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超声调控纳米磨粒流技术中的空化效应研究

超声调控纳米磨粒流技术中的空化效应研究

作者：许帅康燕山大学

学位级别：硕士

锥形微纳结构(如原子力显微镜探针)因其具有极其锋利的针尖结构而具有独特的物理化学特性,探针在使用过程中不可避免地会发生污染和磨损,对其进行加工或修复使其保持极高的形状与尺寸精度存在难度大、加工成本高等问题。为此,课题组将... 详细信息

锥形微纳结构(如原子力显微镜探针)因其具有极其锋利的针尖结构而具有独特的物理化学特性,探针在使用过程中不可避免地会发生污染和磨损,对其进行加工或修复使其保持极高的形状与尺寸精度存在难度大、加工成本高等问题。为此,课题组将磨粒流加工技术与超声物理效应相结合,提出了超声调控纳米磨粒流技术。为完善该技术并实现工艺可控,本文对超声作用下流场中微气泡的动力学特性、流体中发生超声空化效应的条件、影响空化效应及加工效果的关键性因素进行了研究。论文主要内容如下:(1)推导了超声作用下单个微气泡动力学方程,采用4-5阶Runge-Kutta方法结合Matlab编程对方程进行了数值计算,得到了不同超声频率、超声振幅及微气泡初始半径对微气泡动力学行为和空化效应的影响规律,发现超声声压越大、超声频率越接近微气泡的固有频率越易发生瞬态空化。(2)基于RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,建立了原子力显微镜探针超声振动多相流仿真模型,确定了模型边界条件,对网格无关性进行了验证。采用UDF方法对Fluent软件进行了二次开发,利用动网格技术实现了对探针超声振动的控制,监测得到了不同时刻探针针尖附近流体区域的压力、速度、气含率及动压等参数值,探究了针尖附近产生超声空化效应的条件及针尖附近流场的分布规律。(3)建立了不同磨损程度的原子力显微镜探针超声振动多相流仿真模型,探究了不同加工条件下针尖附近流场的空化效应强度、空化类型及流场分布特性、部分关键性因素(针尖角度、针尖宽度、加工高度、初始气含率)对空化效应及加工效果的影响规律,发现加工高度小于0.3μm、针尖角度大于90°、针尖宽度在0.3～2.0μm范围时的流场特性较利于针尖的修锐加工。(4)基于原子力显微镜设备搭建了实验平台,采用实验探究了发生空化效应的条件、部分关键性因素对空化效应及加工效果的影响规律,发现悬浮液环境下探针高频振动相较于低频更有利于探针的修锐,预示探针高频振动加工过程中发生了超声空化现象,关键性因素对加工效果的影响规律与仿真结果趋势一致。

关键词：超声空化微气泡声场分布探针针尖修锐

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列车车体轻量化设计研究进展

机械工程学报 2023年第24期59卷 177-196页

作者：张磊许帅康陈洁李鹏飞于世杰王超天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384 北京理工大学国际设计中心北京100081 中车株洲电力机车有限公司工业设计研究所株洲412021 西南交通大学人-机-环境系统设计研究所成都611731

为研究列车车体的轻量化设计方法,对近年来国内外列车车体轻量化设计领域取得的主要成果,及其在高速列车、城轨列车和磁浮列车车体中的应用进行了梳理。分析列车车体的设计要求和数值建模方法;重点研究列车车体结构优化中的拓扑优化、... 详细信息

为研究列车车体的轻量化设计方法,对近年来国内外列车车体轻量化设计领域取得的主要成果,及其在高速列车、城轨列车和磁浮列车车体中的应用进行了梳理。分析列车车体的设计要求和数值建模方法;重点研究列车车体结构优化中的拓扑优化、形状优化、尺寸优化和多学科设计优化等方法及其进展;列举镁合金、玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维等新型复合材料在列车车体轻量化设计中的应用,并对现阶段列车车体制造中的工艺参数优化、搅拌摩擦焊和激光焊接等加工工艺进行归纳。指出未来列车车体轻量化设计的发展方向和趋势,旨在为列车车体轻量化设计研究提供参考。

关键词：列车车体轻量化设计车体结构结构优化轻量化材料加工工艺

数控机床复杂操控面板界面布局设计及工效研究

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计算机集成制造系统 2024年

作者：张磊陈洁孙远波窦金花许帅康赵起超天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心北京理工大学国际设计中心北京科技大学机械工程学院北京津发科技股份有限公司

为提高用户操作数控机床复杂操控面板的人机工效，降低用户误操作概率。基于发那科系统数控机床操控面板原型，结合任务需求与人机工程设计原则，设计出9种界面布局方案。通过高精度组合式眼动仪、可穿戴脑电仪和无线皮电传感器分别采集... 详细信息

为提高用户操作数控机床复杂操控面板的人机工效，降低用户误操作概率。基于发那科系统数控机床操控面板原型，结合任务需求与人机工程设计原则，设计出9种界面布局方案。通过高精度组合式眼动仪、可穿戴脑电仪和无线皮电传感器分别采集了24名被试者的眼动及电生理信号，同时采用ErgoLAB软件实时记录其眼动、脑电及皮电生理数据；通过数理统计软件SPSS对试验数据进行处理，分析了操作界面的区域划分、按键排布规律、旋钮及按键形状等设计要素对被试者执行操作任务的影响，并确定出对被试者执行操作任务有较大影响的功能指令。结果表明：通过多模态生理信号相互验证的人机工效评价方法可确保评价结果的客观性和准确性，为设计方案的优选与进一步迭代提供依据。

关键词：数控机床操控面板布局设计人机工效眼动试验脑电信号皮电信号

古典家具复杂三维曲面数据测量与模型重建研究

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家具与室内装饰 2024年第8期31卷 65-71页

作者：董磊张磊许帅康张荣强天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384 南京林业大学家居与工业设计学院江苏南京210037

本文旨在对古典家具全息三维信息进行数字化保护,以仿古典家具的陈列台座作为逆向建模案例,分析了逆向工程的特点、流程及关键环节,采用三维激光扫描设备对仿古典家具的表面三维数据进行非接触测量,采用逆向工程软件Geomagic Studio对... 详细信息

本文旨在对古典家具全息三维信息进行数字化保护,以仿古典家具的陈列台座作为逆向建模案例,分析了逆向工程的特点、流程及关键环节,采用三维激光扫描设备对仿古典家具的表面三维数据进行非接触测量,采用逆向工程软件Geomagic Studio对测量数据进行处理,得到较完整的多边形数据模型;以NURBS曲面重建思想应用Solid Works软件进行实体重建,得到参数化实体结构装配模型,经测定,三维模型的尺寸和装配精度均符合样品原型,有利于对古典家具全息三维信息的数字化保护。

关键词：计算机辅助设计逆向工程曲面测量模型重建古典家具

同轴异质In_(2)O_(3)/SnO_(2)复合纤维的构筑及其甲醛敏感性能

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复合材料学报 2022年第5期39卷 2249-2257页

作者：吴煜霞杜海英张钊睿丛丽颖孙鹏程许帅康侯腾跃孙舒鹏大连民族大学机电工程学院大连116600 大连民族大学信息与通信工程学院大连116600

两种半导体材料合成的复合材料由于电子亲合能和带隙宽度差形成了同型异质或异型异质结,利用异质结界面形成的费米能级效应可以提高界面载流子迁移率,从而有效改善气体传感器的气敏性能。本文采用自行设计开发的多层同轴静电纺丝装置,... 详细信息

两种半导体材料合成的复合材料由于电子亲合能和带隙宽度差形成了同型异质或异型异质结,利用异质结界面形成的费米能级效应可以提高界面载流子迁移率,从而有效改善气体传感器的气敏性能。本文采用自行设计开发的多层同轴静电纺丝装置,构筑了同轴异质复合纳米纤维In_(2)O_(3)/SnO_(2)。所构筑的同轴异质复合纤维In_(2)O_(3)/SnO_(2)外层较大的In_(2)O_(3)纳米颗粒附着在内层较小SnO_(2)纳米颗粒表面,形成中空的分级纤维结构。同轴异质复合纤维In_(2)O_(3)/SnO_(2)中由于存在大量的N-N同型异质结界面,电子迁移率增强,表面活性增强,吸附氧含量增加,对甲醛表现出良好的气敏性能。在250℃环境下,同轴复合纤维In_(2)O_(3)/SnO_(2)气敏元件对50×10^(-6)的甲醛响应为14.12,分别是SnO_(2)、In_(2)O_(3)和混合异质In_(2)O_(3)/SnO_(2)气敏元件对甲醛响应的3.22倍、3.84倍和1.51倍。同轴异质复合纤维In_(2)O_(3)/SnO_(2)气敏元件对甲醛、乙醇、丙酮、甲苯和甲醇表现出良好的交叉选择性。利用同轴静电纺丝法构筑同轴异质复合纤维中提高半导体功能器件性能具有巨大的应用潜力和发展前景。

关键词：同轴静电纺丝同型异质结气敏特性敏感机制甲醛响应复合纳米纤维

基于用户需求导向的智能座舱柔性试验台概念设计集成方法

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机械设计 2024年第3期41卷 170-176页

作者：陈洁许帅康孙学涛郭佳佳刘国闯张磊天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室天津300384 天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心天津300384 北京理工大学国际设计中心北京100081

为解决传统座舱试验台结构同质化及模块化设计不足等问题,采用亲和图法整理了汽车故障及用户初始需求;采用模糊Kano模型进行需求指标权重计算,并结合质量特性要素进行用户核心需求汇总;通过功能分析系统技术(Function Analysis System T... 详细信息

为解决传统座舱试验台结构同质化及模块化设计不足等问题,采用亲和图法整理了汽车故障及用户初始需求;采用模糊Kano模型进行需求指标权重计算,并结合质量特性要素进行用户核心需求汇总;通过功能分析系统技术(Function Analysis System Technique,FAST)黑箱模型将用户需求转化为功能需求,并引入公理设计(Axiomatic Design,AD)理论与功能-行为-结构(Function-Behavior-Structure,FBS)模型进行逐级映射,最终确定智能座舱柔性试验台的结构设计要素。该设计过程以用户核心需求为导向,通过FAST-AD-FBS集成方法的应用,克服了传统产品概念设计中用户需求与产品功能结构设计间存在矛盾的问题,为提高产品创新设计的完整性及准确性提供了理论参考。

关键词：产品概念设计智能座舱柔性试验台 FAST-AD-FBS 模糊Kano模型用户需求

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单晶硅探针修锐加工仿真与实验研究

组合机床与自动化加工技术 2022年第12期 124-127页

作者：陈建超高玉东许帅康吴敬鑫王加春燕山大学机械工程学院秦皇岛066000 燕山大学河北省重型智能制造装备技术创新中心秦皇岛066000

针对磨钝后的原子力显微镜单晶硅探针低成本修锐的需求,提出了一种基于超声调控磨粒流技术的修锐加工方法。采用有限元分析方法研究了探针针尖附近声流场的分布形式,基于原子力显微镜搭建了实验装置,开展了单晶硅探针的修锐加工实验。... 详细信息

针对磨钝后的原子力显微镜单晶硅探针低成本修锐的需求,提出了一种基于超声调控磨粒流技术的修锐加工方法。采用有限元分析方法研究了探针针尖附近声流场的分布形式,基于原子力显微镜搭建了实验装置,开展了单晶硅探针的修锐加工实验。结果表明,在针尖两侧能够形成旋向相反的涡状声流场,验证了该方法加工原理的可行性,其次在数分钟加工时间内在针尖尖端产生了明显的加工去除痕迹;加工后的探针针尖圆弧半径与针尖侧角显著减小。

关键词：超声磨粒流单晶硅探针声流场

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龙湖区古树名木资源特征

中南农业科技 2024年第2期45卷 105-107,130页

作者：钟妍珣潘粤林伟斌许帅康彭梓敏汕头市星林景观有限公司广东汕头515041

为全面了解汕头市龙湖区古树名木资源现状,通过实地调查和走访,调查龙湖区古树名木资源并分析其树种组成、生长势、生长环境、生长指标以及权属特征等。结果表明,龙湖区共有古树名木142株,隶属于5科5属6种,优势种为桑科(Moraceae)榕树(F... 详细信息

为全面了解汕头市龙湖区古树名木资源现状,通过实地调查和走访,调查龙湖区古树名木资源并分析其树种组成、生长势、生长环境、生长指标以及权属特征等。结果表明,龙湖区共有古树名木142株,隶属于5科5属6种,优势种为桑科(Moraceae)榕树(Ficus microcarpa);主要为三级保护古树,古树名木总体长势良好,不同街道古树名木分布不均匀,且受环境或人为影响差异较大。建议针对不同类型古树名木采取相应的复壮保护措施;保证管护资金;加强宣传力度,增强民众的保护意识;落实管护责任人,提高管护水平。

关键词：古树名木资源特征汕头市龙湖区

基于STM32单片机控制的智能导盲手杖设计

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扬州大学学报（自然科学版） 2021年第4期24卷 33-37,63页

作者：吴煜霞吴宇辉杜海英张峰瑀许帅康丛丽颖孙鹏程大连民族大学机电工程学院辽宁大连116600

为满足盲障人士不同的出行需求,设计了一种基于STM32-F103ZET6微控制器的多功能智能导盲手杖.采用全球定位系统(global positioning system,GPS)、无线呼救系统、红外循迹系统、超声波避障系统等实现手杖的远程定位、导航和导盲等功能,... 详细信息

为满足盲障人士不同的出行需求,设计了一种基于STM32-F103ZET6微控制器的多功能智能导盲手杖.采用全球定位系统(global positioning system,GPS)、无线呼救系统、红外循迹系统、超声波避障系统等实现手杖的远程定位、导航和导盲等功能,驱动底轮与盲道紧密咬合,满足正常盲道与十字路口的行进需求,防走失、防摔倒检测系统实时监测持杖人的位置和状态信息.结果表明,基于STM32的智能导盲手杖能够为盲障人士出行提供全方位的智能服务和安全保障.

关键词：智能导盲手杖 STM32-F103ZET6控制器红外循迹超声避障