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作者：朱秀福哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纳米技术在科技日新月异的现代社会已不再是遥远生疏的词汇,基于纳米加工技术的高精度、高质量的工件产品被不断运用在科学研究、国防科技以至高端消费等方方面面。而对纳米加工机理的认识则很大程度上制约了纳米技术的发展。由于纳米... 详细信息

纳米技术在科技日新月异的现代社会已不再是遥远生疏的词汇,基于纳米加工技术的高精度、高质量的工件产品被不断运用在科学研究、国防科技以至高端消费等方方面面。而对纳米加工机理的认识则很大程度上制约了纳米技术的发展。由于纳米加工实验要求以及成本的限制,分子动力学仿真已成为纳米加工领域实用且重要的研究工具。另外,纳米加工领域存在一系列需克服的问题,其中缺乏对工件亚表层缺陷演变规律的理解是制约加工工件质量的重要原因。针对上述问题,本文将晶体铜作为研究对象,包括单晶铜与多晶铜,进行纳米切削以及纳米压痕的分子动力学仿真与实验,分析了单晶铜和多晶铜工件在纳米切削和纳米压痕过程中工件亚表层晶体结构的演变规律,并通过纳米压痕仿真与实验研究了不同切削参数条件下的工件表面力学性能。基于单晶铜纳米切削分子动力学仿真,利用CNA共近邻分析、DXA位错提取等分析方法,分别解构了四面体堆垛层错、V形位错、球形团簇等不同种类亚表层缺陷在工件切削时的演变过程,发现了亚表层缺陷的结构特征以及形成规律;通过改变切削仿真采用刀具的几何参数,包括前角、后角以及刃圆半径,分析刀具参数引起的亚表层结构特征的变化,总结了其对切削过程中位错演变的影响规律。进行多晶铜工件的纳米切削分子动力学仿真,通过切削力、应力分布等方面,研究了切削中多晶铜工件亚表层晶体结构以及位错表现出的规律,通过切削力和工件位错密度表现出的波动规律,发现了多晶铜晶界对位错滑移的阻碍作用以及与位错的转化过程,并发现了多晶铜晶界产生的应力屏蔽现象;改变多晶铜纳米切削仿真时的切削深度,分析切削深度对工件晶体结构以及位错特征的影响,发现了切削深度与工件内部位错密度的线性关系。分别开展单晶铜与多晶铜的纳米压痕分子动力学仿真以及加工实验,对未加工以及经不同切削参数进行纳米切削后的晶体铜工件进行纳米压痕。一方面利用纳米压痕仿真分析了单晶铜的纳米压痕过程,研究了亚表层缺陷对工件压痕再生成位错的影响,并发现亚表层缺陷将造成工件“加工硬化”的现象;同时通过与纳米压痕实验进行对比,发现切削深度的变化对单晶铜工件表面力学性能的影响。另一方面,通过加工与实验比较了不同切削参数下多晶铜工件表面力学性能的差异,发现切削深度的增大在一定范围内使得硬化效果更明显。将纳米压痕仿真结果与实验结果进行对比,发现其趋势的相同特征,从而定性地证明结论的正确性。

关键词：纳米加工亚表层缺陷材料力学性能分子动力学仿真

纤维增强树脂基复合材料微切削仿真与实验研究

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纤维增强树脂基复合材料微切削仿真与实验研究

作者：陈能哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

纤维增强树脂基复合材料具有超常的力学和热学等性能使其在航空、航天、国防以及汽车等高新技术领域得到了广泛的应用。目前,国外已将纤维增强树脂基复合材料应用在航空、航天、国防等领域的电子器件,而国内对于这类高端技术领域的产品... 详细信息

纤维增强树脂基复合材料具有超常的力学和热学等性能使其在航空、航天、国防以及汽车等高新技术领域得到了广泛的应用。目前,国外已将纤维增强树脂基复合材料应用在航空、航天、国防等领域的电子器件,而国内对于这类高端技术领域的产品,基本上处于依赖进口。对纤维增强树脂基复合材料加工特性的了解与掌控,有助于将这类性能优异的材料更加经济有效地应用于各类工程实际。然而,目前大部分工作集中于从材料学方面研究复合材料的制备和表征,较少研究高应变率条件下的变形和破坏。因此,研究纤维树脂基复合材料的切削加工特性,将有助于推广这类高性能材料的在工程实际中的应用。本文基于有限元软件ABAQUS二次开发,建立基于代表性体积单元的纤维增强复合材料微观几何模型,该模型采用错位法实现复合材料纤维的随机分布及高体积含量。建立碳纤维增强树脂基复合材料的材料模型,该模型采用脆性材料模型来模拟碳纤维材料,采用插值法逼近树脂基体的应力应变关系,采用牵引分离内聚力模型来模拟纤维和基体之间的界面相。基于纤维增强复合材料的几何模型和材料模型,建立微切削三维有限元仿真模型,对不同切削参数条件下复合材料的微切削过程进行研究,得到切削力随加工参数的变化规律;通过对加工表面形态进行分析,探索增强相和基体的变形机制;研究不同纤维取向对复合材料加工性能的影响,获得加工表面的形貌变化情况及切削区域应力传递规律。采用金刚石涂层硬质合金铣刀对碳纤维增强树脂基复合材料进行微切削实验,得到不同切削参数条件下的复合材料微切削过程切削力的变化规律,并对有限元仿真结果进行验证。对碳纤维增强树脂基复合材料加工表面质量进行研究,对加工前后表面形态进行观察,对加工表面粗糙度进行测量,得到不同切削参数和不同纤维取向对加工表面质量的影响规律。

关键词：纤维增强复合材料微切削二次开发三维仿真表面形貌

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空气静压主轴热特性及动静态特性研究

空气静压主轴热特性及动静态特性研究

作者：郝梦娇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

空气静压主轴是超精密机床的主要部件之一,其性能直接影响机床的加工精度。通常,空气静压主轴由电机直接驱动。在主轴运行时,由于静压轴承气膜剪切摩擦损耗和电机损耗,导致主轴发生热变形,进而影响主轴部件的工作性能,有时甚至轴承结构... 详细信息

空气静压主轴是超精密机床的主要部件之一,其性能直接影响机床的加工精度。通常,空气静压主轴由电机直接驱动。在主轴运行时,由于静压轴承气膜剪切摩擦损耗和电机损耗,导致主轴发生热变形,进而影响主轴部件的工作性能,有时甚至轴承结构发生热膨胀使得轴承发生卡死故障。因此,研究空气静压主轴系统的热态特性以及温升对主轴动静态特性的影响规律,对于提高空气静压主轴系统的热稳定性具有重要的理论意义和实际价值。本文以空气静压车床主轴为研究对象,对主轴系统内部热源进行分析,计算了止推轴承和径向轴承的气膜剪切摩擦损耗,以及电机定子的铁损耗与铜损耗。对主轴系统各部件间的热传递方式进行了分析,并计算了主轴系统部件与空气、冷却水之间的传热系数。利用有限元分析软件,建立了稳态热-结构耦合仿真模型,研究了各转速下冷却水流量对主轴系统温度场及热变形的影响规律,以及供气温度对主轴转子温度场和热变形的影响规律。建立了瞬态热-结构耦合仿真模型,研究了主轴系统温度随时间的变化规律,分析了主轴监测点的温升情况,以及主轴转子前端面轴向变形随时间变化情况,得到了主轴转子达到热平衡的时间。利用FLUENT软件,对主轴系统的轴承气膜压力分布情况进行了仿真分析,研究了气膜厚度、供气压力和偏心率对止推轴承和径向轴承的承载力、刚度和耗气量的影响规律,并对比分析了温升对止推轴承和前后两个径向轴承的承载力和刚度的影响规律。利用有限元分析软件,建立了主轴转子-气膜系统的动力学仿真模型,采用弹簧单元模拟气膜刚度,对主轴转子进行了模态分析,得到了主轴转子的自由模态和工况模态,计算了主轴转子的临界转速,并对比分析了温升对主轴转子固有频率的影响规律。通过测量主轴系统特定点的温度随时间变化情况及热变形量,并与仿真分析结果进行对比,验证了所建立的热-结构耦合仿真模型的正确性,以及热特性仿真分析结果的有效性。同时通过力锤敲击法对主轴进行模态实验,得到了其固有频率,验证了主轴动态特性仿真分析结果的正确性。

关键词：空气静压主轴内部热源热-结构耦合热特性动静态特性

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表面节流空气静压轴承动静特性研究

表面节流空气静压轴承动静特性研究

作者：沈慧兴哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超精密加工技术在航空航天、精密仪器等领域发挥着越来越大的作用。其载体是超精密机床,机床的核心部件之一是超精密主轴,而主轴的性能主要取决于轴承的性能。空气静压轴承因其精度高,发热小,清洁无油污染等优点,得到了越来越广泛的应... 详细信息

超精密加工技术在航空航天、精密仪器等领域发挥着越来越大的作用。其载体是超精密机床,机床的核心部件之一是超精密主轴,而主轴的性能主要取决于轴承的性能。空气静压轴承因其精度高,发热小,清洁无油污染等优点,得到了越来越广泛的应用。目前对小孔节流空气静压轴承的研究最为完善,不过存在承载力、刚度低的问题。表面节流空气静压轴承静特性及稳定性均优于小孔节流,但目前研究较少,还未建立成熟的设计准则。本文以表面节流空气静压轴承为研究对象,利用流体仿真软件分析不同的结构参数及工作条件对止推轴承和径向轴承动静特性的影响,并设计实验验证了仿真分析结果的有效性,为表面节流空气静压轴承的设计与制造提供参考。基于表面节流空气静压轴承的工作原理,对轴承结构参数进行无量纲化处理,采用控制单一变量的方法,分析了轴承节流槽结构参数、气膜尺寸、工作条件对止推轴承和径向轴承承载力、刚度及耗气量的影响。轴承设计时重点关注节流槽的结构尺寸,在此基础上,通过综合多因素分析,提出了以静特性为设计指标的节流槽槽长比和槽宽比的设计范围,并分析了闭式止推轴承的静态特性。轴承设计在满足静态性能的同时还要考虑轴承动态性能。在静特性分析的基础上设计了一套表面节流空气静压轴系,并围绕所设计的轴系展开了动特性研究。以涡量为评价指标,分析了不同结构参数及工作条件下轴承气膜流场的气旋强度,进而反应不同条件下轴承的微振动情况。轴系工作时,转速主要影响径向轴承的性能。通过模态分析,得到了轴系的前六阶固有频率以及对应的振型,计算了空气静压轴系的临界转速,探究了转速对径向轴承承载力的影响,以及不同转速下平衡位置处转轴的偏位角以及偏心距。利用微扰动法结合动网格技术仿真计算得到了径向轴承在不同转速下的动刚度和阻尼系数。在此基础上,提出了轴系角刚度的仿真计算方法。以开式止推轴承为例,分析了节流槽参数及轴承内外径比值对轴承稳定性的影响,进一步限制了轴承参数的取值范围。设计制造了一套闭式表面节流空气静压止推轴承,对轴承的静刚度和稳定性进行测试,验证了仿真结果的有效性。分析了实验值与仿真值之间产生误差的原因,给出了表面节流空气静压轴承加工中的注意事项,为后续表面节流空气静压轴承的设计与制造提供指导。

关键词：空气静压轴承表面节流动静特性微扰动法动网格技术

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非球面微透镜阵列的慢刀伺服加工工艺研究

非球面微透镜阵列的慢刀伺服加工工艺研究

作者：贺志成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超精密加工铝反射镜表面形貌建模及散射特性研究

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超精密加工铝反射镜表面形貌建模及散射特性研究

作者：林杰哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

光学铝具有制造周期短、易于成型、质量轻等优点,将由铝合金制成的反射镜和支撑结构组合使用可以提高光学系统的温度适应性和稳定性,所以铝反射镜被越来越广泛的应用到航空航天、军工国防等重要领域。通过对铝合金材料进行超精密加工,... 详细信息

光学铝具有制造周期短、易于成型、质量轻等优点,将由铝合金制成的反射镜和支撑结构组合使用可以提高光学系统的温度适应性和稳定性,所以铝反射镜被越来越广泛的应用到航空航天、军工国防等重要领域。通过对铝合金材料进行超精密加工,可以获得满足红外光学系统成像要求的光学反射镜。但是反射镜表面的光散射现象严重降低了其光学性能,甚至会破坏光学系统的探测设备。所以探究影响反射镜表面光散射特性的主要因素,以便能够抑制或消除表面散射现象已经成为一个亟需解决的问题。本文综合考虑加工运动学、刀具几何形状、加工参数、塑性测流、弹性恢复以及加工振动等多种因素对表面形貌的影响,基于MATLAB软件建立超精密车削表面三维形貌模型,仿真分析加工过程中振动频率对车削表面脊峰数量和形状的影响规律。在此基础上,建立给定粗糙度前提下飞切和磨削加工表面的三维形貌模型。上述形貌模型将会导入后续的电磁场仿真中,作为几何模型的一部分来使用。为了定量描述加工表面的光散射特性,选择双向反射分布函数(BRDF)作为研究载体,利用相关理论推导出BRDF与电场强度之间的计算关系式。基于COMSOL有限元仿真软件建立电磁场仿真模型,采用背景场平面波的形式设置入射光源,利用MATLAB处理得到BRDF分布曲线。改变仿真参数,探究车削、飞切及磨削三种加工表面散射特性之间的差异性,验证车削加工方法的优越性。在此基础上,分析车削加工中进给量、振动幅值、刀尖圆弧半径及入射光源波长对表面散射特性的影响规律,对各种因素的作用机制进行相应的理论分析。针对Al6061材料开展反射镜超精密车削加工实验,利用激光干涉仪和白光干涉仪对工件表面形貌及粗糙度进行检测,并与仿真结果进行对比验证前文形貌模型的正确性。利用BRDF检测系统对工件表面的散射性能进行检测,分析车削进给量及入射光源角度对BRDF分布曲线的影响规律。根据实验所用样品的对应参数进行建模仿真,与实验结果对比并进行误差分析,从而验证前文电磁场仿真结果的正确性。

关键词：超精密加工铝反射镜表面形貌散射特性双向反射分布函数

热塑性树脂材料本构模型建立及基于ABAQUS子程序开发

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热塑性树脂材料本构模型建立及基于ABAQUS子程序开发

作者：王学真哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

复合材料以其密度小、强度高等优点被广泛应用于高技术领域。复合材料的发展对基体材料也提出更高的要求，聚碳酸酯作为具有优良性能的热塑性树脂材料，是良好的复合材料基体材料，然而由于其增强基的影响，在切削加工时会出现不同于传... 详细信息

复合材料以其密度小、强度高等优点被广泛应用于高技术领域。复合材料的发展对基体材料也提出更高的要求，聚碳酸酯作为具有优良性能的热塑性树脂材料，是良好的复合材料基体材料，然而由于其增强基的影响，在切削加工时会出现不同于传统材料加工的新问题。同时聚碳酸酯作为工程塑料也有着广阔的市场与前景，随着其用途的扩大，在热加工方面的要求也越来越高。单纯使用实验的方法确定材料加工参数，需要的人力物力比较大，这就需要借助有限元仿真进行研究。ABAQUS以其强大的功能得到广泛的应用，但没有包含适合热塑性树脂材料的非线性粘弹性的本构模型，这就需要我们根据需要进行二次开发，所要求的本构方程编写用户自定义子程序。本文通过分析聚碳酸酯的α-转变与β-转变的影响，解释了其本构模型建立的原理与依据，并根据材料性质的不同，在材料本构模型的一维结构中并联一粘壶。对已有的“朱-王-唐”模型进行改进，得到适合聚碳酸酯等热塑性塑料的本构模型，并推导其数学方程式。将一维模型的数学方程式根据粘弹性理论转变为三维形式，基于Mises屈服准则和J2流动理论编写了UMAT用户子程序。子程序中的应力更新算法采用完全隐式向后的Euler算法，计算应力的塑性修正量。用“蚁群算法”编写matlab程序，拟合实验数据得到材料在本构方程中的参数。建立了拉伸和霍普金森的有限元模型，并调用所编写的UMAT子程序对聚碳酸酯进行分析计算，得出应力和塑性变形在不同应变率下的变化规律。对聚碳酸酯材料在不同应变率下进行拉伸和霍普金森实验，对实验结果进行处理和对比，得到材料在高应变率和低应变率下的屈服变化规律。并将实验结果与仿真结果的规律进行对比，验证了本构模型的正确性。

关键词： ABAQUS 二次开发聚碳酸酯本构模型拉伸霍普金森

超精密液体静压B轴转台设计及静动态特性分析

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超精密液体静压B轴转台设计及静动态特性分析

作者：张晏铭哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着高新技术的发展,超精密加工技术和机床已越来越广泛地应用于国防工业和高端民用产业。利用了流体静压支撑原理和电机直驱技术的液体静压转台具有承载能力大和运动精度高等优点,其非常适用于超精密加工和检测设备。作为超精密机床的... 详细信息

随着高新技术的发展,超精密加工技术和机床已越来越广泛地应用于国防工业和高端民用产业。利用了流体静压支撑原理和电机直驱技术的液体静压转台具有承载能力大和运动精度高等优点,其非常适用于超精密加工和检测设备。作为超精密机床的重要部件,液体静压转台的性能对于机床的精度和稳定性有着极其重要的影响,分析静压转台的静态和动态特性并设计制造出高刚度和高回转精度的静压转台具有十分重要的意义。本文首先根据液体静压转台的设计指标,完成了静压转台的结构配置和伺服系统的方案设计。编写了计算液体静压轴承承载力和刚度的软件,并利用软件确定了转台止推轴承和径向轴承的结构尺寸参数。根据粘性流体剪切力公式计算静压轴承的内摩擦力矩和平均温升,利用静力仿真初步确定转台的幅板尺寸,并完成静压转台装配体结构的三维模型。利用顺序耦合法和Workbench软件对静压转台的止推轴承和径向轴承进行流固耦合仿真。利用ICEM和Fluent软件实现静压轴承液压油流场的结构性网格划分和稳态分析;将流场的仿真结果导入Mechanical静力分析模块,得到了轴承结构在流场压力作用下的变形,并分析计算了结构变形后的轴承间隙和静压转台刚度的变化量。仿真分析了液体静压转台结构及其伺服系统的动态特性。通过模态分析得到静压转台的固有频率和振型,利用谐响应分析了在不同频率的载荷作用下转台结构的振动幅值。建立液体静压转台的闭环伺服系统模型,基于传统的PID控制原理设计了伺服系统的参数,并利用Simulink仿真分析了伺服系统的稳态误差和跟踪精度。在初步完成静压转台的加工和装配后,进行了液体静压转台的静态和结构动态特性的测量实验。利用逐步加载法和高精度电感测微仪测量静压转台的轴向刚度,利用动态信号分析系统测量静压转台结构的固有频率,并对比分析了仿真和实验的结果。最后,利用反转法和超精密标准球测量静压转台的跳动误差,并将被测件的形状和偏心误差从测量结果中分离。

关键词：液体静压轴承流固耦合转台静动态特性跳动误差

小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析

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小型五轴数控机床设计评价及结构动态特性分析

作者：左常迪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着民用和国防等众多领域对微小型化产品需求的不断增加,人们开始越来越关注微小零件的设计与加工问题。微细铣削加工技术在制造复杂三维几何形状微小零件中具有重要的作用。然而,目前许多由金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸... 详细信息

随着民用和国防等众多领域对微小型化产品需求的不断增加,人们开始越来越关注微小零件的设计与加工问题。微细铣削加工技术在制造复杂三维几何形状微小零件中具有重要的作用。然而,目前许多由金属材料制成的三维微小零件都是在常规尺寸的超精密机床上加工而成的,这些机床成本高、效率低、能耗大、主轴转速相对较低,微小型机床的诞生就是为了解决这些问题。微小型机床不仅有助于提高空间利用率和降低成本,而且由于惯性减小,从而容易达到高速加工和高精度运动控制。目前,许多研究工作都集中在建造与小型零件尺度相匹配的小型机床,并且已有不少有关小型机床设计原型的报道,然而在小型化机床结构设计方法方面的报道并不多见。本文针对自行研制的五轴小型精密数控铣床,从空间误差控制和结构动态性能控制两方面进行机床结构设计参数分析和动态特性分析。首先,建立了基于刚体运动学的五轴小型机床系统空间误差模型,采用基于损失模型的稳健设计方法,以机床实际设计参数和局部几何误差为控制因素和噪声因素,以正交试验为工具安排了多组仿真试验;通过对试验结果的统计与分析评价了各设计参数对空间误差的影响及其稳健性。然后,采用有限元分析软件ANSYS对机床整机进行结构静动态特性分析,并对机床整机的动态特性作出评价,通过逐步缩短运动链的方法,找出重力作用下对刀具装夹处变形影响最大的部件,并提出修改建议,其中重点研究了零件结合部对装配体结构动态特性的影响。最后,采用试验模态分析的方法对分析结果进行验证,分析了仿真结果和试验结果出现偏差的原因,为以后无样机条件下的机床虚拟设计打下基础。

关键词：微小型机床稳健设计有限元结合部动态特性

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玻璃微铣削加工特性的研究

玻璃微铣削加工特性的研究

作者：张承信哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

脆性材料由于其具有机械强度高、化学性能好、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低等特点,现在广泛应用于航天、通信、生物医学等高技术行业。但是由于其脆性大、硬度高、断裂韧性低,属于典型的难加工材料。玻璃属于硬脆材料中的一种,目前对... 详细信息

脆性材料由于其具有机械强度高、化学性能好、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数低等特点,现在广泛应用于航天、通信、生物医学等高技术行业。但是由于其脆性大、硬度高、断裂韧性低,属于典型的难加工材料。玻璃属于硬脆材料中的一种,目前对于玻璃件的加工主要方法有精密与超精密磨削、研磨、抛光,以及利用氢氟酸在玻璃表面进行腐蚀等,这些方法大多加工周期长,成本高,污染环境。微铣削加工效率高、柔性大,以及加工材料的多样性,得到了越来越广泛的应用。本文采用微铣削加工的方法对玻璃进行塑性加工,研究玻璃材料微铣削加工过程中的脆塑转变临界条件,同时研究微铣削加工参数对铣削力以及已加工表面粗糙度的影响规律。在对脆性材料的裂纹扩展机理分析的基础上,对球头微径铣刀对玻璃进行塑性铣削的机理进行了研究,建立了考虑刀具倾斜角的球头铣刀铣削力模型,通过试验求出了模型中的铣削力系数,对理论计算的铣削力与试验得出的铣削力进行了对比,验证了模型的合理性。采用回归正交旋转组合设计的试验方法,选取主轴转速、切削深度、进给率、刀具倾斜角为变量,研究了铣削用量对玻璃脆塑转变临界条件的影响,得到了玻璃能够进行塑性微铣削加工的参数范围。利用回归正交旋转组合设计试验方法建立了表面粗糙度的回归模型,基于响应曲面法得到了铣削用量对表面粗糙度的影响规律。利用单因素法研究了各铣削参数对铣削力的影响,采用回归正交旋转组合设计试验方法拟合出了铣削力的试验模型,并验证了其合理性。同时通过一系列试验,研究了加工脆性材料时的刀具磨损形式与磨损机理,为后续的实际应用提供了一定的指导与借鉴。

关键词：玻璃微铣削加工铣削力表面粗糙度脆塑转变