检索结果-南通市图书馆

作者：李东方华南理工大学

学位级别：硕士

随着新能源行业的发展,大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)开关器件得到广泛的使用,解决其散热问题是当前发展面临的主要任务。本文以变频器行业使用最广泛的型号为FF600R12ME4的IGBT模块为研究对象,针... 详细信息

随着新能源行业的发展,大功率IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)开关器件得到广泛的使用,解决其散热问题是当前发展面临的主要任务。本文以变频器行业使用最广泛的型号为FF600R12ME4的IGBT模块为研究对象,针对IGBT在实际应用中多以多模块排列的特性,本文把模块化的设计方法应用到IGBT冷板结构设计中,为IGBT多模块的液冷设计方案提供参考。本文先建立了IGBT模块的热仿真模型,设计了单模块多通道冷板结构,再从理论上建立了冷板的热阻网络模型和流阻网络模型。采用热分析软件Icepak仿真分析,分别对多通道区域翅片结构的尺寸参数和形状参数进行优化,再引入综合换热因子PF对其进行评价。最后在热源集中区域设计扰流结构以解决热流密度集中问题,发现综合换热能力得到较好改善,但改善程度随流速增大而逐渐减小。即便如此,在最高入口流速为2m/s时,换热能力也能提高到1.3.5倍。本文在单模块冷板结构的基础上对三模块冷板引入了U形并联的设计思想,并设计了三模块冷板的制造方案。针对三模块冷板中每个单元内部小通道流量分布不均问题,本文在单元进口部位设计三种类型的分流片结构,发现最大换热能力增至为原来的1.2.4倍;针对主流道在不同单元之间流量分布不均问题,本文对进出口主流道的半径比?和每个单元的阻力?进行优化,发现?对流量在不同单元之间分布均匀性影响程度较大。本文针对四模块冷板的设计,引入了四种拓扑连接方式(四串、四并、两并两串-1、两并两串-2),综合比较得到两并两串-2的连接方式最优。本文针对已优化的四模块冷板结构和三模块冷板结构,分别建立了与真实热载荷一致的IGBT模拟热源和相同大小的铝块热源。实验测试了四模块IGBT模拟热源和三模块铝块热源采样点温度,与仿真结果对比,最大偏差值分别为8.4%、4.5%,三模块冷板的进出口压降偏差随流速增大逐渐增大,最大值为10.9%。

关键词： IGBT 多通道冷板模块化 Icepak仿真分流片

PEGDA水凝胶在液相中的变形及在面曝光3D打印中的应用研究

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PEGDA水凝胶在液相中的变形及在面曝光3D打印中的应用研究

作者：周峰华南理工大学

学位级别：硕士

水凝胶是一种由高分子长链相互作用,或单体交联而成的、具有三维网络结构的材料。水凝胶具有物质传输特性,当它处于液相中时,分子量较小的物质可在凝胶内外化学势差的驱动下进出凝胶。由于凝胶高分子网络和物质分子是不可压缩的,物质的... 详细信息

水凝胶是一种由高分子长链相互作用,或单体交联而成的、具有三维网络结构的材料。水凝胶具有物质传输特性,当它处于液相中时,分子量较小的物质可在凝胶内外化学势差的驱动下进出凝胶。由于凝胶高分子网络和物质分子是不可压缩的,物质的进出会导致凝胶的膨胀或收缩变形。因此,研究该变形对于理解真实物理场下凝胶的成型状态或使用状态具有工程指导意义。聚乙二醇二丙烯酸酯(PEGDA)水凝胶是一种具有良好生物相容性的材料,广泛用于制备生物支架,生物支架凝胶的结构较为复杂,一般设计有特殊的孔隙结构,采用面曝光3D打印(MP-SLA)可制备结构复杂的水凝胶。根据面曝光3D打印的原理,在打印结束前,凝胶仍浸泡在光固化溶液中,因此凝胶会在打印过程中产生变形。本文旨在研究PEGDA水凝胶在光固化溶液中,以及面曝光3D打印时由于物质传输特性引起的变形特性,本文的主要研究工作如下:(1)参考Lucantonio和Caccavo等人的凝胶变形理论,根据Flory-Rehner提出的系统混合自由能,建立一套完整的、描述凝胶在多物质液相环境下变形的模型,使用COMSOL Multiphysics软件进行有限元建模,实现变形预测。(2)对用于制备PEGDA水凝胶的光固化溶液,以及凝胶的物性参数进行实验测量和计算,以得到模型所需的参数,进而实现对PEGDA水凝胶在光固化溶液中的变形仿真计算。(3)研究三种不同配比PEGDA水凝胶在光固化溶液中9小时内的瞬态变形行为,实验测量凝胶的变形、质量以及各物质在凝胶中的含量变化,与仿真计算结果对比,验证凝胶在多物质液相中变形的仿真模型的可行性;分析凝胶在溶液中的变形特性和趋势,横向对比分析配比对变形的影响。(4)研究分析凝胶形状和体积对瞬态变形行为的影响,给出调控PEGDA水凝胶在光固化溶液中的变形量的方法;研究分析凝胶在溶液中的稳态变形,给出主动补偿变形量的方法,以满足凝胶使用时所需的目标尺寸。(5)借鉴生死单元法,设计自定义的网格单元激活控制函数,扩展模型,使其可用于仿真面曝光3D打印时,多层凝胶在溶液中的变形。通过对比打印的圆柱凝胶半径测量值和仿真结果,验证模型的正确性;分析打印过程中凝胶层与层之间的相互作用,以及打印凝胶的整体变形特点。(6)根据打印原理和朗伯-比尔定律,研究分析凝胶每层打印层厚和打印时间参数对由于物质传输导致的凝胶整体变形趋势的影响。

关键词： PEGDA水凝胶多物质液相凝胶变形有限元仿真面曝光3D打印

基于有限元和断裂力学的抓斗卸船机疲劳寿命评估

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基于有限元和断裂力学的抓斗卸船机疲劳寿命评估

作者：罗伟立华南理工大学

学位级别：硕士

抓斗卸船机在国家特种设备目录中属于门式起重机类别、装卸桥设备品种，是涉及生命安全、危险性较大的一类起重机械。对于抓斗卸船机，其失效大部分是在交变应力作用下，金属结构发生疲劳破坏而引起的，所以科学系统地进行抓斗卸船机的... 详细信息

抓斗卸船机在国家特种设备目录中属于门式起重机类别、装卸桥设备品种，是涉及生命安全、危险性较大的一类起重机械。对于抓斗卸船机，其失效大部分是在交变应力作用下，金属结构发生疲劳破坏而引起的，所以科学系统地进行抓斗卸船机的疲劳寿命分析对于运行过程中的管理，故障后的维修能够起到不可估量的积极作用。本研究结合作者所在城市及工作领域，从工程实际出发，选取一台35t、1800t/h的抓斗卸船机为研究对象，首先采用有限元前处理软件Hypermesh对抓斗卸船机进行有限元建模，并运用***计算得到三种不同工作情况中的弯曲应力图以及变形图，对结构的静刚度及强度是否满足要求进行验证。然后运用疲劳分析软件nCodeDesignLife对抓斗卸船机进行疲劳寿命分析，进而得出无缺陷以及正常使用时的抓斗卸船机的整体结构疲劳寿命的分布状态云图，从而直观地将金属结构各个部分的疲劳寿命显示出来. 最后对疲劳裂纹扩展机理进行了分析，通过查找文献和计算得到裂纹扩展的关键参数，根据Paris公式求得裂纹扩展寿命。根据卸船机构的属性，认为其裂纹扩展寿命即是整机的疲劳寿命，与有限元分析结果基本一致。通过无损检测发现卸船机最大应力部位存在疲劳裂纹，运用断裂力学原理计算裂纹扩展期间的使用次数，与企业提供的实际作业次数相差仅为6.1%，并对裂纹扩展寿命和初始裂纹、作业循环次数的关系分别进行了具体分析。本文工作为设计、检查以及维修等工作提供了重要的数据参考。

关键词：抓斗卸船机疲劳寿命有限元断裂力学

面向汽车被动安全的凹多边形管在多角度碰撞下的耐撞性研究

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面向汽车被动安全的凹多边形管在多角度碰撞下的耐撞性研究

作者：金林华南理工大学

学位级别：硕士

随着汽车保有量的增加,汽车碰撞不可避免的增多,由于汽车碰撞造成的人员伤亡数量也在不断增加,人们对提高汽车被动安全有着迫切的需求。在汽车发生碰撞时,汽车吸能结构起到主要的保护作用,因此研究汽车吸能结构的耐撞性对于提升汽车被... 详细信息

随着汽车保有量的增加,汽车碰撞不可避免的增多,由于汽车碰撞造成的人员伤亡数量也在不断增加,人们对提高汽车被动安全有着迫切的需求。在汽车发生碰撞时,汽车吸能结构起到主要的保护作用,因此研究汽车吸能结构的耐撞性对于提升汽车被动安全有重要的意义。薄壁结构因为能有效地将碰撞动能转化为塑性变形能而被广泛地应用在车辆的吸能结构中。吸能结构的耐撞性与截面形状,几何尺寸和碰撞情况有关。本文围绕凹角管在多角度碰撞下的耐撞性进行系统性研究:1.基于准静态压缩试验,对凹角管在轴向碰撞下的变形和吸能特性进行了研究。利用数值仿真分析了角单元对凹角管变形和耐撞性的影响,结果表明,凹角管所受的平均力随着角单元的增加而减少;而且,相对于方管凹角管具有良好的吸能特性。通过理论分析,得到凹角管平均力的预测公式。2.分别对凹角管的结构参数直径D,厚度t,高度H和角单元θ进行了参数化分析,给出了凹角管最终变形分布图,分析结构参数对凹角管耐撞性的影响。结果表明直径是决定凹角管变形的主要因素。利用平均力F和厚度t之间的数量关系验证了仿真结果。3.采用了试验,理论和仿真相结合的方式分析泡沫铝在多角度碰撞下的变形和吸能特性。提出一种泡沫铝和凹角管组成的泡沫填充管,仿真结果表明,角单元θ,泡沫密度ρ和厚度t是影响填充管吸能特性的重要参数。其中泡沫密度对填充管耐撞性提升的效果最好;凹角截面带来的负泊松比效应对填充管的吸能量有明显提升,同时会增强凹角管和泡沫铝的相互作用。4.将星形截面应用在锥形管设计中,对锥角和厚度t进行参数化分析,结果表明,锥角是决定变形和吸能的主要因素。在多角度碰撞下,锥角能够阻止星形管发生整体弯曲变形,从而维持较高的吸能能力。根据锥角对吸能的影响规律,提出样条曲线锥形星形管。以样条曲线轮廓作为优化目标,基于代理模型进行多目标优化。优化的结果显示,在F不变的基础上SEA提升了9.87%。

关键词：汽车被动安全耐撞性凹形截面泡沫填充管样条曲线

棕榈科植物分枝结构多尺度建模与叶柄力学性能分析

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棕榈科植物分枝结构多尺度建模与叶柄力学性能分析

作者：陈龙华南理工大学

学位级别：硕士

植物经过几十亿年的进化，其独特的形态和结构是植物对外部环境产生最大适应的体现。沿海棕榈科植物长年承受风载，其结构具有很强的抗风能力。风力机的工作环境与植物所处环境极其相似，而王棕是棕榈科中一个典型树种，对王棕植物组织... 详细信息

植物经过几十亿年的进化，其独特的形态和结构是植物对外部环境产生最大适应的体现。沿海棕榈科植物长年承受风载，其结构具有很强的抗风能力。风力机的工作环境与植物所处环境极其相似，而王棕是棕榈科中一个典型树种，对王棕植物组织结构的研究，有助于我们进一步研究其抗风性能，为风力机的植物仿生设计提供依据。叶柄是叶片与茎的连接部分，不但承受自身重力，而且承受风载、雨载的共同作用。王棕叶柄能够承受多种载荷而不被破坏，表现出优异的力学性能。将叶柄看作是横观各向同性材料，研究王棕分枝叶柄对其抗风性能的影响。首先制作0°、45°、90°三个试样进行拉伸实验，测得材料弹性力学基本方程的五个独立参数，然后再以王棕的一个叶柄为研究对象，建立叶柄宏观模型，进行模态分析与重力加载分析，变形结果分析显示模型建立是正确的。采用环境电子显微镜扫描得到王棕各个部分的微观结构图片。由王棕各部分的显微图片可以看出，植物起支撑作用的器官微观组织比较致密，输送养分器官微观组织比较疏松，植物的微观组织结果与其承担的职能密切相关。运用MATLAB中voronoi函数重建维管束的显微图片，获得维管束的微观截面矢量图形，并用面积比率法和面积云图匹配法对Voronoi棋盘图的质量作出评价，结果表明Voronoi棋盘图对多孔截面的几何特征具有较高的还原度，所获得的维管束的微观截面矢量图形是可靠的。以宏观模型计算结果为基础，进行多个子模型分析，逐渐降低模型尺度，最后达到维管束的分析尺度。在微观尺度下对维管束进行分析，研究叶柄的维管束微观结构对叶柄力学性能的影响，结果表明维管束此微观结构有利于减小叶柄应力，同时宏观模型与微观模型分析结果存在较大差异，宏观模型的分析结果表明其不能满足对微观结构模型的描述。

关键词：棕榈科植物叶柄力学性能维管束多尺度

一种植物组织二维重建算法及仿王棕叶柄的蜂窝梁设计

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一种植物组织二维重建算法及仿王棕叶柄的蜂窝梁设计

作者：张凌华南理工大学

学位级别：硕士

自然界植物的多尺度结构与其力学性能之间的良好自适应关系为工程仿生设计提供了灵感,而植物中尺度下的组织重建及力学性能计算是实现多尺度仿生设计的重要纽带。本文针对现有植物组织重建算法的不足,提出基于虚拟分割法的距离权重重建... 详细信息

自然界植物的多尺度结构与其力学性能之间的良好自适应关系为工程仿生设计提供了灵感,而植物中尺度下的组织重建及力学性能计算是实现多尺度仿生设计的重要纽带。本文针对现有植物组织重建算法的不足,提出基于虚拟分割法的距离权重重建算法。同时,选取王棕叶柄结构作为研究对象,通过多尺度结构建模,对叶柄中维管束组织的结构特征和力学性能进行分析,探究其多尺度结构与其力学性能的关系。随后,将其结构特征应用于蜂窝夹层板的结构设计中,提高夹层板的抗弯曲和抗扭转性能。最后,基于王棕的应力环境、构型与风力机叶片的相似性,将仿生蜂窝板结构应用于风力机叶片的腹板结构设计中,提高叶片结构的弯扭载荷承载能力。本文的主要研究内容如下:(1)植物组织重建算法开发传统算法难以准确重建植物中的细长细胞以及内凹型结构,对此本文提出了基于虚拟分割优化的Delaunay三角剖分;针对相邻细胞面积大小差异过大的结构,在面积权重(area weighted tesselation,AWT)算法基础上提出了距离权重分割(distance weighted tesselation,DWT)算法,实现了这一类结构的有效重建;提出了一种有限边界的识别和重建方法,对于不同类型边界的组织均可实现较好的边界重建效果,从而获得了一种适用范围更广的高精度重建算法——Optimized Distance Weighted Tesselation(ODWT)。ODWT算法与经典的Voronoi剖分算法(Centroid-based Voronoi tesselation,CVT)和面积权重算法(AWT)相比,具有明显的优势。(2)重建算法对多尺度建模力学性能预测精度的影响使用CVT算法和本文提出的ODWT重建算法对王棕叶柄维管束组织进行三维重建,并将维管束组织的细胞壁等效为多层层合板,采用具有中间层的层合板模型对维管束组织进行力学建模。采用有限元法对维管束单元各向异性拉伸模量进行了仿真计算,并对CVT算法和ODWT算法重建模型的仿真预测值进行对比,分析重建模型对多尺度建模力学性能预测精度的影响。最后对叶柄组织进行拉伸实验,研究了不同含水率下叶柄组织力学性能的变化规律,并对有限元仿真的结果进行了对比,验证了ODWT算法重建模型的准确性。(3)王棕叶柄横截面维管束微观参数的梯度变化及其对于叶柄力学性能的影响根据王棕叶柄组织结构的梯度变化将其横截面分为三个区域,并在三个区域内分别采集样品。通过单根维管束拉伸实验计算了叶柄截面的三个分区纵向拉伸性能,并研究了维管束截面积对其弹性模量的影响。通过多尺度建模方法分别建立三个不同区域维管束单元的力学模型,分析不同区域维管束纤维弹性模量的差异性以及微观结构参数对于维管束力学性能的影响。根据叶柄实际尺寸建立叶柄分段模型,仿真分析了梯度刚度分布对于其弯曲扭转性能的影响。(4)梯度蜂窝板结构参数设计及其在风力机叶片腹板结构的应用基于王棕叶柄的结构特征,利用厚度梯度分布思想对蜂窝夹层板进行参数设计,得到两种梯度蜂窝板:线性梯度蜂窝板和等比例梯度蜂窝板,并通过仿真和实验对其抗弯和抗扭刚度进行分析,最后将其应用于风力机叶片的腹板设计中;通过三点弯曲、弯扭耦合仿真,发现厚度梯度分布可以提高叶片的抗弯和抗扭刚度,并使得应力分布更加均匀。

关键词：棕榈植物重建算法多尺度建模力学性能仿生设计

3003-H24铝管数控无模冷弯成形技术研究

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3003-H24铝管数控无模冷弯成形技术研究

作者：黄凯东华南理工大学

学位级别：硕士

本文通过对传统弯管工艺和新型无模弯管工艺进行对比分析,确定了采用数控无模冷弯成形工艺对3003-H24铝管进行相关的研究,对其规格参数及工艺参数与成形质量之间的关系进行了分析。(1)对本文研究所使用的弯管实验平台及加工所用管材的... 详细信息

本文通过对传统弯管工艺和新型无模弯管工艺进行对比分析,确定了采用数控无模冷弯成形工艺对3003-H24铝管进行相关的研究,对其规格参数及工艺参数与成形质量之间的关系进行了分析。(1)对本文研究所使用的弯管实验平台及加工所用管材的特性进行了阐述,然后对SKW20-R1数控弯管机的机械结构组成及相关控制元件进行了介绍,重点分析了弯管加工的成形原理,推导出相关几何参数的计算公式,并指出相关的技术难点。(2)进一步通过弹塑性力学相关理论,对3003-H24铝管的成形过程进行了弹塑性理论分析,推导出管材壁厚变化、横截面变化、管材伸长及弯管回弹的理论计算公式,并提出一种将材料应力应变关系进行多项式拟合用以计算回弹的计算方法,然后通过实验对理论计算结果进行了验证。(3)基于有限元软件Abaqus 6.13的数值模拟平台,结合实际加工情况以及管材网格的敏感性分析,建立了弯管成形工艺的数值模型,并通过实验从弯管成形过程、起弯处褶皱和回弹半径三个方面进行了验证,确保了数值模型的整体有效性。(4)通过数值模拟及理论分析,分别对管材伸长、弯管回弹和起弯处褶皱三个问题进行了具体的分析,分别得到了其变形规律,并综合变形规律推导出管材总推进量的计算公式,将其应用于具体的实际加工中,获得了预期的成形质量,体现了本文研究成果的工程指导意义。

关键词： 3003-H24铝合金管数控弯管无模冷弯回弹

基于Y-形单元分形吸液芯结构流动与传热性能研究

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基于Y-形单元分形吸液芯结构流动与传热性能研究

作者：陈伟华南理工大学

学位级别：硕士

随着光电领域快速发展,光电子器件及光电子设备正在朝着集成度高、质轻、量小的方向发展,这一发展趋势就对传统散热产品的单位面积散热能力提出了更高的要求。因此,在传统烧结型吸液芯结构设计的基础上,结合实际情况对其结构进一步的改... 详细信息

随着光电领域快速发展,光电子器件及光电子设备正在朝着集成度高、质轻、量小的方向发展,这一发展趋势就对传统散热产品的单位面积散热能力提出了更高的要求。因此,在传统烧结型吸液芯结构设计的基础上,结合实际情况对其结构进一步的改善,将会极大提升热管和均热板散热性能的上升空间。基于传统散热产品的发展现状,提出了芯板一体吸液芯结构的概念。受植物叶脉分形网状结构的启发,同时在总结相关分形理论工程应用的基础上,设计出了一种基于Y-形单元分形吸液芯结构,并给出了相应的分形规律。运用化学腐蚀的方法加工制作了该新型洗液芯结构的实验样品,并阐述了加工制作工艺流程。理论分析了该分形吸液芯主脉槽道中毛细流动的物理过程,运用Young-Laplace方程和纳维-斯托克斯方程,建立了毛细流动时间与主脉结构参数之间的解析关系,通过与相关研究成果的对比,论证了分析方法的正确性。并运用数值模拟的方法,对主脉槽道内工质的流动受整个分形网络的宏观结构的影响展开了较为详细地分析,得出了分形级数和分形角度对槽道内工质流动所产生的影响规律。运用理论分析的方法,在薄膜蒸发传热等相关理论的基础上,针对该型吸液芯用于蒸发端时的传热过程做了详细的研究工作。构建了该型吸液芯结构用作蒸发端时的热阻网络模型,建立了蒸发端热阻与吸液芯几何结构、充液率、热流密度、过热度等物理参数之间的解析关系。在理论分析的基础上,运用实验的方法模拟了该型吸液芯用作蒸发端时的工作环境,通过设置不同组别的外部变量条件,并对相应目标数据的提取和对比分析,很好地验证和补充了理论分析的结果。

关键词：分形结构吸液芯毛细流动蒸发传热

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新型蜂窝集装箱地板结构的优化设计

新型蜂窝集装箱地板结构的优化设计

作者：龚洋华南理工大学

学位级别：硕士

在满足集装箱地板的强度要求前提下，减少自身重量，以增加货运量，是对集装箱地板制造业提出的特殊要求。而对集装箱地板的结构进行优化，可以解决上述的特殊要求。本文在分析国内外集装箱地板的研究成果和应用现状的基础上，提出... 详细信息

在满足集装箱地板的强度要求前提下，减少自身重量，以增加货运量，是对集装箱地板制造业提出的特殊要求。而对集装箱地板的结构进行优化，可以解决上述的特殊要求。本文在分析国内外集装箱地板的研究成果和应用现状的基础上，提出采用铝合金作为面层材料，增强铝蜂窝芯作为中间层，使用胶黏剂将蜂窝芯与面板粘结、定型、固化，制造出高性能轻质的铝蜂窝地板应用于替代传统的硬木胶合板。并对新型的蜂窝集装箱地板进行结构上的优化及改进，以减轻集装箱地板重量，降低能耗，提高零部件的利用率。试制蜂窝地板，研究其在弯曲载荷作用下的失效形式，并分析其失效的原因，得出蜂窝芯的强度性能和面层的弯曲性能对整体蜂窝地板的力学性能具有极大的影响，优化模型的建立需要考虑上述因素。根据蜂窝集装箱地板结构的优化设计准则，从蜂窝集装箱地板的弯曲性能、蜂窝芯强度要求、夹层板的自由振动固有频率和夹层板质量四个方面进行优化，并以稳定性条件、屈曲极值条件、剪切强度条件和地板刚度条件作为四个约束条件，构造评价函数，编写程序，得出较高精度的尺寸和性能的最优值，并对结构进行强度校核，得出集装箱地板优化结构，结果表明优化出集装箱地板能满足使用要求。但铝蜂窝地板的成本高，使得其难以用于大规模的生产。为了促进新蜂窝地板在实际工程中的推广应用，提高蜂窝地板的抗弯刚度，增大其截面的惯性矩，本文在原优化的蜂窝地板的基础上进行改进，提出以铝合金为面板，铝蜂窝芯和玻璃钢加强筋形成芯层的改进的夹层结构，这种结构的比刚度和比强度较之纯粹的铝蜂窝夹层结构更好。且制造成本有明显的降低。

关键词：蜂窝集装箱地板优化设计固有频率抗弯刚度玻璃钢加强筋

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高透光性黑色塑料制备及其激光焊接性能研究

高透光性黑色塑料制备及其激光焊接性能研究

作者：钟欢欢华南理工大学

学位级别：硕士

随着科技发展和生活水平提高,消费者对产品的轻量化、安全性、美观性和环保性提出了更高的要求。工程塑料在满足前面要求基础上还因具有高综合性能及低成本逐步向以塑代木、以塑代钢格局转变。对于形状结构特别复杂的产品,往往无法一次... 详细信息

随着科技发展和生活水平提高,消费者对产品的轻量化、安全性、美观性和环保性提出了更高的要求。工程塑料在满足前面要求基础上还因具有高综合性能及低成本逐步向以塑代木、以塑代钢格局转变。对于形状结构特别复杂的产品,往往无法一次注塑成型,需要利用各种连接技术将注塑件连接起来。近年来,对比传统塑料连接方法,激光透射塑料焊接具有连接质量好,自动化程度高,环保清洁,高经济效益的优势,在工业生产中迅速崛起。由于激光透射塑料焊接对材料光学特性有特殊要求,限制了该技术广泛运用,针对这一问题本文从寻找适用于激光透射焊接塑料出发,制造出能进行激光焊接的双黑色塑料,并对制备塑料的焊接性能进行分析研究。文中通过分析不同添加剂对塑料的激光特性的影响,提出了激光透射黑色塑料制备方法,采用蒽醌、紫环酮与聚碳酸酯(PC)经不同比例混合制备出高透光性的黑色聚碳酸酯注塑件。1%碳黑比例与PC颗粒混合制备具有吸光特性PC部件。通过光学测试发现0%添加剂透光率大约91%,2%、4%、6%及8%比重添加剂PC部件的透光率大约分别为:87%、82%、76%和71%;而吸光特性PC部件的吸光效率高达96%以上,符合激光透射焊接对塑料的要求。基于实验和数值模拟相结合的方法,研究激光透射焊接工艺参数对焊接质量的影响。首先通过实验定性分析了激光功率、焊接速度、透射率及离焦量对焊接处的拉伸强度、焊缝宽度和深度的影响规律;然后利用曲面响应法建立了焊接强度与焊接工艺参数之间的数学模型,用来定量预测不同工艺参数组合时的焊接强度,并以该模型为目标函数,编写粒子群算法进行多目标优化;最后基于有限元法对激光焊接过程中温度变化及热应力进行数值模拟计算,通过跟塑料特性密切相关的温度变化解释实验过程中会出现不同焊接质量及焊接区域缺陷的原因,并将模拟的焊缝宽度与实验中测量焊缝宽度进行对比,论证数值模拟的正确性。通过热应力分析说明不同断裂位置的原因。研究结果表明,制备高透光性黑色PC部件和吸光性黑色PC部件采用激光透射焊接能获得满意的效果;焊接工艺参数对焊接质量有很大的影响,在焊接过程中温度保持在230℃-360℃之间,焊接质量较好;通过目标优化获得最佳焊接参数为P=35、V=5mm/s、T=91%、L=120mm,与实验误差较小,为工业生产的参数优化提供参考方法。

关键词：激光透射焊接黑色塑料焊接工艺参数曲面响应优化有限元模拟