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激光辅助切削氮化硅陶瓷的温度场仿真及参数研究

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应用激光 2019年第4期39卷 634-640页

作者：宋盼盼赵玉刚蒲业壮赵传营周海安山东理工大学机械工程学院

为了在激光加热辅助切削(LAM)氮化硅陶瓷试验中获得较高的加工表面质量和加工效率,实验并分析了各加工参数对温度分布和表面完整性的影响,为在加工中选取合适的参数提供依据。利用ANSYS软件对切削区域温度场进行仿真,探索了激光功率改... 详细信息

为了在激光加热辅助切削(LAM)氮化硅陶瓷试验中获得较高的加工表面质量和加工效率,实验并分析了各加工参数对温度分布和表面完整性的影响,为在加工中选取合适的参数提供依据。利用ANSYS软件对切削区域温度场进行仿真,探索了激光功率改变时温度的变化规律,得到了各参数下的软化层深度,并通过试验验证仿真结果的正确性。根据仿真得到的软化层尺寸选择合适的背吃刀量,通过单因素试验确定主轴转速和进给速度的理想范围。结果表明,在激光功率为180~210 W、主轴转速为700~900 r/min、进给速度为0.01~0.013 mm/r时按照仿真得到的背吃刀量进行试验可以获得较低的表面粗糙度和较高的材料去除率。研究表明,试验结果与仿真结果基本吻合,可以采取先仿真后试验的方法得到合适的加工参数,从而达到在获得较高表面质量的同时提高加工效率的目的。

关键词：激光辅热切削氮化硅陶瓷温度场仿真表面粗糙度去除率

用于大功率辐射均匀度检测的电子束收集器温度场仿真与实验研究

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用于大功率辐射均匀度检测的电子束收集器温度场仿真与实验研究

作者：张格非华中科技大学

学位级别：硕士

电子束辐射加工技术具有工艺简单、无残留物、无环保问题等优点,已广泛应用于工业、农业、医疗等领域。在辐射加工应用中,束流辐射均匀度直接决定着产品的加工品质,因而需要被重点检测。目前的辐射均匀度检测装置只能进行小束流的离线测... 详细信息

电子束辐射加工技术具有工艺简单、无残留物、无环保问题等优点,已广泛应用于工业、农业、医疗等领域。在辐射加工应用中,束流辐射均匀度直接决定着产品的加工品质,因而需要被重点检测。目前的辐射均匀度检测装置只能进行小束流的离线测量,制约着辐射加工行业的发展。课题组研发的电子束辐射均匀度实时检测装置,成功实现了辐射均匀度的实时测量,但在大束流应用中,由于加速器束流功率高,为了保证测量的安全稳定,对电子束收集器进行温度场的全面仿真与实验研究需求尤为迫切。本文首先基于蒙特卡洛软件GEANT4对收集器进行打靶仿真,获得不同束流条件下的射程与能量沉积以确定热源的分布与大小。接着基于流体计算软件FLUENT,提出了三种电子束收集器冷却结构方案,对各方案在不同结构参数下进行温度场仿真,选择了冷却效果好、易加工、重量轻的内置冷却通路外接三通管结构。基于该结构进行了不同加速器束流功率条件下稳态温度场仿真,仿真结果表明设计的冷却结构可满足最大150 k W束流功率的辐射均匀度测量的冷却需求。根据可用的加速器实验条件,对6～34 k W束流功率下的收集器温度场情况进行了详细仿真。本文设计了热电偶(接触式)和红外热像仪(非接触式)两种方案对收集器进行温度的实时跟踪和检测。由于热电偶测温位置单一且受加速器电离辐射影响较大,本文重点使用红外热像仪对收集器进行非接触式测温。而收集器表面涂覆的红外发射率涂层对测温准确性至关重要,本文创新性地提出了一种使用电子束辐射固化工艺加工的涂层,适用于电子束收集器表面红外测温。设计了正交实验对涂层相关参数进行优化,对获得最高附着力的涂层进行性能测试。结果显示辐射固化涂层有良好的耐辐射性能,耐温337.8°C,红外发射率在耐辐射测试前后均保持在0.91左右,满足大功率条件下的红外测温需求。设计的收集器辐射固化涂层具有固化耗时短、无有害物质挥发且性能稳定的特点,具备复杂辐射场条件下温度测量应用的潜力。基于仿真优化结果,加工了涂覆有辐射固化涂层的电子束收集器与配套冷却系统,在3 Me V和10 Me V两台电子辐射加速器上进行了稳态和瞬态的测温实验与辐射均匀度检测。实验结果表明:在3 Me V加速器下,束流功率为21.6 k W时收集器尾端的稳态温度为37.9°C,与仿真偏差为1.3%。6～34 k W束流功率时收集器于束下运动三个周期内温度与仿真结果最大偏差为8%。在10 Me V加速器下,10 k W束流功率下无冷却结构收集器运动五个周期的最高瞬态温度与仿真结果偏差为2.3%,实验中装置运行稳定,仿真与实验温度最大偏差为8%,有效支撑了辐射均匀度实时检测装置的运行。测得了一系列的加速器辐射均匀度曲线,成功验证了大功率条件下辐射均匀度检测的可行性。

关键词：辐射加工电子辐射加速器束流辐射均匀度电子束收集器冷却结构设计温度场仿真

养护车搅拌箱的优化设计和搅拌釜温度场仿真研究

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养护车搅拌箱的优化设计和搅拌釜温度场仿真研究

作者：李宁河北工业大学

学位级别：硕士

随着中国经济的腾飞,公路事业的发展,公路里程数迅速增加。同时中国已经成为世界第一汽车生产和消费大国。这就要求国家将公路养护提到非常重要的位置,因为这是关系到国计民生的重要问题。作为公路养护机械中重要一环的沥青路面养护车... 详细信息

随着中国经济的腾飞,公路事业的发展,公路里程数迅速增加。同时中国已经成为世界第一汽车生产和消费大国。这就要求国家将公路养护提到非常重要的位置,因为这是关系到国计民生的重要问题。作为公路养护机械中重要一环的沥青路面养护车的开发和生产就显得极其重要。在与河北某专用汽车厂合作开发某型号沥青路面养护车时,发现其搅拌箱质量偏大,加热搅拌效率不高,有必要利用先进的设计开发技术对搅拌箱进行结构尺寸优化设计,并对搅拌釜加热搅拌过程进行仿真研究,在降低生产成本的同时,改善其工作性能,提高其市场竞争力。以沥青路面养护车搅拌箱为研究对象:首先,利用UG三维建模软件及HyperWorks有限元分析软件完成了搅拌箱三维模型和有限元模型的建立;其次,对搅拌箱在三种典型工况下进行结构静力学分析和模态分析;再次,对搅拌箱进行了尺寸优化设计研究,分析结果表明,优化后的搅拌箱不仅满足强度、刚度设计要求,而且拥有合理的振动特性,其质量降低了25.7%,实现了搅拌箱轻量化的设计目标;最后,运用FLUENT软件对搅拌釜的加热搅拌过程进行了仿真研究,改进了搅拌十字镐的结构,提高了搅拌釜的加热效率。

关键词：沥青路面养护车搅拌箱有限元分析温度场仿真搅拌釜结构优化

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生态环境温度场仿真及环境监控系统研究

生态环境温度场仿真及环境监控系统研究

作者：胥莎莎兰州理工大学

学位级别：硕士

目前,我国大多数植物栽培工厂的监测都采用有线、WiFi(Wireless Fidelity,WiFi)和ZigBee等通讯技术实现,对于现代化的植物栽培工厂而言,上述通讯技术存在通讯距离短、组网不灵活的问题。为此,本文以蘑菇工厂为研究对象,针对实际生产中... 详细信息

目前,我国大多数植物栽培工厂的监测都采用有线、WiFi(Wireless Fidelity,WiFi)和ZigBee等通讯技术实现,对于现代化的植物栽培工厂而言,上述通讯技术存在通讯距离短、组网不灵活的问题。为此,本文以蘑菇工厂为研究对象,针对实际生产中存在温度传感器布置不合理、无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSNs)的节点布置和功耗没有成本最优化以及监测数据没有集成到监控平台导致难以实现统一化管理等问题,提出了基于LoRa(Long Range,LoRa)无线通讯的监控系统,并将从温度场仿真、WSNs设计和基于LoRa的数据无线通信实现这三方面展开研究,主要研究内容如下:1.针对工厂温度传感器依据经验布置缺乏普适性和理论基础会导致温度数据误差较大的问题,为了实现温度传感器的最优布置,本文首先利用计算机流体力学软件(Computational Fluid Dynamics,CFD)建立了工厂的三维模型,并对工厂内环境进行了模拟。然后将温度模拟结果与测量值作对比来验证CFD模拟工厂内环境温度的有效性,最后基于模拟环境优化了温度传感器的布置。2.针对现有传感器通信连接技术导致传感器不能灵活移动、自由组网的问题,本文对比了各种通信模式的优劣性并结合蘑菇工厂的实际生产情况,提出了基于LoRa通信的蘑菇工厂WSNs模型。将从WSNs传感器节点的部署方式、WSNs路由算法和定位算法等方面进行研究:(1)针对目前工厂未考虑传感器布置成本的问题,本文在设计WSNs传感器节点的布置方式时,选择了正四边形随机部署方式。仿真结果表明,在成本最优情况下正四边形随机部署方式能满足传感器节点的部署要求;(2)针对WSNs功耗大、节点不能良好定位和数据容易丢失的问题,本文分别提出改进的划分四边形网格分簇路由算法和基于临时锚节点逐步定位算法来优化WSNs的使用性能。仿真结果表明,改进的划分四边形网格分簇路由算法优化了监控系统的数据传输功能,同时也均衡了WSNs的整体能量消耗并延长了WSNs的生命周期。基于临时锚节点的逐步定位算法在少量带有定位功能节点的前提下实现了全网节点的定位,并使得蘑菇工厂WSNs模型的成本最优化。3.针对蘑菇工厂未将多种传感器数据集成到监控平台导致难以实现统一化管理的问题,本文设计了基于力控组态软件的蘑菇工厂监控系统。首先该监控系统集成了LoRa无线终端设备、无线路由设备以及各种传感器,然后分别对LoRa无线通信做了组网测试、通信距离测试和丢包率测试,最后对监控中心进行了通讯测试。测试结果表明,所设计的LoRa无线监控系统能够实现蘑菇生产数据无线传输和高效管理,并可以有效提高工厂的生产效率以及工厂现代化的管理水平。

关键词：智慧农业无线传感器网络温度场仿真 LoRa无线监控系统

半导体激光加热辅助FDM温度场仿真及其工艺参数优化研究

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半导体激光加热辅助FDM温度场仿真及其工艺参数优化研究

作者：于小辉青岛大学

学位级别：硕士

熔融沉积成型(Fused deposition modeling,FDM)因其原理简单、成本低、原料广泛等优点而成为目前应用最广泛的3D打印技术之一。然而,在FDM工艺过程中,聚合物线材因其低热导率经常出现加热不完全的情况,这不仅影响到打印层之间的粘附效果... 详细信息

熔融沉积成型(Fused deposition modeling,FDM)因其原理简单、成本低、原料广泛等优点而成为目前应用最广泛的3D打印技术之一。然而,在FDM工艺过程中,聚合物线材因其低热导率经常出现加热不完全的情况,这不仅影响到打印层之间的粘附效果,还会导致显著的径向热梯度。若到达喷嘴缩径处时的线材没有被充分加热,则所需的挤压力随着进料速率的增加也将急剧增加。所以,一直以来,FDM因打印线材的低热穿透性以及不完全加热等情况,经常造成打印速度慢以及喷头堵塞等问题,对此,提出激光加热辅助FDM打印的研究方案。激光对聚合物打印线材具有很好的热穿透能力,先通过激光辐照线材预热达到很好的热穿透效果,再通过电阻加热方式熔融线材,既能极大提高熔融挤出速率,又能有效防止喷嘴堵塞等问题。本文通过建立连续激光加热塑料聚合物理论模型,基于有限元理论对半导体激光辐照加热聚合物线材的温度场进行仿真研究,分析激光工艺参数对温度场分布以及线材热穿透效果的影响,并对激光加热辅助FDM过程中的激光工艺参数组合进行优化,具体工作如下:(1)激光加热聚合物的热作用理论研究。通过分析激光加热塑料聚合物的热传递过程,建立连续激光加热塑料聚合物理论模型。基于激光与聚合物的相互作用理论,根据能量守恒定律推导出激光参数与聚合物温度变化影响关系表达式。并以FDM常用线材丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)为例,进行数值计算,得到辐照时间分别与激光功率密度和热影响区深度的关系曲线以及激光加热作用下ABS线材玻璃态和黏流态转变的激光参数阈值,为半导体激光加热ABS线材的激光参数选择提供理论依据。(2)激光加热ABS线材温度场仿真模拟与实验研究。分析半导体激光热源的光源特性,建立高斯型分布的激光热源模型,利用FORTRAN语言编写的DFLUX子程序对其实现模拟加载。建立三维有限元模型,运用standard隐式求解中的热传导模块对激光加热ABS线材的温度场进行仿真模拟。通过改变激光工艺参数进行多组仿真实验,对比分析仿真结果获得激光功率、光斑半径、激光热源移动速度对激光加热效果的影响规律。并对ABS线材进行半导体激光加热实验,利用光学显微镜观测热影响区深度与形貌特征,通过与理论数值计算结果以及与仿真温度场云图特征进行对比,双重验证了所建理论模型的合理性、数值计算的准确性以及仿真模拟实验的有效性。此外,利用红外热像仪测量移动的ABS线材被激光加热后的表面温度,通过与仿真温度值进行比较,验证了移动激光热源加热ABS线材温度场仿真模型的可靠性。(3)激光加热辅助FDM工艺参数优化。通过设计正交试验,结合仿真实验数据,得出影响ABS线材激光加热效果的工艺参数之间的主次关系。并以激光功率和激光热源移动速度为优化参数,以ABS线材表面被激光加热的温度峰值达170℃为约束条件,以线材软化深度峰值最大和所需辐照时长最小为优化目标,通过全因子试验设计(DOE),建立各优化目标参数与工艺参数之间的响应面近似模型。利用MATLAB中的Curve fitting tool工具箱,分别对软化深度峰值与激光辐照时长进行关于激光功率和激光热源移动速度的二阶多项式拟合。最终基于NSGA-II算法,使用gamultiobj多目标优化函数求解器对拟合函数进行多目标优化,成功得到一组激光工艺参数组合帕累托(Pareto)最优解,即得到了激光加热辅助FDM的最优工艺参数组合。

关键词： FDM 激光加热温度场仿真工艺参数优化

IN718合金增材制造温度场仿真及微观组织分析

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组合机床与自动化加工技术 2022年第2期 91-94页

作者：梁晨马雅丽闫立山大连理工大学机械工程学院大连116024

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理... 详细信息

针对微观组织的调控相关问题,构建了IN718材料激光选区熔化(selective laser melting,SLM)温度场仿真的三维有限元模型,研究了激光功率和扫描速度对熔池温度场和凝固机理的影响,进而预测增材制造材料的微观组织,为微观组织的调控提供理论依据。首先分析了激光功率和扫描速度对熔池尺寸的影响,分析了不同工艺参数下熔池温度场的变化;其次基于温度场的仿真结果,计算不同工艺参数下熔池固液界面处温度梯度和凝固速度的变化,分析凝固过程中柱状晶向等轴晶的转变条件,预测熔池不同深度上的微观组织。研究结果发现提高激光功率有利于等轴晶的形成,而扫描速度对等轴晶厚度占比影响不大,另外降低激光功率和提高扫描速度将促使形成的微观组织尺寸更细小。

关键词：增材制造微观组织镍基合金温度场仿真

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中性点接地电阻器的温度场仿真与实验

电力系统及其自动化学报 2010年第4期22卷 142-145页

作者：罗隆福张俊华贺达江湖南大学电气与信息工程学院长沙410082 湖南省怀化学院物理与信息工程系怀化418008

针对国产接地电阻器性能较差问题,通过ANSYS有限元仿真软件建立了两种形状的接地电阻器仿真模型,分析了不同截面积的接地电阻器的温度场分布情况和最大允许温升,搭建了大电流实验平台,对接地电阻器进行了热承载实验,实验结果验证了仿真... 详细信息

针对国产接地电阻器性能较差问题,通过ANSYS有限元仿真软件建立了两种形状的接地电阻器仿真模型,分析了不同截面积的接地电阻器的温度场分布情况和最大允许温升,搭建了大电流实验平台,对接地电阻器进行了热承载实验,实验结果验证了仿真结果的正确性。绘制出一种合金电阻器的最大允许通流密度与电阻截面积的关系,对接地电阻器的研制具有一定指导意义,也为接地电阻器的优化设计提供了重要依据。

关键词：中性点接地合金接地电阻器温度场仿真热承载实验优化设计

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基于Icepak的二次配电装置温度场仿真

低压电器 2010年第24期 20-22,61页

作者：崔芮华甄亚英王穗平周超河北工业大学天津300130

依据二次配电装置实物,通过合理简化而建立热仿真模型,得到了温度分布,仿真结果与试验结果基本吻合,证明Icepak热仿真方法的可行性,对此后同类产品的热分析具有指导作用。

关键词： Icepak仿真二次配电装置温度场仿真

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单脉冲超声辅助电火花加工温度场仿真分析

热加工工艺 2018年第18期47卷 116-120页

作者：陈伯厅陶孟仑陈定方陈阳鹏李立杰武汉理工大学智能制造与控制研究所

从单脉冲放电粒子能量和放电蚀坑两个方面,分析了超声振动对电火花加工的影响效果。根据Ansys仿真分析结果,在单脉冲放电情况下,放电蚀坑的深度和半径随峰值电流和脉宽的增大而增大。但是,峰值电流相对于脉宽对放电蚀坑尺寸的影响作用... 详细信息

从单脉冲放电粒子能量和放电蚀坑两个方面,分析了超声振动对电火花加工的影响效果。根据Ansys仿真分析结果,在单脉冲放电情况下,放电蚀坑的深度和半径随峰值电流和脉宽的增大而增大。但是,峰值电流相对于脉宽对放电蚀坑尺寸的影响作用更大。因此,在超声辅助电火花加工中,可采用偏大的峰值电流和偏小的脉宽,提高加工效率。

关键词：超声振动单脉冲温度场仿真数值模拟超声辅助电火花加工