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Study on frictional behavior of SiC_(f)/SiC composite clad tube clamping condition under nuclear irradiation

Friction 2024年第5期12卷 919-938页

作者： Chenglong XIAO Liangliang SHEN Tianqi ZHU Jianbo TANG Ximing XIE Xinyu FAN Jian XU zhiying ren School of Mechanical Engineering Zhejiang University of TechnologyHangzhou310023China Engineering Laboratory of Advanced Energy Materials Ningbo Institute of Material Technology and EngineeringChinese Academy of SciencesNingbo315201China State Key Laboratory of Fine Chemicals Liaoning High-Performance Polymer Engineering Research CenterSchool of Chemical EngineeringDalian University of TechnologyDalian116024China School of Mechanical Engineering and Automation Fuzhou UniversityFuzhou350116China School of Computer Science and Technology Shandong UniversityQingdao266237China Aviation Industry Corporation of China Ltd.Beijing100028China

Silicon carbide fiber reinforced silicon carbide matrix(SiC_(f)/SiC)composite is the key cladding material of nuclear fuel,which determines the safety and reliability of nuclear fuel storage and transportation.The replacement of its storage and transportation scenario needs to be completed by the manipulator,but the application of SiC_(f)/SiC wear,fracture,and nuclear leakage in the snatching process of brittle-flexible-rigid contact in the irradiation environment has been seriously restricted due to unclear understanding of the damage mechanism.Therefore,the effects of irradiation dose and clamping load on the friction characteristics of the contact interface between SiC_(f)/SiC clad tube are studied in this paper,and the effects of irradiation parameters and clamping force on the static friction coefficient of the contact interface between the clad tube and flexible nitrile are obtained.Based on the Greenwood-Williamson tribological model,a numerical model of the shape and structure of the contact micro-convex at the micro-scale of the clamping interface is constructed by introducing the multi-surface integral,and finally verified by experiments.The research results show that there is a unique“Irradiation suppression zone”under the clamping condition of SiC_(f)/SiC cladding tube under the nuclear irradiation environment,and the growth of static friction coefficient slows down until stagnates after irradiation reaches a certain extent(600 kGy),and there will be a decline when the irradiation dose continues to increase,among which the clamping force of 15.2 N within the irradiation interval of 1,000 kGy can meet the safety of nuclear environment operation.The results of this paper can provide an important theoretical basis and application guidance for the safe operation of SiC_(f)/SiC cladding tubes in the storage and transportation clamping process.

关键词： SiC_(f)/SiC Clad tube nuclear irradiation conditions Greenwood-Williamson tribological model multi-surface integral

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Dry friction damping mechanism of flexible microporous metal rubber based on cell group energy dissipation mechanism

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Friction 2023年第2期11卷 259-279页

作者： Liangliang SHEN zhiying ren Jian XU Lin PAN Youxi LIN Hongbai BAI School of Mechanical Engineering and Automation Fuzhou UniversityFuzhou 350116China Engineering Research Center for Metal Rubber Fuzhou UniversityFuzhou 350116China State Key Laboratory of Fine Chemicals Liaoning High Performance Polymer Engineering Research CenterSchool of Chemical EngineeringDalian University of TechnologyDalian 116024China Fuzhou Friction and Lubrication Industry Technology Innovation Center Fuzhou 350108China

Flexible microporous metal rubber (FMP-MR) is a high-damping material that dissipates energy by dry friction through internal spiral metal wires in contact with each other. However, the FMP-MR energy dissipation mechanism is not fully understood owing to its disordered grid interpenetrating structure. In this work, computer-aided preparation technology is used to accurately reconstruct the complex spiral network structure of FMP-MR multipoint random contact, and a cell group model with an energy dissipation mechanism is proposed to obtain the dynamic energy distribution of the contact friction in both space and time dimensions. By judging the effective contact point, a global displacement ablation phenomenon of hooked staggered porous materials is induced. The macro- and micro-equivalent frictions are introduced to effectively explain the characteristics of the strong energy dissipation in FMP-MR under fretting excitation. A real and effective damping hysteresis constitutive model is then constructed to dynamically capture the mapping relationship between the complex nonlinear topological structure effect of the materials and spatial random contact dry friction in real time. The results indicate that the contact behavior between turns of the FMP-MR wire follows a clear quasi-Gaussian distribution under an external load, forcing the topological results to change. The energy dissipation of the materials revealed peak energy consumption lagging behind the loading limit for a certain distance, which can be determined by the effective contact point and contact dry friction slip. The consistency between the quasi-static compression tests and constitutive curves of the model was quantitatively verified through residual analysis. The data demonstrated the differential behavior of the FMP-MR meso-structure to follow a phased growth law during loading with different action mechanisms in the guiding, main growth, and relaxation stages of the energy consumption displacement curve. In summary, these findings provide an accept

关键词： flexible microporous metal rubber(FMP-MR) effective contact energy dissipation dry friction damping hysteresis

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用于核电机组复杂管线小支管的动力吸振器设计与试验研究

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核动力工程 2024年第1期45卷 106-114页

作者：任志英任嘉鑫刘天彦李振何明圆梁盛涛福州大学机械工程及自动化学院金属橡胶与振动噪声研究所福州360116 中国核动力研究设计院反应堆工程研究所成都610213 福建福清核电有限公司福州350318

核电机组复杂管线小支管长期无规律地振动会导致管道疲劳断裂、破损而引发泄漏,甚至发生核电安全事故。目前常采用加固或减振的方式,但效果不佳,某些频率下的振动峰值难以降低。针对上述问题,本论文设计了一种结构简单、安装方便且质量... 详细信息

核电机组复杂管线小支管长期无规律地振动会导致管道疲劳断裂、破损而引发泄漏,甚至发生核电安全事故。目前常采用加固或减振的方式,但效果不佳,某些频率下的振动峰值难以降低。针对上述问题,本论文设计了一种结构简单、安装方便且质量可调的动力吸振器。通过模拟实际振动工况参数,然后对有无动力吸振器的小支管进行动力学建模分析,并以加速度传递率为参考对动力吸振器相关参数进行设计,获得动力吸振器的最优质量、刚度以及阻尼。最后实物制作并进行试验验证,结果表明,本论文所设计的动力吸振器将小支管在共振频率下的三向振动降低了60%以上(大于工程要求的5 dB);通过微调质量块个数扩大了吸振频段的可调节范围,能够满足不同工况的需求;增加金属橡胶材料进一步增强了动力吸振器的吸振效果,相比无阻尼结构可以将减振性能提高10%以上。本研究为核电机组复杂管线小支管的减振提供了有效方法。

关键词：核电管线小支管动力吸振器金属橡胶三向减振

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Potential Application of Entangled Porous Titanium Alloy Metal Rubber in Artificial Lumbar Disc Prostheses

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Journal of Bionic Engineering 2021年第3期18卷 584-599页

作者： zhiying ren Jingfei Huang Hongbai Bai Rui Jin Fangqi Xu Jie Xu College of Mechanical Engineering and Automation Fuzhou UniversityFuzhou 350116China Metal Rubber Engineering Research Center Fuzhou UniversityFuzhou 350116China Department of Orthopedics Fujian Provincial HospitalFuzhou 350001China

Entangled Porous Titanium Alloy Metal Rubber(EPTA-MR)was used as a nucleus pulposus material in the design of non-fusion intervertebral disc prosthesis for the first time.A novel artificial lumbar intervertebral disc prosthesis was designed by reconstructing the lumbar model with reverse engineering technology,and the biomechanical behavior of the prosthesis was simulated under varied working conditions.The nucleus pulposus size was determined by the actual size of human prosthesis.EPTA-MR samples with different densities were prepared by medical titanium alloy wire experimental studies were conducted on static stiffness,damping energy consumption,and fatigue life.The results indicated that the static stiffness of EPTA-MR could reach approximately 1500 N mm and its loss factor remained higher than 0.2,and the variation range was relatively small,with excellent vibration damping capacity and bearing capacity.Among them,the overall performance of EPTA-MR with a density of 2.5 g em 3 was closer to that of the physiologic intervertebral disc.A macro experiment of five million fatigue vibration tests combined with microstructure observation exhibited a wear rate of only 0.9396 g-MC with no noticeable change in the internal micro-morphology.Therefore,the EPTA-MR has a broad application prospect as the nucleus pulposus material of artificial intervertebral disc prosthesis.

关键词： artificial intervertebral disc prosthesis biomechanical properties entangled porous titanium alloy metal rubber(EPTA-MR) fatigue life vibration damping

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温度及其波动对橡胶密封硫化过程影响的仿真分析

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化工学报 2024年第2期75卷 715-726页

作者：张兆想蔡茂坤任志英贾晓红郭飞福州大学机械工程及自动化学院福建福州350108 清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室北京100084

硫化是橡胶密封成型过程的关键工艺,对橡胶密封产品性能有决定性影响。目前橡胶行业多采用经验式硫化成型方法,对橡胶密封硫化演变过程缺乏理解,难以理论指导橡胶密封实际生产过程。针对这一制约橡胶密封质量提升的薄弱环节,开展了橡胶... 详细信息

硫化是橡胶密封成型过程的关键工艺,对橡胶密封产品性能有决定性影响。目前橡胶行业多采用经验式硫化成型方法,对橡胶密封硫化演变过程缺乏理解,难以理论指导橡胶密封实际生产过程。针对这一制约橡胶密封质量提升的薄弱环节,开展了橡胶密封硫化成型过程数值仿真研究。基于胶料的积分型反应动力学模型与变物性参数传热控制方程,建立了橡胶制品热-化学耦合的瞬态仿真模型,实现了橡胶制品成型过程时变温度场及硫化程度场的实时预测,并通过试验验证了模型及求解方法的正确性。进而,仿真分析了典型结构密封件的硫化过程,探讨了模具温度、胶料预热温度和温度波动行为对橡胶密封硫化成型过程的影响规律,最后为橡胶密封实际硫化生产提供了参考。

关键词：橡胶密封加工制造反应动力学温度波动数值分析

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用于电梯曳引机减振的MR-SRC减振器设计与分析

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振动与冲击 2024年第3期43卷 295-304页

作者：任志英刘荣阳黄伟李成威史林炜徐彩军福州大学机械工程及自动化学院福州350116 福州大学金属橡胶与振动噪声研究所福州350116 福建省特种设备检验研究院福州350028

针对现有曳引机减振常采用的高分子减振垫因环境因素而引发性能大幅退化问题,以电梯曳引机减振器的工程应用需求为导向,确定减振器所需阻尼元件的刚度后,采用真空渗流技术将硅橡胶填充入金属橡胶孔隙并形成包覆,研制出一款耐环境影响的... 详细信息

针对现有曳引机减振常采用的高分子减振垫因环境因素而引发性能大幅退化问题,以电梯曳引机减振器的工程应用需求为导向,确定减振器所需阻尼元件的刚度后,采用真空渗流技术将硅橡胶填充入金属橡胶孔隙并形成包覆,研制出一款耐环境影响的高性能金属橡胶/硅橡胶连续互穿相复合减振材料(metal rubber-silicone rubber continuous interwoven phase composite damping material, MR-SRC)。然后基于实际结构建立电梯曳引机的有限元数值模型。对加装MR-SRC减振器前后的电梯曳引机进行了模态分析,确定了整体结构的固有频率和振型。对MR-SRC减振器进行冲击响应分析,对比不同MR-SRC材料和冲击载荷对响应的影响,校核减振器的强度。接着,基于MR-SRC的近似等效,对减振器系统的冲击响应进行了理论计算,得出金属橡胶密度为1.8 g/cm^(3)的MR-SRC减振器对减振效果最佳。最后将所制备的MR-SRC减振器安装于实际电梯曳引机,按照电梯减振国标要求,测试电梯在运行过程中的加速度和速度变化,计算并校核电梯运行的相关特性参数。该文章提出的减振器为电梯安全可靠运行提供了一种新途径。

关键词：电梯曳引机金属橡胶-硅胶线复合材料减振器模态分析冲击响应数值模拟

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金属橡胶无序式网格互穿结构的热力学性能研究

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机械工程学报 2024年第8期60卷 165-175页

作者：任志英黄子豪方荣政王秦伟莫继良秦红玲福州大学机械工程及自动化学院福州350116 福州大学金属橡胶与振动噪声研究所福州350116 西南交通大学机械工程学院成都610031

金属橡胶是一种弹性多孔纯金属材料,其内部的网格互穿结构复杂而无序,难以通过一般方法准确描述,这限制了其在高温环境下的可控应用。为此,通过虚拟制备技术构建了综合考虑金属橡胶材料属性、线匝几何尺寸及工艺参数等因素的金属橡胶有... 详细信息

金属橡胶是一种弹性多孔纯金属材料,其内部的网格互穿结构复杂而无序,难以通过一般方法准确描述,这限制了其在高温环境下的可控应用。为此,通过虚拟制备技术构建了综合考虑金属橡胶材料属性、线匝几何尺寸及工艺参数等因素的金属橡胶有限元模型。在此基础上,推导出金属橡胶内部金属丝微元热传导的动态理论公式并进行相关的有限元分析。结果表明:当仅有热载荷时,金属橡胶主要由连续金属丝实现传热并通过界面接触进行换热,温度场沿成形方向呈梯度分布。此外,由于材料的膨胀其宏观尺寸会增大,但在外部约束与孔隙收容机制的作用下其热膨胀系数小于实心材料的热膨胀系数。而当同时存在热-力载荷时,金属橡胶展现出了良好的结构稳定性与耐热性。通过材料高温准静态压缩试验对材料的热力学性能进行了测试,验证所建立的有限元模型能够有效地反映与预测金属橡胶材料复杂的热力学性能,为材料在高温环境下的应用提供了一定的理论指导。

关键词：金属橡胶网格互穿结构虚拟制备热力学性能

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超声波滚压强化TC11钛合金的表面质量与摩擦磨损性能

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机械工程学报 2024年第9期60卷 137-151页

作者：郑开魁赵信哲牟刚任志英福州大学先进制造学院晋江362200 福州大学机械工程及自动化学院福州350108

采用超声波滚压工艺对TC11钛合金表面进行光整强化加工,利用OM、白光干涉仪、SEM、EDS和XRD研究了超声波滚压工艺参数对钛合金表层的微观结构和表面粗糙度的影响规律;采用显微硬度计、多功能摩擦磨损试验机研究了滚压表面的硬度和摩擦... 详细信息

采用超声波滚压工艺对TC11钛合金表面进行光整强化加工,利用OM、白光干涉仪、SEM、EDS和XRD研究了超声波滚压工艺参数对钛合金表层的微观结构和表面粗糙度的影响规律;采用显微硬度计、多功能摩擦磨损试验机研究了滚压表面的硬度和摩擦磨损性能。研究结果表明,钛合金表面粗糙度随着滚压功率、滚压次数、静压力、压下量、主轴转速和进给量的增加呈先降后增的趋势,分别在滚压功率660 W、滚压次数5次、静压力0.20 MPa、压下量0.15 mm、主轴转速200 r·min^(-1)、进给量0.10 mm·r^(-1)时达到最低值。随着功率的提高,钛合金表面硬度增大,摩擦因数和磨损量降低;随滚压次数、静压力、压下量、主轴转速和进给量的增加,表面硬度呈先升后降的趋势,摩擦因数和磨损量呈先降后升的趋势,在滚压功率990 W、滚压次数5次、静压力0.20 MPa、压下量0.15 mm、主轴转速200 r·min^(-1)、进给量0.10 mm·r^(-1)时,硬度达到最高值,摩擦因数和磨损量达到最低值。对工艺参数进行响应曲面优化,获得优化工艺参数为滚压功率990 W、滚压次数5次、静压力0.20 MPa、压下量0.15 mm、主轴转速198 r·min^(-1)、进给量0.10 mm·r^(-1)。与滚压前的钛合金表面相比,表面硬度从338 HV增至461 HV,提高了36.4%;表面粗糙度从1.88μm降至0.19μm,下降了89.9%;磨损量从0.60 mg降为0.10 mg,降低了83.3%。

关键词：超声波滚压钛合金表面质量摩擦因数磨损量

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二级柔性减振系统设计及力学性能分析

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振动．测试与诊断 2024年第3期44卷 494-501,618页

作者：石先杰郭卓涛黄舟周春辉任志英中国工程物理研究院总体工程研究所绵阳621999 福州大学机械工程及自动化学院福州350116

为解决二级减振引起个别仪器振动的局部放大、使得力学环境不能满足运行要求的问题,首先,针对金属橡胶双层减振系统,充分考虑安装板的柔性刚度,建立了刚柔复合的二级减振系统模型;其次,基于目标频率对二级减振的频率响应函数进行系统的... 详细信息

为解决二级减振引起个别仪器振动的局部放大、使得力学环境不能满足运行要求的问题,首先,针对金属橡胶双层减振系统,充分考虑安装板的柔性刚度,建立了刚柔复合的二级减振系统模型;其次,基于目标频率对二级减振的频率响应函数进行系统的刚度解耦,实现了减振器刚度的求解,并应用有限元进行随机振动分析,验证了刚柔复合二级减振系统理论模型的可行性;最后,利用振动台进行了试验验证。结果表明,当二级减振系统满足工程刚度需求,其一阶固有频率低于40 Hz时,减振效率可达到70%以上,试验与仿真结果基本一致。

关键词：二级柔性减振金属橡胶减振器随机振动固有频率减振效率

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金属橡胶-聚氨酯复合材料减振性能研究

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材料导报 2024年第6期38卷 267-273页

作者：郑孝源任志英吴乙万白鸿柏黄健萌谭桂斌福州大学机械工程及自动化学院金属橡胶与振动噪声研究所福州350116 广东工业大学机电工程学院广州510006

针对单一减振材料无法兼具高阻尼与高刚度的弊端,本工作提出了一种新的复合材料,即将三维空间网状结构的金属橡胶(EMWM)作为基体,聚氨酯(PU)作为增强体,并采用真空渗流的方式制备了具有高阻尼与高刚度的金属橡胶-聚氨酯(EMWM-PU)复合材... 详细信息

针对单一减振材料无法兼具高阻尼与高刚度的弊端,本工作提出了一种新的复合材料,即将三维空间网状结构的金属橡胶(EMWM)作为基体,聚氨酯(PU)作为增强体,并采用真空渗流的方式制备了具有高阻尼与高刚度的金属橡胶-聚氨酯(EMWM-PU)复合材料。通过EMWM与EMWM-PU复合材料的准静态压缩试验,发现界面摩擦的引入使得EMWM-PU复合材料的耗能与刚度特性得到显著提升。此外搭建了复合材料管路减振测试平台,以平均振动加速度级和插入损失作为评价指标,研究了EMWM密度、激振量级、安装时的预紧间距对管路减振性能的影响。结果表明,EMWM-PU复合材料在5~1 000 Hz频段范围内均具有优异的减振效果,且复合材料中基体材料EMEM的密度越小、安装时的预紧间距越大,减振效果越好。本研究有效拓宽了复合材料的应用范围,也为金属橡胶复合材料的设计和应用提供了有效的指导。

关键词：金属橡胶聚氨酯复合材料力学性能管路减振

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