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电弧微铸锻复合增材制造GH4169D高温合金的显微组织与力学性能

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金属学报 2024年第5期60卷 681-690页

作者：曾立王桂兰张海鸥翟文正张勇张明波华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室武汉430074 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074 中国航发北京航空材料研究院北京100095

GH4169D合金作为一种新型的高力学性能和高稳定性的镍基高温合金,在用于制造高性能复杂结构零件方面具有巨大应用价值,但该合金在电弧增材制造中表现出柱状晶粗大、力学性能各向异性等问题。本工作采用电弧微铸锻复合增材制造(hybrid ar... 详细信息

GH4169D合金作为一种新型的高力学性能和高稳定性的镍基高温合金,在用于制造高性能复杂结构零件方面具有巨大应用价值,但该合金在电弧增材制造中表现出柱状晶粗大、力学性能各向异性等问题。本工作采用电弧微铸锻复合增材制造(hybrid arc and micro-rolling additive manufacturing,HARAM)技术成形GH4169D高温合金试块,并制定多种热处理制度对所成形的试块进行热处理。运用OM、SEM、EBSD、EDS、XRD、TEM等手段以及室温拉伸实验对合金的微观组织和力学性能进行观测和分析,并与常规电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)方法成形的GH4169D合金进行对比。结果表明,HARAM技术中同步轧制的“微锻”作用能有效地使合金原本粗大的柱状晶发生“破碎”。与常规WAAM方法相比,采用HARAM技术所成形合金的室温抗拉强度提高(X向提高48 MPa,Z向提高90 MPa),力学性能的各向异性得到有效抑制。均匀化+固溶+双时效热处理有效消除了HARAM技术成形合金中的Laves偏析相,并促进受“微锻”作用的合金组织发生再结晶,使晶粒比未热处理时更为细小均匀,合金的综合力学性能达到最优(抗拉强度和断后延伸率X向为1366 MPa和25.0%,Z向为1354 MPa和24.6%)。

关键词：增材制造电弧微铸锻 GH4169D高温合金热处理显微组织力学性能

应用于交流电机驱动的新型串联绕组拓扑的动态电流控制性能分析

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中国电机工程学报 2024年第1期44卷 304-313,I0025页

作者：胡烽李安蒋栋刘自程曲荣海尹智群强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074 数字制造装备与技术国家重点实验室(华中科技大学) 湖北省武汉市430074 广州金升阳科技有限公司广东省广州市510663

电机绕组的动态电压是影响其电流变化能力的直接因素。为了提升电机的转矩响应速度,从直流电压利用率的角度分析串联绕组拓扑的动态电流控制能力。首先,从拓扑结构出发,相比于三相半桥拓扑,串联绕组拓扑将直流电压利用率提升了73%,这使... 详细信息

电机绕组的动态电压是影响其电流变化能力的直接因素。为了提升电机的转矩响应速度,从直流电压利用率的角度分析串联绕组拓扑的动态电流控制能力。首先,从拓扑结构出发,相比于三相半桥拓扑,串联绕组拓扑将直流电压利用率提升了73%,这使得其动态电压更加充裕。然后,在不同的转速工况下,分析串联绕组拓扑、三相半桥拓扑以及采用电压修正策略的三相半桥拓扑的动态电流控制性能。最后,经仿真与实验证明,若采用电压修正策略来增大三相半桥拓扑的动态电压裕度,其只在转速接近额定转速时效果才凸显,且提升有限。而采用串联绕组拓扑,其在电压深度饱和下的电流动态响应时间将显著减小。

关键词：表贴式永磁同步电机串联绕组拓扑直流电压利用率动态响应

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基于等几何拓扑优化的柔性机构设计

机械工程学报 2024年第1期60卷 137-148页

作者：许洁高杰肖蜜高亮中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院武汉430074 华中科技大学航空航天学院武汉430074 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074

等几何分析能够将几何建模的基函数与结构数值分析的形函数统一,从而得到高精度的结构数值分析结果。面向柔性机构,提出了一种基于等几何拓扑优化的柔性机构设计方法:通过NURBS基函数和Shepard函数构造增强密度分布函数,该函数的高阶连... 详细信息

等几何分析能够将几何建模的基函数与结构数值分析的形函数统一,从而得到高精度的结构数值分析结果。面向柔性机构,提出了一种基于等几何拓扑优化的柔性机构设计方法:通过NURBS基函数和Shepard函数构造增强密度分布函数,该函数的高阶连续性可确保优化结构边界的光滑清晰;然后根据密度分布函数建立柔性机构的等几何拓扑优化模型;最后,将该方法应用于柔性机构设计。通过算例结果可知,等几何拓扑优化方法特有的计算原理可提高数值计算的精度和效率,能有效避免由网格依赖、棋盘格现象等产生的边界问题,确保了优化结构均具有较好的光滑性和连续性,验证了提出的方法能有效避免柔性机构的铰链现象。

关键词：拓扑优化等几何分析柔性机构密度分布函数

考虑铣削亚表层残余应力的GH4169疲劳寿命预测与分析

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机械科学与技术 2024年

作者：王峻晖张杭崔飞杰闫蓉彭芳瑜闫澳迪华中科技大学机械科学与工程学院华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室

高温合金GH4169是典型的难加工材料，铣削后零部件的表面完整性直接影响其疲劳性能。本文考虑铣削工况下的亚表层残余应力分布，综合铣削表面加工硬化、表面形貌等参数修正了其疲劳寿命预测模型中的影响项，并分析了各项表面完整性指标... 详细信息

高温合金GH4169是典型的难加工材料，铣削后零部件的表面完整性直接影响其疲劳性能。本文考虑铣削工况下的亚表层残余应力分布，综合铣削表面加工硬化、表面形貌等参数修正了其疲劳寿命预测模型中的影响项，并分析了各项表面完整性指标对疲劳寿命的影响比例。实验结果表明，本文提出的考虑表面完整性影响项的预测模型可以较为精确地预测GH4169的疲劳寿命。在本文研究的铣削参数范围内，相较于表面形貌，亚表层残余应力和表面加工硬化对疲劳寿命的影响较大，并相互制约；铣削表面至最大残余压应力深度间的残余应力均值和表面残余应力表征的加工硬化可以共同反映疲劳寿命变化趋势。

关键词：高温合金GH4169 残余应力铣削表面完整性疲劳寿命

面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化

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机械工程学报 2024年第1期60卷 54-64页

作者：黄明喆肖蜜刘喜亮沙伟周冕高亮华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心武汉430074 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观... 详细信息

多孔结构具有轻质、散热快等特点,在航空航天、信息电子等领域应用广泛,提出了一种面向散热性能的多孔结构多尺度等几何拓扑优化方法。在微观尺度,采用水平集函数描述三周期极小曲面点阵的几何构型,构建了Kriging元模型,预测点阵的宏观等效热学属性,从而降低计算成本;在宏观尺度,以最小散热柔度为目标,建立了多孔结构的多尺度拓扑优化模型,引入等几何分析提高了结构性能分析的计算精度,结合等几何映射技术开展了非规则几何结构的多尺度拓扑优化设计,避免了非规则设计域中点阵裁剪导致的几何特征缺损等问题;最后,通过数值算例验证了所提出方法的有效性。结果表明,提出方法可实现非规则几何结构的散热性能优化设计,优化得到的轻质梯度多孔结构具有较好的散热性能,在实际工程中具有广阔的应用前景。

关键词：等几何分析多尺度拓扑优化三周期极小曲面 Kriging元模型散热性能

考虑局部过热约束的自支撑结构等几何拓扑优化

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机械工程学报 2024年第11期60卷 41-52页

作者：宗子凯肖蜜周冕沙伟高亮华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074 华中科技大学国家智能设计与数控技术创新中心武汉430074

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制... 详细信息

等几何拓扑优化方法实现结构几何、分析和优化模型的统一,在结构优化领域具有重要的应用潜力。拓扑优化设计的结构构型复杂,通常需要采用增材制造加工成型。为确保结构的可制造性,其必须满足特定的工艺条件,因此,在优化设计阶段考虑制造工艺约束显得尤为重要。针对金属增材制造中常见的局部过热现象和悬垂角要求,提出一种约束局部过热的自支撑结构等几何拓扑优化方法。采用基于等几何分析的变密度法,引入可打印密度的概念,将不满足打印要求的单元过滤,实现结构自支撑;采用稳态热过程模拟模型近似评估结构的局部过热程度,并将其引入等几何拓扑优化模型中加以约束。数值算例和仿真结果表明,相比于传统等几何拓扑优化方法和仅考虑自支撑特性的等几何拓扑优化方法,该方法设计的结构在满足自支撑特性的基础上,能有效缓解增材制造中结构的局部过热现象,从而减小结构的热变形,提高尺寸精度。

关键词：等几何拓扑优化悬垂角约束局部过热约束增材制造

基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化

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机械工程学报 2024年第13期60卷 71-80页

作者：肖蜜李奇石高亮沙伟黄明喆华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074

点阵结构凭借其轻质、快速散热等特点,广泛应用于信息电子、航空航天等领域,提出了一种基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化方法。在微观尺度上,设计了添加连接壁的十字型点阵单胞,保证了相邻单胞的连接性,通过旋转单胞... 详细信息

点阵结构凭借其轻质、快速散热等特点,广泛应用于信息电子、航空航天等领域,提出了一种基于各向异性材料插值的点阵散热结构跨尺度拓扑优化方法。在微观尺度上,设计了添加连接壁的十字型点阵单胞,保证了相邻单胞的连接性,通过旋转单胞使其呈现各向异性的热学属性,并改变其体分比进一步扩大设计空间;在宏观尺度上,以最小化散热柔度为目标、高导热材料体积分数为约束,构建了点阵散热结构拓扑优化模型,基于各向异性材料插值函数快速计算单胞的宏观等效热学属性,同时优化点阵单胞在宏观设计域的分布、点阵单胞的几何参数与旋转角度。最后,结合算例实现了不同边界条件下的点阵散热结构跨尺度拓扑优化。进一步考虑最小化平均温度、最小化温差、最小化最高温度等三类典型热学性能目标,开展跨尺度拓扑优化设计,结果表明提出方法设计的点阵结构具有良好的热学性能。

关键词：跨尺度拓扑优化点阵散热结构各向异性材料插值点阵单胞旋转

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面向纹理表面缺陷检测的增量学习方法

机械科学与技术 2024年

作者：何大伟杨华华中科技大学机械科学与工程学院数字制造装备与技术国家重点实验室

随着工业制造水平的不断提高，工业产品表面质量检测愈发受到重视。在实际应用中，产线会不断提供新的训练样本和缺陷类型，因此要求模型能够利用已学到的知识，并结合新的样本快速学习，具备增量学习的能力。本文针对上述问题，提出了... 详细信息

随着工业制造水平的不断提高，工业产品表面质量检测愈发受到重视。在实际应用中，产线会不断提供新的训练样本和缺陷类型，因此要求模型能够利用已学到的知识，并结合新的样本快速学习，具备增量学习的能力。本文针对上述问题，提出了一种面向纹理表面缺陷检测的增量学习方法。提出算法由自适应卷积/反卷积模块和纹理表面缺陷检测网络构成，前者分配权重衡量检测模型参数与当前训练类别的相关性，赋予模型增量学习能力；后者设计重建和分割支路，结合对抗学习提升模型对纹理表面缺陷的重建质量和分割性能。提出算法在缺陷检测公开数据集MvTec AD纹理类上模拟增量学习，取得了97.6%的AUROC精度指标，并在消融实验中验证了提出模块的有效性。为了探究提出算法在实际场景下的性能，本文收集产线上的喷印基板数据并进行测试，在四个类上取得了98.7%的平均检出率，验证了提出算法的实际应用价值。

关键词：纹理表面缺陷检测增量学习

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液滴撞击柔性基底研究进展

力学学报 2024年第6期56卷 1529-1539页

作者：许勇琪彭泽瑞周新平华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074 华中科技大学航空航天学院武汉430074 华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室武汉430074

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形... 详细信息

液滴撞击固体基底现象广泛存在于自然界、日常生活及工业生产中.在多数液滴撞击场景中,固体基底可以近似地视为理想刚性基底.然而在一些场景中,具有较小杨氏模量或者几何结构为薄壁或细长类的固体基底在受到液滴撞击后会产生明显的变形,而固体基底的形变反过来又会影响液滴的动力学行为.相比于刚性基底情况,液滴与柔性基底的耦合作用可能会引发新的动力学现象和机制.因此,柔性基底液滴撞击动力学的研究很有意义,也成为一些学者当前关注的研究焦点之一.根据几何结构的特点,柔性基底可以分为柔性体、柔性面和柔性杆3种类型.文章据此分类介绍与这3类柔性基底相关的液滴撞击动力学的研究进展.柔性基底的可变形性是导致其液滴动力学与刚性基底液滴动力学存在差异的根本原因.现有的研究表明,基底柔性对液滴撞击的接触时间、最大铺展因子、气泡捕获、回弹和溅射等方面均存在着影响,其中关于接触时间及溅射方面的结论可能为制造防水、抗冰和防溅射材料提供新思路.

关键词：液滴撞击柔性基底流固耦合基底形变杨氏模量