,孔隙大小对吸收系数的影响则相对有限;同一入射频率下,入射角度越大,吸收系数越小,当入射角度大于60°时,几乎不能获得含有有效信息的回波信号。     

离子束加工光学镜面的材料去除特性

分析了离子束加工光学镜面的材料去除效率、加工损伤厚度以及表面热效应等材料去除评价指标。基于Sigmund溅射理论,分析了此三个评价指标与离子入射角度和离子能量等加工参数的关系,建立了相关模型。以石英玻璃为例,利用TRIM软件仿真离子溅射过程,分析理论模型各参数,具体研究了三个评价指标与离子能量和入射角度的关系。结果表明:材料去除效率随离子能量的增大而缓慢增大,随入射角度增大而显著增大,60°时的去除效率约为0°时的4.5倍;加工损伤厚度随离子能量增大而近似呈线性增大,随入射角度增大而减小;热效应随离子能量近似呈线性增大,而随入射角度增大而减小。因此,离子束加工工艺过程中,应尽量增大离子束入射倾角来同时提高这三方面的指标。     

胶瘤入射角度对单搭胶接接头拉剪强度和应力分布的影响

通过试验研究了胶瘤入射角度对单搭胶接接头拉剪强度的影响,并建立了相应的有限元模型,分析了胶瘤入射角度对接头中剪切应力和剥离应力分布的影响。结果表明:当胶瘤入射角度为0°时,接头中剪切应力和剥离应力的峰值均很高;随着胶瘤入射角度从30°增加到90°,接头端部剪切应力和剥离应力的峰值先增大后减小;当胶瘤入射角度为30°时,剪切应力和剥离应力均相对较小,而接头的拉剪强度最大;有限元模拟结果与试验结果基本一致。     

高温铸锻件内部温度场电磁超声重构方法研究

针对高温严苛条件下铸锻件内部温度场非接触测量困难这一问题,提出了基于弯曲效应和三角形前向展开法的高温铸锻件温度场非接触电磁超声斜入射横波重构方法。结合数值仿真和730℃电磁超声检测实验,对直入射横波的三角形追踪数学模型进行了验证,并研究了声束入射角、温度梯度对斜入射横波的传播路径和渡越时间的影响,比较了不同入射角的斜入射横波的温度灵敏度系数。结果表明:基于三角形前向展开法的高温锻件温度场直入射横波重建误差在3%以内。当采用斜入射横波时,声线传播路径受温度梯度、入射角度的影响较大,且对温度梯度的变化更加敏感,无论使用横波渡越时间还是横波出射点位置偏移量均可重构高温铸锻件的内部温度场。     

涂装烘干工艺车间风幕特性研究

针对涂装高温烘干室车辆连续进出操作的需求,在进口处设计一种隔断内外空气泄漏的顶吹式风幕.利用数值仿真的方法,研究某顶吹风幕热力参数对密封效果和节能特性的影响规律.研究结果表明:随着风幕入射角度的增大,实现密封效果所需要的最小风速有所降低;尽管提高风幕入射角度,所对应的最小密封风速较低,但是车间入口处的温度明显提高,热能浪费严重;此外,相比入射风速变化的影响,风幕入射角变化对密封效果的影响更为显著.在无车辆进出条件下,风幕入射速度为12 m/s、入射角度为45°时,可以同时达到较好的密封和节能效果.     

高压水射流切割粘釜物的实验分析

为研究不同高压射流参数作用下粘釜物的切割清除效果,开展了粘釜物的高压水射流切割清除实验研究。实验以切割深度及切割宽度为衡量目标,研究了入射角、靶距、横移速度和出口压力4个射流参数对切割清除效果的影响,通过正交实验实现了射流参数的优化。结果表明:切割深度和宽度均随出口压力增加而增大,随横移速度增加而减小;而靶距接近初始段长度,入射角度为30°时切割深度及宽度达到最大值;正交实验表明,射流参数对切割深度的影响效果顺序依次为横移速度、入射角、出口压力、靶距;当前工况的最佳射流参数组合为:横移速度7.5 mm/s,入射角30°,出口压力值120 MPa,靶距15 mm。研究结果为工业现场清釜作业提供了实验依据及技术支持。     

基于电纺直写的图案化微纳结构喷印技术

研究了利用电纺直写技术进行图案化微纳结构可控喷印沉积的方法,该方法利用喷头与收集板之间的稳定直线射流来实现有序纳米纤维的直写制造。分析了电纺直写射流在静止收集板和移动收集板上的沉积行为;探究了工艺参数对电纺直写微纳结构定位误差的影响规律。实验显示:在内部应力和电荷排斥力的作用下,射流会产生弯曲螺旋从而引导纳米纤维在静止收集板上逐层叠加形成三维微结构;提高收集板运动速度可克服射流螺旋鞭动,获得无螺旋结构的直线纳米纤维。根据设计图形分别电纺直写了方波、多圈矩形纳米纤维图案,分析了直写图案尺寸与设计图案尺寸间的误差。结果显示:电纺直写纤维图案定位误差随着收集板运动速度、喷头至收集板距离、施加电压、收集板运动距离的升高而增加;优化实验条件和试验参数,电纺直写微纳结构定位误差可优于10μm。实验验证了微纳结构图案的精确喷印沉积有助于提高电纺直写技术的控制水平。     

喷嘴参数对射流电沉积区域流场的影响

针对采用射流电沉积加工精度不高,沉积面积不易控制,沉积层均匀性差等问题,分析了长孔形射流喷嘴参数对沉积区域及沉积轮廓的影响。通过建立系统流体动力学模型,研究了长孔形喷嘴截面倾斜角度及喷嘴腔体长度对沉积区域流场的影响,探讨了在电场流场耦合作用下沉积层的轮廓分布状况。仿真结果表明,随着喷嘴截面倾斜角度由30°～70°不断增大,喷嘴出口处沉积液的定域范围可以缩小3 mm左右,定域性明显提高;而随着喷嘴腔体长度由40～80 mm增长,流体速度、压力和定域性的变化不大;沉积层厚度在喷嘴正下方区域最大,然后由中心向两边逐渐对称变薄。根据仿真参数加工出喷嘴并通过实验验证,实验结果与仿真结果基本吻合。     

曲面构件斜入射SV波EMAT辐射声场特性分析

为了解决曲面构件的凹凸检测面的曲率半径对斜入射垂直剪切波(SV波)电磁超声换能器(EMAT)的缺陷检测分辨率/灵敏度和定位/定量偏差影响这一问题,建立了基于圆弧曲面(凹面和凸面)检测面的斜入射SV波EMAT辐射声场有限元模型,研究了曲折线圈匝数、弧面曲率对斜入射SV波的主瓣峰值、主瓣宽度、主旁瓣比和入射角的影响,并对仿真结果进行实验验证。结果表明,当曲折线圈匝数相同时,凸面检测面的SV波幅值相比于平面检测面提高34.8%以上,主瓣宽度减小43.8%;当曲折线圈匝数由10匝增至30匝时,凸面检测面的SV波幅值提高42.3%,主瓣宽度减小43.6%;凸面检测面的SV波声场特性均优于平面和凹面;曲面曲率半径对斜入射SV波主瓣峰值、主瓣宽度和主旁瓣比有显著影响。     

新型单元的频率选择表面

通过对传统的十字单元进行改进,设计了一种新型单元的频率选择表面(FSS).利用模式匹配法,从理论上对比分析了传统十字单元FSS和这种新型单元FSS,研究了TE波入射时角度变化和大角度入射时极化方式变化对中心频率的影响,并采用镀膜和光刻技术制备了新型单元FSS的实验样件.在微波暗窜中进行了测试,得到的实验曲线与理沦仿真曲线基本一致.结果表明,传统十字单元FSS不能实现中心频率的角度稳定性,TE波0°～45°的中心频率漂移为300 MHz,并且45°入射时中心频率的极化稳定性很差,漂移量为800 MHz;而新型单元FSS具有中心频率的角度稳定性,TE波0°～45°的入射中心频率漂移量仅为100 MHz,同时对大的入射角度具有中心频率的极化稳定性.     

悬臂梁压电式能量收集器方向性效率的研究

为了研究振动激励方向变化对悬臂梁压电能量收集器(VEH)的电能输出的影响,建立了单悬臂梁能量收集器在任意方向振动激励下的动力学模型以及压电效应的输出模型。振动激励方向根据悬臂梁平面建立的球面坐标系的两个角度参数φ和θ定义,通过理论和仿真分析,发现振动激励方向改变时能量收集器的吸收效率随φ的增加呈余弦变化,随θ的增加呈正弦变化,但φ对收集效率的影响远大于θ的影响。实验表明,θ=0°时,φ从0°增加到90°,吸收效率从理论最高效率的93.52%降低到2.88%,而φ=90°时,θ从0°增加到90°,吸收效率则从2.88%变化到3.88%,得到了悬臂梁能量收集器的输出和激励方向之间的关系,对悬臂梁压电振动能量收集器的设计和研究具有一定的参考价值。     

基于机器视觉技术的研磨表面粗糙度检测

为了对研磨表面粗糙度进行快速在线检测,基于机器视觉技术提出了一种研磨表面粗糙度检测方法,建立了研磨表面粗糙度评定参数体系。该方法利用CCD提取粗糙度Ra在0.012～0.1um之间的研磨表面图像,运用中值滤波、图像边缘增强和图像二值化等对图像进行预处理,然后通过图像特征参数提取研磨表面粗糙度信息,包括灰度均值D和均方根差Sq。试验结果表明,在入射角一定的情况下,入射光越强,D和Sq对粗糙度的变化越敏感;在入射光强一定的情况下,入射角越大,D和Sq反映粗糙度变化的效果越好;与Sq相比,D对于入射光强和入射角的变化更不敏感,具有更强的稳定性。利用图像参数评估研磨表面粗糙程度的最佳实验条件为:入射角70°、入射光强2.0×104lux以上。     

直角坐标激光直写的动态曝光模型

在兼顾胶层的光吸收特性、直写光束的高斯分布特征以及直写光束与胶层相对运动的情况下,建立了直角坐标激光直写的动态曝光模型以有效预测线条的线宽和侧壁角.仿真实验表明:以恒值高斯光强曝光时,该模型与等效仿真条件下的Dill曝光模型仿真结果完全一致.进一步证明了该模型的有效性和正确性,解决了目前在激光直写中存在的只能预测线宽或在忽略光刻胶吸收作用的情况下粗略估计直写线条轮廓的问题.同时,基于该模型分别分析了直写光功率和直写速度对线条轮廓的影响机理,为优化激光直写工艺的加工参量提供了一种有效的分析途径.     

基于FLUENT的高压水射流除锈的流场仿真及射流参数优化

利用高压水射流船舶除锈取代目前的人工打砂除锈势在必行。介绍了水射流的基本结构并根据高压纯水射流除锈的工况,利用计算流体动力学（CFD）方法对高压水射流进行了模拟仿真。通过仿真介绍了流场中高压水射流的特性以及靶面的受力情况。最后,为了达到良好的除锈效果,对高压水射流的靶距和入射角度进行优化,得出在指定条件下最优靶距应为15 ~20 mm,最优入射角度（射流与靶面法线的夹角）应为30°。     

超声兰姆波斜入射裂纹时的散射特性

裂纹是导致众多结构失效的主要原因之一,采用超声兰姆波可有效地对板类结构中的裂纹等缺陷实现定位,但目前的技术尚无法实现对缺陷精细特征的测量.研究超声兰姆波与缺陷的交互作用,可为实现缺陷高精度检测奠定理论基础.采用散射系数矩阵表征弹性波与缺陷的交互作用,对兰姆波斜入射到裂纹时的散射特性进行仿真和试验研究,结果表明其散射场在周向上的分布并不均匀,有明显的波束指向性.随着入射角从0°变化到90°,波束指向角呈非单调性变化,且散射波能量迅速减小.当入射角为0°和90°时,S矩阵有明显的对称性,据此可测量裂纹的扩展方向.利用斜入射时裂纹散射场的特征可以设计合理的成像算法及传感器布置方案,以更有效地实现超声兰姆波对板类结构中裂纹的精细检测.     

五轴曲面铣削的通用表面纹理形貌建模方法

为进一步提高五轴铣削加工曲面纹理形貌仿真建模方法的通用性,同时为考虑刀具姿态角影响及分类的曲面纹理质量评定提供参考,提出了一种基于刀具结构通用参数和通用曲面刀触点坐标系的五轴铣削曲面纹理形貌建模及仿真方法。基于具有通用性的环形铣刀,采用刀具倾斜角?和旋转角θ定义刀具位姿,建立了能够适用于不同刀具及曲面的五轴铣削表面纹理过程的刀具切削刃点表达式。基于离散化思想,结合刀具切削刃点表达式,提出通过几何关系寻找瞬时扫掠四边形内工件网格点来实现曲面纹理形貌仿真。建立了平面和球面两类常用不同几何特征曲面以及不同类型自由曲面在不同刀具姿态角下表面纹理形貌仿真模型,并将平面仿真形貌分为?=0°、?≠0°两类,同时通过平面仿真时间对比验证了该仿真方法的效率更高。最后进行平面切削实验,结果表明,θ=-40°、?=20°及θ=15°、?=60°组合下实际切削与仿真表面纹理特征基本一致,同时实际切削表面纹理形貌特征与仿真分类结果一致,验证该曲面纹理形貌建模和仿真方法正确有效。     

基于斜入射的平面度绝对检验方法

为了获得高反射率光学平面的绝对面形分布,提出了基于斜入射的平面度绝对检验方案.该方法通过菲索干涉仪的空腔干涉以及两次斜入射测量得到三组波面数据,使用Zemike多项式对波面拟合,通过求解待测表面的旋转不变量和旋转因变量获得整个平面的绝对面形分布.测量90 mm口径的镀铝反射镜,其绝对检验结果为0.266λ(PV),0.075λ(RMS).讨论了测试中斜入射角及旋转角的选取方法,并分别选择45°和54°进行测试.基于斜入射的平面度绝对检验方法操作步骤简单,特别适合于高反射率光学表面的绝对面形检测.     

变栅距光栅光谱分辨研究

基于夫琅禾费衍射理论,推导了平行光入射变栅距光栅后衍射光强的角度分布.计算了变栅距光栅参数相同,入射光斑宽度分别为5 mm和10 mm时,衍射光的分布特点和变栅距光栅参数不同,入射光斑宽度为10 mm时,衍射光的分布特点.实验验证了不同入射光斑宽度对光纤式变栅距光栅位移传感器分辨率的影响.结果表明:基于变栅距光栅的衍射特点,入射光斑直径的大小是影响传感器分辨率的一个重要因素.     

快速空间测角系统中偏振棱镜消光比的影响

为了在一定平移范围内实现快速空间测角系统的测量功能,对一定入射及方位角的光束经过Glan-Taylor棱镜后导致的非均匀分布的消光比参数引起的系统测角误差进行了研究。首先,建立系统坐标系模型,采用光线追迹法及偏振光的琼斯矩阵描述方式,对格兰-泰勒棱镜消光比参数引起的测角误差进行了理论推导;接着,结合一定入射及方位角下非均匀分布的消光比参数,运用Matlab软件进行了仿真分析。最后,通过搭建实验平台,利用平移接收单元来模拟不同的入射方位及角度变化;根据实验值与仿真结果的对比分析,得出非均匀分布的消光比对测角精度的影响。结果表明,在一定的出射光范围内,入射角是影响消光比非均匀分布进而影响系统测角精度的主要因素,当方位角为90°时,系统测角误差较小;全方位角范围内系统测角误差随入射角的增大而显著增大,由此验证了理论分析的正确性。该研究成果对优化测角系统结构并进一步提高系统性能具有一定的指导意义。