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一种基于机器学习的零刚度隔振超材料设计及性能验证

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复合材料学报 2024年第5期41卷 2599-2608页

作者：赵哲杨来侠吴玲玲田小永代鑫西安科技大学机械工程学院西安710054 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

准零刚度隔振器作为国内外主流的非线性隔振器,凭借其高静态刚度和低动态刚度力学特性,在机械工程领域应用较多,但近零刚度范围窄、后期组装繁琐等问题限制了其隔振的应用范围,通过结构设计使近零刚度范围增大,且能通过一体化成型技术... 详细信息

准零刚度隔振器作为国内外主流的非线性隔振器,凭借其高静态刚度和低动态刚度力学特性,在机械工程领域应用较多,但近零刚度范围窄、后期组装繁琐等问题限制了其隔振的应用范围,通过结构设计使近零刚度范围增大,且能通过一体化成型技术快速制备方面的研究仍较稀缺。本文基于能量屏蔽理论设计了一种新型零刚度单元结构,通过将外界输入能量循环于超材料内部,从而屏蔽外界对隔振对象的能量输入,达到隔振效果。该研究首先设计出具有优化潜力的初始结构,然后使用机器学习与有限元分析结合的方法对初始结构进行优化,自动搜索出最优的超材料结构参数,且最优结构满足零刚度性能设计要求,之后使用3D打印对最优结构单元及2×2阵列结构进行一体化制造。并对样件进行静态实验验证,实验结果表明:在静态压缩过程中,该结构的等效刚度在大范围内近似于0。又对阵列结构进行动态振动实验,结果得出,阵列结构在23 mm振幅下0.1~100 Hz范围内,9.2 kg载荷隔振性能最优,最小传递率可达-61 dB,载荷越接近9.2 kg隔振性能越好。该结构具有结构简单、一体化成型等优势,可应用于列车座椅、康复医疗设备、精密仪器保护及微重力环境等领域下的隔振。

关键词：超材料机器学习零刚度隔振结构 3D打印

基于焦耳热的滑压式增材制造方法温度场数值模拟与实验

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稀有金属材料与工程 2024年第2期53卷 386-395页

作者：李素丽熊杰高壮马恺悦吕佳文高扬杨来侠卢秉恒西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 国家增材制造创新中心陕西西安710300 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室陕西西安710049

提出了一种针对小型金属零部件的低成本、高精度的焦耳热金属熔丝增材制造技术。在此过程中,系统温度场和热历史对于实验分析具有重要意义。本研究主要利用有限元仿真软件建立三维焦耳热金属熔丝增材制造的热-电-结构耦合有限元模型,分... 详细信息

提出了一种针对小型金属零部件的低成本、高精度的焦耳热金属熔丝增材制造技术。在此过程中,系统温度场和热历史对于实验分析具有重要意义。本研究主要利用有限元仿真软件建立三维焦耳热金属熔丝增材制造的热-电-结构耦合有限元模型,分析了制造过程中温度场变化规律以及丝材内部和基板的温度分布和等温面形状。结果表明:焦耳热在丝材与滚轮之间产生,丝材内部在0.1 s内升温至2700℃,滚轮移动后,最大温度位置随着滚轮的移动而移动,丝材内部温度梯度呈拱形,基板温度梯度呈半椭球形。模拟结果的截面熔核区域与实验截面熔核区域吻合较好。因此,所建立的有限元模型能够较准确地模拟焦耳热熔丝增材制造过程温度场,对实验机理的研究和后期的进一步加工有着重要指导意义。

关键词：增材制造焦耳热热-电-结构耦合温度场模拟

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激光旁轴送气结构设计与分析

精密成形工程 2024年第1期16卷 167-173页

作者：徐超东岳峰熊杰蒙思羽李素丽杨来侠西安科技大学机械工程学院西安710054 西北农林科技大学水利与建筑工程学院西安712100

目的通过了解激光增材技术,设计一种送丝送气一体化机构,并建立相应模型。方法通过对不同送丝送气机构进行对比分析,设计出3种方案,并通过流体模型分析保护气体氩气的流动情况,最终得出最合理的安装位置。第1种方案是采用送丝机构与送... 详细信息

目的通过了解激光增材技术,设计一种送丝送气一体化机构,并建立相应模型。方法通过对不同送丝送气机构进行对比分析,设计出3种方案,并通过流体模型分析保护气体氩气的流动情况,最终得出最合理的安装位置。第1种方案是采用送丝机构与送气机构对冲的两轴送丝送气设计方案;第2种方案是采用送丝机构与送气机构同路的设计方案;第3种方案是选择两路送气机构与送丝机成夹角对冲的设计方案。结果在第1种方案中,送丝机构与送气机构的对冲会导致气流紊乱,产生气体流动扩散现象,可以明显看到有一个保护气体比较密集的区域。在第2种方案中,当送丝机构与送气机构同路时,在工作过程中有可能出现防氧化效果不够好的情况。在第3种方案中,两路送气机构与送丝机成夹角对冲可以有效控制氩气的流动,提高氩气的利用率,在这里进行丝材的激光熔覆将会起到最大的防氧化保护作用。结论通过对不同送丝送气机构进行对比分析,最终确定三路送气方案的保护效果最佳。

关键词：激光增材制造送丝送气一体化设计带传动送丝机构流体模拟氩气

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个性化无规则多孔钛腰椎融合器的结构分析

机械科学与技术 2023年

作者：李素丽赵京生杨来侠机械制造系统工程国家重点实验室西安交通大学西安科技大学机械工程学院

利用有限元分析方法比较不同无规则多孔结构融合器在腰椎模型直立工况下力学性能的差异。基于脊椎腰段CT扫描数据，利用计算机辅助软件对腰椎L4-L5节段进行逆向工程重塑，根据腰椎模型设计了平均孔径大小为0.65mm、0.75mm和0.85mm且孔... 详细信息

利用有限元分析方法比较不同无规则多孔结构融合器在腰椎模型直立工况下力学性能的差异。基于脊椎腰段CT扫描数据，利用计算机辅助软件对腰椎L4-L5节段进行逆向工程重塑，根据腰椎模型设计了平均孔径大小为0.65mm、0.75mm和0.85mm且孔隙率分别为67.6%、72.8%和77.8%三种不同的Voronoi无规则多孔融合器结构，利用ANSYS模拟腰椎直立压缩工况，对比分析了腰椎位移量和椎间融合器的位移量、等效应力应变及弹性模量情况。结果表明：三种不同参数的融合器表面应力不存在集中现象，而平均孔径为0.75mm且孔隙率为72.8%的无规则多孔腰椎融合器的等效应力峰值最低，相比其它两种降低了35.9%-54.2%，最大位移量为0.092mm，与健康腰椎相比降低了0.046mm，此外弹性模量与平均孔径为0.85mm且孔隙率为77.8%的相差不大，都能满足自体骨性能要求。因此，平均孔径为0.75mm且孔隙率为72.8%的无规则腰椎融合器结构最优，可以有效改善锥体稳定性，同时为日后的个性化无规则多孔融合器的设计提供了基础。

关键词：腰椎融合器个性化无规则多孔有限元分析

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面向野外装备应急维修的金属增材制造技术

粉末冶金技术 2022年第4期40卷 325-333页

作者：杨来侠党苏武王鑫宇西安科技大学机械工程学院西安710054

金属增材制造技术具有利用率高、柔性高及快速性等特点,如果将其用于野外装备应急维修,将能有效克服传统装备应急维修方法的缺陷,提升野外装备的应急保障能力。本文对常见金属增材制造技术的成形效率、成形精度、力学性能进行对比,结合... 详细信息

金属增材制造技术具有利用率高、柔性高及快速性等特点,如果将其用于野外装备应急维修,将能有效克服传统装备应急维修方法的缺陷,提升野外装备的应急保障能力。本文对常见金属增材制造技术的成形效率、成形精度、力学性能进行对比,结合金属增材制造技术在国内外装备维修领域的应用现状以及野外装备应急维修的特点,从成形质量、成形能力、设备机动性以及抗干扰能力等几个方面展开分析,得出激光熔覆沉积以及电弧熔丝技术更适用于野外装备应急维修。最后就激光熔覆沉积以及电弧熔丝技术应用于野外装备应急维修亟待解决的问题以及今后发展趋势展开讨论。

关键词：野外装备应急维修金属增材制造技术金属增材修复装备保障

3D打印连续纤维增强聚碳酸酯复合材料预浸丝制备与性能

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复合材料学报 2023年第10期40卷 5654-5665页

作者：杨来侠刘波刘腾飞高扬田小永西安科技大学机械工程学院西安710054 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

为降低3D打印连续纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的孔隙率,提高树脂对纤维的浸渍程度,需要开展熔融浸渍连续纤维预浸丝制备与3D打印性能研究,开发纤维预浸渍一体化设备。本文以玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强体,聚碳酸酯(PC)为基体,... 详细信息

为降低3D打印连续纤维增强聚合物(CFRP)复合材料的孔隙率,提高树脂对纤维的浸渍程度,需要开展熔融浸渍连续纤维预浸丝制备与3D打印性能研究,开发纤维预浸渍一体化设备。本文以玻璃纤维(GF)、碳纤维(CF)作为增强体,聚碳酸酯(PC)为基体,开发熔融浸渍预浸丝制备工艺,研究浸渍工艺对预浸丝性能的影响。以预浸丝为原料,研究3D打印成形工艺参数对纤维含量、孔隙率及力学性能的影响规律。结果表明:连续玻璃纤维增强聚碳酸酯(CGF/PC)预浸丝的拉伸强度为627.8 MPa,当打印温度为260℃,分层厚度为0.10 mm,扫描间距为1.0 mm时,连续碳纤维增强聚碳酸酯(CCF/PC)复合材料纤维含量为28.66vol%,拉伸强度和模量分别644.8 MPa和85.6 GPa,优化后孔隙率为3.87%。当打印温度为280℃,分层厚度为0.14 mm,扫描间距为1.2 mm时,CGF/PC复合材料纤维含量为51.35vol%,拉伸强度和模量分别为381.4 MPa和23.6 GPa,优化后孔隙率为4.41%。

关键词：连续纤维聚碳酸酯孔隙率预浸丝力学性能 3D打印

扫描速度对激光沉积ER630丝材修复层力学性能与显微组织的影响

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金属热处理 2022年第8期47卷 271-278页

作者：杨来侠李佳乐徐超杨文选西安科技大学机械工程学院陕西西安710054

采用直接激光沉积法(DLD)在45钢基材上激光沉积ER630丝材,研究了扫描速度对ER630丝材修复层力学性能和组织的影响。结果表明,随着扫描速度的不断提高,ER630修复层中夹渣逐渐增多,且尺寸逐渐增大;扫描速度对ER630丝材修复层密度的影响可... 详细信息

采用直接激光沉积法(DLD)在45钢基材上激光沉积ER630丝材,研究了扫描速度对ER630丝材修复层力学性能和组织的影响。结果表明,随着扫描速度的不断提高,ER630修复层中夹渣逐渐增多,且尺寸逐渐增大;扫描速度对ER630丝材修复层密度的影响可忽略不计。在30 mm/s扫描速度下,组织主要为板条柱状马氏体和少量圆胞状奥氏体,随着扫描速度的提高,板条柱状马氏体减少,圆胞状奥氏体逐渐增多。在30 mm/s扫描速度下,激光沉积丝材试样的力学性能与550℃时效处理的630不锈钢相当。随着扫描速度的提升,屈服强度与硬度均呈下降趋势,30 mm/s时屈服强度最大,为961.07 MPa, 40 mm/s时硬度最大,为428.88 HV。拉伸断口形貌为韧窝断裂或准解理断裂,可见DLD工艺可实现优异的冶金结合;比较30 mm/s扫描速度下的强度,当沉积效率提高至2倍时,仍能得到较好的修复强度。

关键词：直接激光沉积 ER630丝材修复层力学性能显微组织沉积效率

TA15钛合金L-PBF成形过程气孔数值模拟及工艺参数研究

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机械科学与技术 2023年

作者：杨来侠戴杰慎松张恒李庆宇陈祯西安交通大学机械工程学院西安科技大学机械工程学院国家增材制造创新中心中国航发动力股份有限公司

激光粉末床熔融(L-PBF)逐点、逐线、逐体成形的特点往往会产生难以控制的缺陷，气孔是影响L-PBF成形件质量的典型缺陷之一。因此研究气孔对提高L-PBF成形件力学性能很有必要。本文考虑材料随温度变化的热物性参数，基于离散元法(DEM)建... 详细信息

激光粉末床熔融(L-PBF)逐点、逐线、逐体成形的特点往往会产生难以控制的缺陷，气孔是影响L-PBF成形件质量的典型缺陷之一。因此研究气孔对提高L-PBF成形件力学性能很有必要。本文考虑材料随温度变化的热物性参数，基于离散元法(DEM)建立了TA15钛合金L-PBF成形过程熔池介观尺度的多物理场数值计算模型，利用流体体积(VOF)法对熔池自由表面进行追踪模拟，采用计算流体力学(CFD)FLOW-3D软件对TA15钛合金L-PBF成形过程的气孔进行数值模拟，研究激光功率P和扫描速度v对熔池气孔的影响规律。结果表明：随着激光功率的增加和扫描速度的降低，熔池深度呈增大趋势，气孔数量增多，熔池内产生孔隙的激光能量密度阈值为E=0.0433 MJ·m-1·s-1/2时。本文通过研究TA15钛合金L-PBF成形过程中熔池气孔形成，为增材制造过程中工艺参数的选择提供指导。

关键词：数值模拟激光粉末床熔融气孔钛合金

热冲击环境下涂层/基底界面的微观形貌及元素扩散规律研究

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航空制造技术 2023年第19期66卷 14-21页

作者：杨来侠高伟赵晋超高扬徐超西安科技大学西安710054

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分... 详细信息

针对热障涂层在高温环境中长期服役的需求,研究热障涂层在热冲击环境下涂层/基底界面形貌演变及元素扩散规律。通过自主搭建的石英灯加热平台对热障涂层进行热冲击试验。利用SEM和EDS对热冲击后涂层/基底界面的微观形貌及元素分布进行分析,利用Boltzmann-Matano扩散模型计算了涂层/基底界面Al元素的扩散系数。结果表明,沉积态的热障涂层中黏结层(BC)主要由β和γ相组成,并且在涂层/基底界面已经出现扩散区;随着热冲击试验的进行,Al元素快速消耗致使BC层和基底间Al元素浓度梯度转变,Al元素开始向外扩散,部分拓扑密堆(TCP)相中富集的难熔元素可以重新固溶到基底中,最终各元素在界面区的分布逐渐均匀;Al元素的扩散系数在热冲击试验开始前为正值,到600次热冲击循环后为负值,且扩散系数的最大值均出现在涂层/基底界面处,距离界面越大,扩散系数就越低。

关键词：热障涂层(TBCs) 热冲击元素扩散扩散系数拓扑密堆相(TCP)