检索结果-南通市图书馆

作者：汪剑重庆交通大学

学位级别：硕士

超声振动切削技术与传统切削技术相比,能够显著降低切削力和切削温度,提高加工精度。切削加工会在金属表面产生切削残余应力,进而产生加工变形影响加工精度,然而采用测试技术难以捕获切削过程中参数状态,导致超声振动切削加工机理尚未... 详细信息

超声振动切削技术与传统切削技术相比,能够显著降低切削力和切削温度,提高加工精度。切削加工会在金属表面产生切削残余应力,进而产生加工变形影响加工精度,然而采用测试技术难以捕获切削过程中参数状态,导致超声振动切削加工机理尚未达成统一认知,使得工艺参数的选择大多取决于经验数据。为此本文以“探究断裂机理-分析加工过程-提高加工精度”为研究主线,通过构建传统切削与超声振动切削的数值模型,基于Johnson-Cook断裂准则从宏、微观深入分析切削过程中的断裂机理,研究断裂状态对瞬态切削力的影响并优化工艺参数。研究表明:在宏观角度,超声振动切削通过集中应力应变,有效减少了切屑层的平均塑性应变和锯齿化程度,由此调整了切屑层的剪切应力和最大主应力分布,促使切削力峰值延迟出现并减轻刀具与切屑间的摩擦力;不同的振动参数会改变断裂层的应变、应变率、温度,从而影响接触应力,最终导致切削力改变。在微观角度,超声振动的冲击作用导致断裂层晶界在位置上发生“超前断裂”现象,减少了切屑层的应力和切削力的波动,并通过周期性退刀动作,减轻了晶粒对刀具的挤压作用,从而降低了切削力。切削时的最高温度通常出现在刀尖微小距离内的位置,而非刀尖处,超声振动切削的峰值温度高于传统切削,但平均温度较低;刀具前角是影响切削温度的主要因素,而振动频率和振幅对温度的影响相对较小;首次冲击时,刀具的冲击硬化作用远大于材料的热软化效果;进入滑移阶段后,尽管温度低于传统切削,热软化效应减弱,但周期性退刀显著降低了切削力,提供了降低切削力和切削温度的理论依据。加工表面轮廓与切削残余应力之间存在显著的关联性。在数值模拟过程中,表面轮廓的模拟结果受到网格划分的显著影响,因此,为了提升加工精度,本研究以最小化切削残余应力为目标,对振动参数进行了优化,发现在振动频率50k Hz、振幅10μm、刀具前角10°的条件下,可获得较低的切削残余应力,从而提高加工精度,对促进超精密加工技术发展具有一定的参考价值。

关键词：超声振动切削切削断裂准则宏微观切削机理振动频率

淬火残余应力作用下的斜齿轮动态响应与疲劳寿命分析

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淬火残余应力作用下的斜齿轮动态响应与疲劳寿命分析

作者：严博重庆交通大学

学位级别：硕士

淬火热处理工艺是提升高速重载齿轮承载能力的重要手段,会产生较高的淬火残余应力,这些残余应力会在齿轮副的啮合过程中长期存在,从而改变啮合过程中齿轮副的接触状态和抗弯性能,并对齿轮动力学响应和疲劳寿命产生影响。为探究淬火残余... 详细信息

淬火热处理工艺是提升高速重载齿轮承载能力的重要手段,会产生较高的淬火残余应力,这些残余应力会在齿轮副的啮合过程中长期存在,从而改变啮合过程中齿轮副的接触状态和抗弯性能,并对齿轮动力学响应和疲劳寿命产生影响。为探究淬火残余应力对齿轮副动力学响应和疲劳性能的影响,本文基于热传导微分方程理论,建立了斜齿轮淬火数值模拟模型,分析了淬火残余应力分布规律;利用了有限元法对比分析了有无淬火残余应力作用下斜齿轮副的时变啮合刚度,揭示了淬火残余应力对斜齿轮时变啮合刚度的影响规律;在此基础上,应用集中参数法建立了斜齿轮副的十自由度动力学模型,并使用Runge-Kutta法进行数值求解,分析了淬火残余应力改变时变啮合刚度后齿轮副的动态响应并提取啮合力随时间的演变曲线;基于该动态啮合力,结合初始的淬火残余应力开展了该斜齿轮副的疲劳分析和裂纹扩展研究。针对该斜齿轮副,得出如下结论:淬火残余压应力的分布特征表现为,齿面应力表现为“压应力”,齿芯应力表现为“拉应力”。应力场分布与温度场变化状态息息相关。通过淬火为齿轮齿面引入残余应力时,也会给齿轮齿根引入更大的残余应力。淬火残余应力对时变啮合刚度的影响并非单一的增大或减小,而是在齿轮啮合周期内表现出区域性的上下波动,且波峰和波谷相应增大,这种现象会影响斜齿轮副的振动状态。动力学分析结果显示,考虑淬火残余应力的斜齿轮副的动态啮合力时域幅值较未考虑淬火残余应力的动态啮合力时域幅值大。动态啮合力的转频和啮频的幅值谱密度均增大,其中啮频的变化更为显著,特别是法向和切向的啮频幅值比轴向变化更明显。淬火残余应力对齿轮振动加速度的频域影响不限于一倍啮频,还明显影响高倍啮频振动,导致两倍啮频和三倍啮频处的幅值显著增加。淬火残余应力使齿面Mises应力、接触应力和接触力相较于无残余应力的有所下降,且齿面淬火残余压应力导致啮合时的弹性变形减小,齿根应力具有相似的变化情况。淬火残余应力对齿面齿根疲劳寿命的影响大于动态啮合力的影响。裂纹在齿面方向的扩展速率高于深度方向,且最大扩展速率点位于次表面而非齿轮表面。靠近齿面的裂纹尖端受淬火残余压应力抑制,而远离齿面的裂纹尖端因淬火残余拉应力而加速扩展。淬火残余应力对裂纹扩展的影响既包括其对裂纹应力强度因子的直接影响,也包括由淬火残余应力引起的载荷波动对疲劳裂纹寿命的影响。

关键词：淬火残余应力时变啮合刚度动态啮合力疲劳寿命裂纹扩展

高空风电地面传动系统机电耦合动力学建模及动态特性研究

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高空风电地面传动系统机电耦合动力学建模及动态特性研究

作者：李健重庆交通大学

学位级别：硕士

高空风电作为风能利用的创新形式,通过捕获更高空中的更强和更稳定风速,提供了更高效、灵活的新能源解决方案。伞梯风力发电技术,作为高空风能利用的重要实现形式,以其高效的能量捕获和轻便灵活性特点,预示着技术的巨大潜力和广泛应用... 详细信息

高空风电作为风能利用的创新形式,通过捕获更高空中的更强和更稳定风速,提供了更高效、灵活的新能源解决方案。伞梯风力发电技术,作为高空风能利用的重要实现形式,以其高效的能量捕获和轻便灵活性特点,预示着技术的巨大潜力和广泛应用前景。地面传动组件作为高空风电系统的核心部分,承担着将高空风能有效转化为电能的任务。因此,对地面传动组件的动力学研究至关重要。这包括深入分析运动变换机构,即缆绳和滚筒、齿轮传动系统和发电机之间的机电耦合动力学特性。并且高空的风速通过伞梯与缆绳作为系统的输入,也显著影响整个系统的运行。通过建立高空伞梯做工伞的受力模型,缆绳滚筒动力学模型以及机电耦合模型,研究了额定风速下风电传动系统的机电耦合动态特性以及启动、发电运行工况下高空风电传动系统的动态特性,分析了滚筒-齿轮箱连接轴和的刚度、阻尼参数和缆绳滚筒的摩擦系数对风电传动系统机电耦合动态特性的影响。论文的研究所得到的特性和规律对高空风电地面传动组件动力学奠定了基础。本文主要研究内容有:(1)对高空伞梯的承受风载情况进行了推导,并且对高空风速进行了模拟,对伞梯组进行了流体分析,并对滚筒缆绳的动力学模型进行了推导,并且利用集中参数法建立了考虑时变啮合刚度和啮合误差等时变、非线性因素的齿轮系统扭转动力学模型,利用等效电路法建立了永磁同步发电机模型。将高空的风速带来的拉力转换为缆绳对于滚筒的作用力,通过滚筒耦合到齿轮动力学模型,形成了适用于缆绳滚筒变速/变载工况的风电传动系统机电耦合动力学模型。(2)在考虑内部激励因素下,对额定风速条件下齿轮传动与电气系统耦合的动态特性进行了探讨。考虑到滚筒因其体积及转动惯量较大的特点,在风速突变情况下,探讨了滚筒与齿轮系统之间的连接轴刚度及阻尼参数如何影响风电传动系统的机电耦合动态特性,并且探究了缆绳和滚筒的摩擦系数对系统动态特性的影响。(3)为研究在内外界激励影响情况下风电传动系统的动态特性,将风速模型生成的高空风速当作外部的气动输入,结合高空风电设备的运行原理,对整体的高空风电地面传动组件分别进行启动工况、发电运行工况和制动工况下风的动态特性分析。

关键词：机电耦合动力学高空风电齿轮动力学动态特性

空中爆炸载荷下复合材料夹层结构动态响应及抗毁伤性能分析

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空中爆炸载荷下复合材料夹层结构动态响应及抗毁伤性能分析

作者：陈哲伦重庆交通大学

学位级别：硕士

抗爆结构设计一直以来都是安防领域重点研究课题。新型材料和结构的出现对于改善传统防护结构质量大、防护性能低等缺点给出了新方向,同时也为结构轻量、高效化设计提供了研究思路。其中宏观负泊松比结构因较大变形空间具有优异吸能特性... 详细信息

抗爆结构设计一直以来都是安防领域重点研究课题。新型材料和结构的出现对于改善传统防护结构质量大、防护性能低等缺点给出了新方向,同时也为结构轻量、高效化设计提供了研究思路。其中宏观负泊松比结构因较大变形空间具有优异吸能特性,现已逐渐应用到冲击防护结构设计中,但抗破片侵彻性能不够理想。相比之下,高强聚乙烯层板与碳化硅陶瓷具有优异抗侵彻性能。将这三类材料按一定顺序组合,可得到抗爆性能优异的复合夹层结构。针对这种新型结构开展空中爆炸冲击下的毁伤响应研究具有重要工程意义,主要研究工作及结论如下:(1)以高强聚乙烯/内凹负泊松比蜂窝芯层/碳化硅陶瓷复合夹层结构为研究对象,对其在冲击波作用下的动态力学行为展开了数值模拟。探讨了芯层材料及配置顺序对结构抗爆性能的影响。结果表明,等面密度下,芯层配置对结构受载面压力分布、面板中心点速度以及吸能量均有较大影响。增加上面板支撑强度能明显增加受载面反射冲击波强度,层间传递载荷强度降低,芯层局部压溃失效可得到缓解。相较于增加高强聚乙烯层厚,陶瓷层的引入使得结构局部变形减小且芯层配置为碳化硅陶瓷/高强聚乙烯/内凹负泊松比蜂窝时结构变形速度降低,下面板变形吸能占比最小,抗爆性能最优。(2)开展了冲击波-破片联合作用下复合夹层结构毁伤特性研究。分析了芯层材料类型、配置顺序以及不同爆距和炸药当量对结构抗毁伤性能的影响。结果表明,高强聚乙烯材料的引入使得结构变形速度小于纯负泊松比蜂窝夹层,提高了结构整体响应程度。相较于增加高强聚乙烯层厚,引入陶瓷层能进一步降低芯层剪切失效范围,结构抗毁伤性能更优。爆距增加使得破片作用范围更大,芯层集中剪切冲塞失效转变为独立穿孔破坏,破片侵彻能力减弱。柱状炸药高度在一定范围内增加可使得炸药有效药量增大以及有效装药形状发生变化,导致芯层更易出现局部剪切撕裂,结构抗毁伤性能下降。(3)进一步分析了面板厚度配比、碳化硅陶瓷/高强聚乙烯层厚配比以及蜂窝胞元参数对复合夹层结构抗毁伤性能的影响规律。结果表明,等面密度下,面板厚度通过改变芯层对破片动能耗散以及下面板对冲击载荷的平衡来达到影响结构防护性能的效果。下面板厚度的增加使得芯层局部压溃失效得以缓解,结构整体变形降低。随着碳化硅陶瓷/高强聚乙烯层厚配比增大,中心破片剩余速度大小呈抛物线形式变化,结构抗毁伤性能呈现先增后降的变化趋势。胞元高度和壁厚增加对结构抗毁伤性能均起到提升效果,而胞元长度和夹角增加对结构抗毁伤性能有一定劣化作用。其中,胞元长度增加使得芯层负泊松比效应降低,结构抗毁伤性能呈降低趋势;而夹角增大会使得结构抗毁伤性能呈先降后增趋势。

关键词：复合夹层结构爆炸冲击波破片载荷毁伤机理防护性能

SiC陶瓷/混杂复合纤维防弹插板弹道侵彻性能研究

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SiC陶瓷/混杂复合纤维防弹插板弹道侵彻性能研究

作者：李世岳重庆交通大学

学位级别：硕士

现代防弹插板需要轻质化及高强度功能并存,为解决防弹插板质量较大所导致机动性能的降低,国内外学者对其结构、材料等方面进行了大量研究,以陶瓷作为面板、高纤维复合材料或金属材料作为背板的组合成为了当今满足轻质化和高强化的主流... 详细信息

现代防弹插板需要轻质化及高强度功能并存,为解决防弹插板质量较大所导致机动性能的降低,国内外学者对其结构、材料等方面进行了大量研究,以陶瓷作为面板、高纤维复合材料或金属材料作为背板的组合成为了当今满足轻质化和高强化的主流。本文从防护结构高强化出发,对SiC陶瓷/层间混杂纤维复合材料进行多元结构设计。探究防弹插板在侵彻阶段的力学响应规律、损伤机理以及抗冲击性能,为高性能防弹插板提供新的设计研发思路。基于复合材料基体的渐进损伤本构及Hashin-3D失效准则,在复合材料层合板间粘接层引入cohesive内聚力层间损伤本构建立子弹侵彻防弹插板数值模拟模型,利用文献实验数据验证该模型的准确性;在此基础上,在等密度约束条件下建立不同背板材料（超高分子量聚乙烯、合金）组合的防弹插板模型,探究陶瓷在不同子弹速度下的抗侵彻性能,从应力波演变、陶瓷锥形成及陶瓷层吸能等方面进行对比分析,结果显示,等密度下超高分子量聚乙烯作为背板时插板的抗侵彻性能表现更佳,同时形成的陶瓷锥大小与子弹速度正相关。基于Hashin-3D失效准则对abaqus进行VUMAT子程序二次开发,对复合背板材料芳纶以及超高分子量聚乙烯进行弹道侵彻仿真,探究复合材料损伤失效机理、吸能特性及其铺层结构对内部应力波的影响。结果显示两种背板材料最高的弹道极限性能在正交结构[0/90]10n铺层下,相比于其他三种铺层角度的弹道极限性能至少提高3.9%。对防弹插板的复合材料背板进行芳纶/超高分子量聚乙烯层间纤维混杂设计,并开展弹道侵彻数值模拟,深入分析探讨了不同结构之间的相互协同效应及其对弹道性能和损伤特性的影响规律。结果显示插板整体抗侵彻性能随着超高分子量聚乙烯UHMWPE比例的增加而提升,Kevlar与UHMWPE的比例为1:9时达到最佳,在防弹插板侵彻温升状态下,Kevlar能够在一定程度上减小损伤变形。

关键词：纤维混杂损伤机理吸能特性应力波侵彻性能

金属低周疲劳过程中耗散能分析及其快速评估方法研究

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金属低周疲劳过程中耗散能分析及其快速评估方法研究

作者：王佳林重庆交通大学

学位级别：硕士

疲劳寿命传统测试方法成本高昂、费时耗力,因此发展低成本、高效率的疲劳性能快速评估方法成为实际工程应用中的热点问题。近年来较为成熟的红外热像法随着红外测量仪器的升级其测量精度显著提高,然而基于试验测量的方法在疲劳性能快速... 详细信息

疲劳寿命传统测试方法成本高昂、费时耗力,因此发展低成本、高效率的疲劳性能快速评估方法成为实际工程应用中的热点问题。近年来较为成熟的红外热像法随着红外测量仪器的升级其测量精度显著提高,然而基于试验测量的方法在疲劳性能快速评估过程中无法准确测算疲劳试件与试验环境中的热交换能量,导致其测量精度不够而无法广泛应用。其原因之一是该方法评价疲劳寿命的机理尚未系统明晰,故研究疲劳过程中的损伤机理问题,并在此基础上探究低周疲劳性能快速评估方法具有实际工程价值。本文以低周疲劳标准骨棒试件为研究对象,为得到低周疲劳过程中的能量输入,对低周疲劳过程中应力应变瞬态响应规律进行研究。仿真与试验对比结果表明,由各向同性硬化模型和随动硬化模型组合而成的混合硬化模型能够很好地模拟低周疲劳过程中的应力应变瞬态响应。基于低周疲劳过程中的应变能生热机理与热传递理论,对试件在循环载荷下的生热过程进分析;针对不同环境的散热条件,分析受载过程中热对流热辐射以及加载频率引起的耗散能演变规律。研究表明,304ss低周疲劳过程中,热对流热辐射所耗散能量占总耗散能的54%以上,且随着热对流系数增大而不断提高,所以在耗散能评估测算时不可忽略;单位时间单位体积的耗散能随着加载频率的升高而不断增大;每个循环周期所耗散的能量会随着加载频率的增大而减小。根据低周疲劳过程中的生热分析与Voronoi方法建立疲劳过程细观数值模拟模型;基于耗散能理论从细观角度分析疲劳过程中晶粒晶界局部塑性变形及其与温升的关系。结果表明,细观角度下局部塑性变形主要沿着晶界垂直于载荷方向分布,且由晶界向晶粒扩散,与实际疲劳试件断裂方向相符合;初始温升沿着晶界塑性变形方向分布。基于非弹性耗散能临界值理论,提出了金属低周疲劳性能快速评估方法,并对304ss低周疲劳性能进行快速评估,评估结果与试验结果相对误差较小,证明了本文评估方法的可靠性。探究了低周疲劳加载频率对疲劳性能快速评估结果的影响,结合Miner累积损伤理论,形成了剩余寿命预测模型。结果显示,随着加载频率升高,载荷峰值沿作用时间分布区域变窄,循环载荷单周期耗散能减小,导致疲劳性能快速评估结果偏大。

关键词：低周疲劳耗散能非弹性效应疲劳快速评估细观模型

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铝合金板焊接残余应力数值模拟及其评估控制

铝合金板焊接残余应力数值模拟及其评估控制

作者：杨全重庆交通大学

学位级别：硕士

由于焊接加热的局部性和瞬时性,使得工件焊接过程中存在不协调的塑性应变,在工件冷却后形成分布不均的焊接残余应力。特别对于热传导高、热膨胀系数较大的铝合金来说,焊接时更容易产生较大的不协调塑性变形。因此研究铝合金焊接过程残... 详细信息

由于焊接加热的局部性和瞬时性,使得工件焊接过程中存在不协调的塑性应变,在工件冷却后形成分布不均的焊接残余应力。特别对于热传导高、热膨胀系数较大的铝合金来说,焊接时更容易产生较大的不协调塑性变形。因此研究铝合金焊接过程残余应力应变的演化过程及形成机理,对评估和消减残余应力具有重大意义。本文基于流体力学、传热学、应力应变等基本理论,在理论分析的基础上进行有限元数值模拟,建立热源移动的三维焊接有限元模型,对焊缝残余应力形成过程及影响因素开展研究。本文主要工作如下:探寻焊接过程中浮力、电磁力、Marangoni力和电弧力耦合作用下熔融金属液体产生的流动特性对焊接温度场的影响规律。对比分析焊接过程中熔池的流场和温度场分布,找寻流场对温度场的影响规律。分析结果显示:随着电流的增大和熔池搅动速度的增加,热量向四周扩散速率随之增大,热流更为分散,降低了温度场峰值,但增大了熔池体积。开展基于热-弹-塑性理论的焊接过程数值模拟。量化分析整个焊接过程中的温度场和应力应变场的分布规律以及应力应变随时间的演变轨迹;通过改变输入热量的大小,得到分布相似峰值不同的纵向和横向残余应力,探寻温度场对残余应力场的影响规律,发现横向残余应力变化对温度更为敏感。进行焊接路径对残余应力的影响研究。由于不同焊接路径会改变输入热量产生的温度场,进而影响残余应力场。以分段焊接路径为出发点,对比不同焊接路径下的温度场演变规律和纵横两向残余应力场分布规律,分析结果表明:分段焊接能有效降低温度场峰值从而降低残余应力水平,并且从焊接工件中心向外焊接是最优的路径。通过设计正交优化试验,分析焊接电压、焊接电流和焊接速度对焊接残余应力场的影响规律和影响程度,求解出最优组合。并基于最优焊接工艺参数组合,研究坡口因素对焊接残余应力场的影响。研究结果显示:焊接I形坡口残余应力小于Y形坡口,且Y形坡口残余应力随着坡口角度的增加而增大。

关键词：焊接残余应力熔池流动焊接路径优化焊接工艺参数优化

残余应力与交变荷载耦合作用下桥梁铝合金构件疲劳性能研究

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残余应力与交变荷载耦合作用下桥梁铝合金构件疲劳性能研究

作者：贾二锁重庆交通大学

学位级别：硕士

铝合金因为轻质、高强、耐腐蚀等优点而被广泛应用于机械制造、航空航天、交通装备等领域。国外将铝合金型材应用于桥梁结构的现象已十分广泛,国内亦有不少典型示范。总体而言,我国在该领域发展相对滞后,有不少相关应用技术问题急需研... 详细信息

铝合金因为轻质、高强、耐腐蚀等优点而被广泛应用于机械制造、航空航天、交通装备等领域。国外将铝合金型材应用于桥梁结构的现象已十分广泛,国内亦有不少典型示范。总体而言,我国在该领域发展相对滞后,有不少相关应用技术问题急需研究解决。工业上一般通过固熔、淬火等热处理工艺来改善铝合金机械性能。但淬火过程中温度场分布不均匀分布使其内部形成残余应力,特别是尺寸越大、截面形状越复杂的铝合金型材,淬火残余应力的分布更加不均匀。淬火残余应力会一直作用于材料内部,影响后续加工流程和服役状态,甚至造成材料开裂而报废。一般而言,对于大型铝合金桥梁结构需要多根型材连接而成,焊接工艺具有变形小、易加工等优点而被用于桥梁建设中,但焊接过程会在焊缝附近产生焊接残余应力。焊接残余应力与淬火残余应力综合作用,影响桥梁的后续服役寿命。桥梁铝合金型材在服役过程中,在残余应力与交变的工作荷载的共同作用下,因材料瑕疵而出现初始裂纹,继而发生裂纹扩展。因此研究残余应力与交变荷载耦合作用下的铝合金型材裂纹扩展趋势及疲劳寿命具有重要的工程借鉴意义。本文在理论分析的基础上采用有限元法对铝合金型材喷淋淬火过程及焊接过程进行数值模拟,分析残余应力的分布规律及演变趋势;并对残余应力作用下裂纹的应力强度因子进行求解,探寻残余应力作用下裂纹的变化规律及演变趋势;最后对残余应力与交变荷载耦合作用下的疲劳寿命进行研究。得出如下结论:(1)铝合金型材淬火过程中,表层热应力经历了由拉应力过渡到压应力的变化过程,心部热应力经历了由压应力过渡到拉应力的变化过程;淬火结束后,型材残余应力呈现出“外压内拉”的分布状态。且表面残余应力的最大值分布在棱角处,心部残余拉应力的最大值在型材心部附近。淬火前期的温度梯度是残余应力产生的主要原因。(2)铝合金型材焊接过程中,测量点越靠近焊缝温度峰值越高,并且达到峰值所需时间越短。当热源中心移动至焊缝中心测量点时,温度急剧上升并到达峰值。随着热源远离,该测量点温度开始逐渐冷却至室温,但变化速率相对缓慢。焊接的起始端温度峰值相对较低,末端峰值最大。焊接熔池区域为零应力。焊件冷却后,焊道两侧区域呈压应力分布,而焊缝区域为拉应力分布。(3)在应力强度因子数值模拟过程中,淬火残余压应力对表层裂纹扩展起到抑制作用,而焊接残余应力加剧裂纹的扩展倾向。施加不同的残余应力,裂纹的扩展趋势不同;裂纹半径越大,扩展趋势越明显。(4)在疲劳寿命的计算过程中,型材的疲劳寿命随着交变载荷最值的增大而减小;裂纹半径取值越小,裂纹扩展速率越慢,即裂纹半径越小,疲劳寿命越高;同时,裂纹半径较小时,疲劳寿命对裂纹尺寸的变化较为敏感。

关键词：铝合金型材残余应力应力强度因子疲劳寿命

残余应力作用下高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳寿命研究

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残余应力作用下高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳寿命研究

作者：李鑫重庆交通大学

学位级别：硕士

高强钢作为新一代的汽车钢材具有优异材料的性能,电阻点焊是其在车身制造中最常用的连接技术。点焊接头具有帮助车体各零件传递载荷的作用,其在承受冲击、碰撞以及疲劳载荷时极易发生断裂,点焊残余应力会影响其裂纹扩展,降低结构的安全... 详细信息

高强钢作为新一代的汽车钢材具有优异材料的性能,电阻点焊是其在车身制造中最常用的连接技术。点焊接头具有帮助车体各零件传递载荷的作用,其在承受冲击、碰撞以及疲劳载荷时极易发生断裂,点焊残余应力会影响其裂纹扩展,降低结构的安全性与疲劳寿命。因此,研究高强钢点焊接头的裂纹扩展及疲劳寿命不可忽略残余应力这一因素。本文以承受拉剪载荷的汽车点焊接头为研究对象,研究其在焊接过程中熔核的形成机理以及残余应力的分布规律;在考虑残余应力的基础上,从细观和宏观两个尺度分析点焊接头在高应变率载荷下的断裂过程,并探究车身焊点在发生快速断裂时残余应力对裂纹扩展的影响;对比有无残余应力状态下点焊接头折线疲劳裂纹的局部应力强度因子,得出残余应力作用下焊点疲劳裂纹扩展的规律;采用多项式拟合外推法求解等效应力强度因子随裂纹深度比变化的表达式,建立残余应力作用下的点焊接头疲劳寿命预测模型,对比分析有无残余应力状态下的疲劳寿命与裂纹扩展速率,探讨预拉伸消减残余应力工艺对点焊接头疲劳寿命的改善效果。其得到的主要结论如下:（1）熔核的形成与接触压力和电流密度密不可分,其首先在两工件接触面产生并朝轴向和径向同时生长,且沿径向的生长速度大于沿轴向的生长速度。焊接过程中熔核区域主要表现为压应力,且最大压应力区也集中在该区域,点焊产生的残余拉应力主要分布于熔核以及热影响区域,当距离熔核中心长度超过2.2倍熔核半径时,残余应力表现为压应力。（2）宏观尺度下,残余应力使点焊接头承载能力下降,裂纹萌生时间缩短构件提前断裂,其所能承受的最大拉剪力下降约6.4%;宏观尺度下的断裂在细观上表现为多个晶间裂纹的萌生与汇合,存在残余应力时晶间裂纹的萌生位置发生变化,且萌生时间提前,裂纹扩展后期开裂单元个数与裂纹面面积显著增加,残余应力会使材料断裂区域增大,增幅约为60.8%。（3）残余应力对全局应力强度因子及无穷小折线裂纹的局部应力强度因子几乎无影响;当折线裂纹深度不为0时,残余应力对张开型应力强度因子的影响最为显著,且其影响程度随裂纹深度比的增加而提高,裂纹深度比为1时,k增幅约为226%。（4）在残余应力作用下,疲劳裂纹的整体扩展趋势不变但扩展速率显著增加,裂纹扩展至相同深度时所经历的循环次数明显降低,疲劳寿命下降约64.7%;对点焊接头进行预拉伸可以显著降低残余拉应力,提高其疲劳寿命,改善效果与预拉载荷呈正相关,最佳预拉载荷为失效载荷的50%左右。

关键词：点焊残余应力裂纹扩展局部应力强度因子疲劳寿命

基于深度学习和机器人的RC桥梁表观病害图像识别方法研究

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基于深度学习和机器人的RC桥梁表观病害图像识别方法研究

作者：周清松重庆交通大学

学位级别：硕士

近年来,在中国科技飞速发展的背景下,通过高科技检测设备搭载高分辨率相机对桥梁表观核心部位进行拍摄,并运用深度学习算法从图像中自动定位识别病害类型,是顺应当前桥梁检测方法发展趋势。针对在桥梁表观病害图像中,病害部位占比少,背... 详细信息

近年来,在中国科技飞速发展的背景下,通过高科技检测设备搭载高分辨率相机对桥梁表观核心部位进行拍摄,并运用深度学习算法从图像中自动定位识别病害类型,是顺应当前桥梁检测方法发展趋势。针对在桥梁表观病害图像中,病害部位占比少,背景信息复杂、干扰因素多,同时以实现实时自主高准确率的检测识别桥梁表观病害为目的,本文提出一种基于深度学习的RC桥梁表观病害检测识别方法,并自主研发制作一款搭载高清相机的六足爬壁机器人,通过爬壁机器人获取桥梁表观画面并传回地面站进行实时检测识别,建立了一套半自动化桥梁表观病害检测识别系统。本文的主要研究内容如下:（1）针对现有公开桥梁表观病害数据集难以提供高质量的数据服务,本文收集整理712张常见桥梁表观病害图像,采用Label Img软件对图像病害部位进行人工标注,并与开源数据集融合后总共有1764张高分辨率桥梁表观病害图像。采用数字图像处理仿射变换技术对融合后的图像进行目标病害的多样性扩充,实现了在减少数据收集工作量的同时大幅提高YOLOv3对桥梁表观病害检测识别定位的能力。（2）针对桥梁表观病害特征多样化、尺度多样化和分布多样化等特性造成直接应用YOLOv3的检测识别效果差,提出一种改进的YOLOv3桥梁表观多病害检测识别方法。首先,引入Dense Net替换原部分特征提取网络,从而大幅度减少网络计算参数量以及改善了特征的传播和利用率;其次,在多尺度检测模块分支中嵌入SPP模块,能促进局部特征与全局特征更有效融合;最后,引入当前最优边框回归损失函数CIOU,并利用K-means聚类算法生成适用于本课题研究的YOLOv3先验框数据。这些改进方法有效地提高了算法对桥梁表观病害的检测识别定位能力,改进后YOLOv3的检测平均准确率（m AP）达到了86.3%。（3）针对桥梁表观病害检测高度依赖人工借助相关工具的传统方法具有效率低、主观性强、风险指数高等不利因素,本课题团队自主研发设计一款六足爬壁机器人。采用STM32F103开发板、舵机控制板、树莓派为核心组成硬件,以树莓派搭载高清相机部署在机器人端,利用frp内网穿透技术,可在地面工作站远程获取桥梁表观实时画面并利用所改进算法进行自主检测识别,采用Py Qt5设计开发了一款实时目标检测上位机软件,能直观展示实时检测识别的结果。

关键词：深度学习桥梁表观病害仿射变换技术 YOLOv3 爬壁机器人