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碳纤维-Kevlar纤维混杂增强复合材料铣削刀具结构设计及试验研究

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碳纤维-Kevlar纤维混杂增强复合材料铣削刀具结构设计及试验研究

作者：欧阳晨恺湖南科技大学

学位级别：硕士

轻量化设计在各行各业中变的越来越重要,为了提高复合材料的综合属性,采用纤维混杂复合材料是有效途径,平纹编织C-K纤维混杂增强复合材料（Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH）由碳纤维与Kevlar纤维混杂复合而成,在航空航天,... 详细信息

轻量化设计在各行各业中变的越来越重要,为了提高复合材料的综合属性,采用纤维混杂复合材料是有效途径,平纹编织C-K纤维混杂增强复合材料（Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH）由碳纤维与Kevlar纤维混杂复合而成,在航空航天,军用设备、风能和汽车中应用广泛。而在CKFH加工中,由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异的特点,使其加工机理相较于单种纤维复合材料的更为复杂,由此可见,研究CKFH加工机理,提升表面加工质量十分必要。为解决纤维增强复合材料中的加工缺陷,构建CKFH的微-宏观有限元切削仿真模型,对纤维的切削去除机理及平纹编织结构对切削的影响结合试验结果进行深入、系统分析;基于CKFH纤维切削去除机理,提出了“拉-剪”去除材料理念,并通过有限元流体仿真与有限元切削仿真验证其有效性,根据此理念设计新型复合结构刀具,设计相关试验与缺陷评价方法。在此基础上,通过不同结构刀具铣削加工CKFH试验与不同铣削参数加工CKFH试验,分析了刀具结构与铣削参数对铣削力、铣削温度及加工质量的影响规律。本文主要研究结论如下:（1）在CKFH微观切削过程中,当单根纤维纤维取向不同,碳纤维与Kevlar纤维断裂特点不一,碳纤维多出现弯曲、屈曲脆性断裂,出现凹坑、碎裂等现象;Kevlar纤维多出现屈弯曲和碾压变形,出现抽丝、松散等现象。当两种纤维互相影响时,从碳纤维切向Kevlar纤维时,Kevlar纤维出现明显松散、抽丝拉毛现象;从Kevlar纤维切向碳纤维时,由于Kevlar纤维的韧性弯曲,促使弯曲区碳纤维的弯曲脆断、碎裂,而Kevlar纤维出现明显的抽丝拉毛现象,碳纤维弯曲脆断区出现凹坑。（2）在CKFH宏观切削过程中,纬向纤维束取向对两种纤维束影响不一,当纬向纤维束取向γ=0°/180°时,碳纤维束切削表面较为平整,Kevlar纤维束有严重拉毛现象;当纬向纤维束取向γ=45°时,碳纤维束切削表面光洁,Kevlar纤维束切削表面较为平整;当纬向纤维束取向γ=90°时,碳纤维束出现弯曲和接触脆断,Kevlar纤维束的边缘易出现抽丝拉毛现象;当纬向纤维束取向γ=135°时,碳纤维束内易产生分层现象,切削表面较为粗糙,Kevlar纤维束切削表面粗糙,纤维回弹现象明显;平纹编织结构对切削应力的传递具有明显的阻断作用。（3）对比不同结构刀具加工CKFH的影响,新型复合结构铣刀能够有效减少进给力,减低切削温度,提高表面加工质量,“拉-剪”去除材料作用明显;对比不同铣削参数加工CKFH的影响,在高进给速度低切削速度时能获得较好的加工质量,切削温度、进给力F与切向力F基本与进给速度和切削速度成正比。

关键词：混杂增强复合材料复合结构刀具切削机理切削力切削温度

平纹编织碳纤维/Kevlar纤维增强混杂复合材料微宏观切削去除机理研究

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机械工程学报 2022年第21期58卷 331-348页

作者：苏飞欧阳晨恺李纯杰郑雷蔡志华湖南科技大学难加工材料高效精密加工湖南省重点实验室湘潭411201 盐城工学院机械工程学院盐城224051

由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异,在C-K纤维混杂增强复合材料(Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH)加工中易产生加工缺陷,比单种纤维复合材料的加工缺陷更难控制。由此,从微观和宏观角度,构建CKFH三维有限元切削模型,分... 详细信息

由于碳纤维和Kevlar纤维力学性能相差迥异,在C-K纤维混杂增强复合材料(Carbon-Kevlar fiber hybrid composite,CKFH)加工中易产生加工缺陷,比单种纤维复合材料的加工缺陷更难控制。由此,从微观和宏观角度,构建CKFH三维有限元切削模型,分析CKFH的切削去除机理及平纹编织结构对切削过程的影响机制。结果表明,在不同纤维取向下,Kevlar纤维均易产生抽丝拉毛现象,尤其当纤维取向θ=0°/180°时最为明显;纤维取向θ=0°/180°时,切屑多为卷曲片状切屑,纤维取向θ=45°、90°、135°时,两种纤维的断裂相互影响,切削表面、切屑形态均与切削方向存在密切关系,当纤维取向θ=45°时,多为细小片状切屑,纤维取向θ=90°时,切屑多为絮状块状切屑,纤维取向θ=135°时,切屑多为成块状切屑;从碳纤维切向Kevlar纤维时,Kevlar纤维出现松散、抽丝拉毛现象明显,从Kevlar纤维切向碳纤维时,在Kevlar纤维的韧性弯曲区碳纤维发生弯曲脆断、碎裂,易出现凹坑;平纹编织结构对切削应力的传递具有明显的阻断作用,有限元仿真结果与试验观测结果基本吻合。

关键词：混杂纤维增强复合材料平纹编织结构切削加工机理有限元模型

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窄矩形流道内平板流致振动响应

上海交通大学学报 2024年

作者：吴逸恺朱晔晨龚圣捷上海交通大学核科学与工程学院

本文设计了窄流道内两端固定的矩形平板流致振动实验，获得了该平板的振动响应特性。结果表明：导致平板振动的物理机理为湍流激振和涡激振动。湍流激发平板的一阶固有频率响应，激励随流速的增大而增大。涡激振动频率与流速呈线性正相... 详细信息

本文设计了窄流道内两端固定的矩形平板流致振动实验，获得了该平板的振动响应特性。结果表明：导致平板振动的物理机理为湍流激振和涡激振动。湍流激发平板的一阶固有频率响应，激励随流速的增大而增大。涡激振动频率与流速呈线性正相关关系，实验范围内得到的St数为0.24。当泄涡频率接近固有频率时产生“锁定”现象并引发共振，且存在非线性倍频响应。随着流速的变化，平板的一阶固有频率没有明显的变化趋势。此外，湿模态分析表明，声固耦合法计算得到的结果与实验吻合较好。

关键词：矩形平板流致振动湿模态声固耦合

基于格拉姆角场与ResNet的输电线路故障辨识方法

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电力系统保护与控制 2024年第10期52卷 95-104页

作者：赵启王建林丰恺陈军南东亮欧阳金鑫国网新疆电力有限公司电力科学研究院新疆乌鲁木齐830011 新疆电力系统全过程仿真重点实验室新疆乌鲁木齐830011 重庆大学输变电装备技术全国重点实验室重庆400044

针对如何利用实际故障录波数据,提取和放大故障特征差异,开展故障类型与故障原因辨识的问题,提出了基于格拉姆角场与迁移学习-ResNet的输电线路故障辨识方法。首先,统计分析了输电线路故障类型和故障原因的分布特征,用于指导构建适用于... 详细信息

针对如何利用实际故障录波数据,提取和放大故障特征差异,开展故障类型与故障原因辨识的问题,提出了基于格拉姆角场与迁移学习-ResNet的输电线路故障辨识方法。首先,统计分析了输电线路故障类型和故障原因的分布特征,用于指导构建适用于类不平衡问题的故障分类器。然后,利用格拉姆角场变换将采集得到的故障电压、电流时序信号转化为格拉姆角场图像,放大故障特征差异,作为故障分类器的输入。进一步,将生成的图像集输入搭建好的故障分类器进行网络训练和测试,输出输电线路故障类型和故障原因。最后,完全采用真实故障录波数据开展了算例分析。结果表明:所提方法对故障类型的辨识准确率达到了97.51%,对故障原因的辨识准确率达到了94.23%。并且将训练的故障辨识网络迁移至其他地区时,仍然具有较好的故障辨识效果和泛化性能。所提方法为基于暂态波形数据驱动的故障辨识提供了新方法,可以用于实际电网的输电线路故障辨识。

关键词：输电线路故障辨识格拉姆角场残差神经网络迁移学习

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含时间因子的删失面板模型的估计与推断

系统工程理论与实践 2024年第9期44卷 3040-3052页

作者：忻恺周亚虹上海大学经济学院上海财经大学经济学院

本文研究了随机相关下的含时间因子的删失面板数据的估计与推断问题.该模型允许了不可观测的个体效应对潜在结果变量有着时变的影响.在假设误差项是对称且相互独立的条件下,给出了模型中的斜率参数与时间因子的识别与估计.文中给出的估... 详细信息

本文研究了随机相关下的含时间因子的删失面板数据的估计与推断问题.该模型允许了不可观测的个体效应对潜在结果变量有着时变的影响.在假设误差项是对称且相互独立的条件下,给出了模型中的斜率参数与时间因子的识别与估计.文中给出的估计量是■一致且渐近正态的.此外,文中提出的秩得分检验统计量无需对密度函数进行估计,在相对小的样本下也有着较好的表现.蒙特卡罗模拟和关于女性劳动时间的实证应用的结果验证了估计量的可行性.

关键词：时间因子随机相关模型中位数回归删失模型

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一种环境振动源强预测随机可靠度分析方法

振动与冲击 2024年第6期43卷 336-344页

作者：张校恺韦凯西南交通大学土木工程学院成都610031

不同线路之间工程条件的差异导致18导则半经验模型环境振动源强预测准确度较低,致使后续减振工作浪费大量时间、经济成本。为了提高预测准确度,实现环境振动敏感点的精准筛选,节约减振成本。建立了可以反映隧道壁振动的车辆-轨道-盾构... 详细信息

不同线路之间工程条件的差异导致18导则半经验模型环境振动源强预测准确度较低,致使后续减振工作浪费大量时间、经济成本。为了提高预测准确度,实现环境振动敏感点的精准筛选,节约减振成本。建立了可以反映隧道壁振动的车辆-轨道-盾构隧道耦合振动模型,基于蒙特卡洛(Monte Carlo,MC)法提出了一种环境振动源强预测随机可靠度分析方法,以半经验模型中的3个修正项C_(W)、C_(R)及C_(T)为例,分析了导致修正项预测准确度具有随机不确定性的主要因素并提出了相应的标准化管理建议。主要研究结论如下:所建模型具有较高的计算效率和计算精度,单个工况计算时间为90 s,可弥补MC法耗时的缺点,时域幅值误差在12%以内,源强误差在1 dB以内;同种扣件不同弹性垫板之间非线性载频变刚度的差异是导致C_(W)准确度具有随机不确定性的一个重要原因,该因素会导致源强预测存在-1~+3 dB的误差;不同线路之间钢轨磨耗等级的差异是导致C_(R)准确度具有随机不确定性的一个重要原因,该因素会导致源强预测存在-3~+3 dB的误差;不同中硬土之间弹性模量的差异过大是导致C_(T)准确度具有随机不确定性的一个重要原因,当土体剪切波速在250~375 m/s时C_(T)的准确度较高,当在375~500 m/s时,C_(T)的准确性较低,预测误差可达3 dB;当同时考虑多个修正项带来的误差时,源强预测误差范围可达-4~+9 dB,设计时极有可能采取不符合断面实际要求的减振措施,从而浪费大量减振成本,因此建议严格控制扣件弹性垫板非线性载频变刚度、钢轨磨耗等级等因素的随机性,并以剪切波速375 m/s为界将中硬土划为两类并给出相应的修正项。

关键词：城市轨道交通车辆-轨道耦合动力学环境振动随机振动

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祝融号火星车次表层探测雷达有效探测深度

科学通报 2024年第18期69卷 2674-2681页

作者：张领方向恺韩硕中山大学地球科学与工程学院珠海519080

2021年5月,中国首次火星探测任务“天问一号”携带祝融号火星车,成功着陆在乌托邦平原南部.祝融号火星车上搭载的次表层探测雷达(RoPeR)对于研究火星近表层精细结构和物理性质,以及了解是否赋存水冰提供了重要依据.深入研究祝融号火星... 详细信息

2021年5月,中国首次火星探测任务“天问一号”携带祝融号火星车,成功着陆在乌托邦平原南部.祝融号火星车上搭载的次表层探测雷达(RoPeR)对于研究火星近表层精细结构和物理性质,以及了解是否赋存水冰提供了重要依据.深入研究祝融号火星车次表层探测雷达的有效探测深度,将不仅帮助分析次表层探测雷达数据的有效性,而且还能表征近表层物质对电磁波的散射和吸收特征.本文首先基于祝融号火星车次表层探测雷达的探测参数,建立了有效探测深度与介电常数和损耗率的关系模型;其次,根据实测次表层探测雷达数据的相似性,确定有效信号深度;最后,通过祝融号火星车雷达的两个通道实际数据的能量衰减特性,计算出不同深度的损耗角正切值,与探测深度模型和有效信号深度进行匹配.祝融号火星车次表层探测雷达的有效探测深度研究,将帮助分析火星近表层物质成分,为我国深空探测助力.

关键词：祝融号火星车次表层探测雷达有效探测深度损耗角正切值

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高性能多方向双圆弧形压电能量收集系统

仪器仪表学报 2024年第3期45卷 26-34页

作者：曹益恺王德波南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210023

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合... 详细信息

为了解决传统压电能量收集系统通频带窄、功率密度低的问题,本文采用线性多模态共振法,提出一种双圆弧悬臂梁内外反向拼接的压电能量收集系统。两根梁上各覆盖一个压电层,压电层之间串联连接。建立二自由度系统集总参数模型和机电耦合模型来分析频率响应和输出性能。对比压电层弧度不同的压电能量收集系统的输出性能,根据测试结果,当弧度为0.5π时输出性能最佳。设置激励加速度为0.1 g,一阶模态下,谐振频率为82.19 Hz,开路电压为49.65 V,最大输出功率为3.74 mW;二阶模态下,谐振频率为119.14 Hz,开路电压为44.74 V,最大输出功率为3.54 mW。测试结果表明,该结构可有效拓宽通频带宽度至52 Hz,且功率密度高。该压电能量收集系统结构简单易于制备,工作频带宽,可在频率波动大的环境下供电,同时体积小、功率密度大,能在多方向激励下高效率收集能量,可应用于可穿戴设备、低功率设备等多个领域。

关键词：压电能量收集多模态多方向谐振频率功率密度

华北“23·7”强降雨事件对不同埋深地下水的补给机理：以雄安新区为例

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地学前缘 2024年

作者：欧阳恺皋蒋小伟杜亚楠张志远韩鹏飞吴业楠王旭升中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室雄安城市规划设计研究有限公司

降雨能否穿透厚包气带到达潜水面是地下水补给领域争议较大的问题。华北平原“23·7”极端降雨事件相当于华北平原的一次大型入渗试验，为分析潜水埋深如何控制地下水补给提供了契机。本研究以雄安新区白洋淀周边潜水浅埋区4口自动监测... 详细信息

降雨能否穿透厚包气带到达潜水面是地下水补给领域争议较大的问题。华北平原“23·7”极端降雨事件相当于华北平原的一次大型入渗试验，为分析潜水埋深如何控制地下水补给提供了契机。本研究以雄安新区白洋淀周边潜水浅埋区4口自动监测井和容城县境内潜水深埋区6口自动监测井为例，分析不同埋深地下水对2023年3日内累积降雨量为289.2 mm的极端降雨事件的响应规律。在潜水浅埋区，暴雨开始后约16 h垂向入渗至潜水面，潜水抬升幅度达1.36～1.79 m；在潜水深埋区，暴雨后河水水位迅速抬升并引发渗漏形成水丘，在潜水回水作用下离南拒马河距离小于6 km的潜水位以较快速度抬升1.38～3.67 m。本研究表明，降雨沿着包气带的垂向入渗是潜水浅埋区地下水的补给来源，暴雨后河水入渗引发的潜水回水作用是河道附近潜水深埋区地下水的补给来源。本文加深了不同埋深潜水补给机理的认识，对今后分析华北平原乃至其他地下水超采区的水位回升控制机理、生态补水效果具有重要指导意义。

关键词：地下水补给潜水回水生态补水厚包气带白洋淀