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轻量化材料新型连接工艺与应用现状

机械工程学报 2024年第4期60卷 259-283页

作者：张越卢岩彭锐涛朱琳伟雷贝蒋家传湘潭大学机械工程与力学学院湘潭411105 湘潭大学力学博士后流动站湘潭411105

随着全球汽车产业低碳化转型,与车身轻量化相关的连接技术挑战不断增加,综合考虑轻量化的成本与效果,合理选用车身材料,搭配不同连接工艺,在满足行业质量标准降低产品重量的前提下为产品设计提供更多思路,已经成为轻量化技术发展的必然... 详细信息

随着全球汽车产业低碳化转型,与车身轻量化相关的连接技术挑战不断增加,综合考虑轻量化的成本与效果,合理选用车身材料,搭配不同连接工艺,在满足行业质量标准降低产品重量的前提下为产品设计提供更多思路,已经成为轻量化技术发展的必然趋势。合理运用各类轻量化材料,可以有效减轻车身重量、提高车身性能,对不同的车身轻量化材料的若干新型连接工艺的研究进展进行系统归纳,从冶金连接技术、机械连接技术、粘接技术及复合连接技术四个方面进行综述分析,阐述近年来各种新型工艺及其延伸工艺的研究进展,重点分析各类工艺的技术原理、连接强度准则、工艺优势、局限性及应用现状,以期为汽车轻量化材料新型连接工艺的设计与制造提供有益借鉴,为车身轻量化连接工艺保驾护航。

关键词：轻量化连接工艺冶金连接机械连接复合连接

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基于Python的面向对象弹塑性有限元方法实现与数值模拟

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系统仿真学报 2024年第5期36卷 1107-1117页

作者：李恒辉肖映雄湘潭大学机械工程与力学学院湖南湘潭411105

随着有限元应用领域的不断扩大,对有限元的可扩充性提出了更高的要求。为克服传统有限元的缺陷,基于Python提出了一种简单、易扩充的面向对象弹塑性有限元程序框架,结合Python的特性,设计了前处理类、后处理类、线性求解类、应力积分类... 详细信息

随着有限元应用领域的不断扩大,对有限元的可扩充性提出了更高的要求。为克服传统有限元的缺陷,基于Python提出了一种简单、易扩充的面向对象弹塑性有限元程序框架,结合Python的特性,设计了前处理类、后处理类、线性求解类、应力积分类、分析类等有限元类。通过将程序框架应用于几类典型弹塑性问题的有限元分析与模拟,并与ABAQUS计算结果进行了对比,验证了基于Python的面向对象弹塑性有限元程序的准确性和有效性。

关键词：面向对象编程弹塑性有限元程序框架数值模拟 Python

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超燃冲压发动机热防护技术及点阵结构应用

空天技术 2024年第4期 24-42页

作者：徐熠熠胡建新苗训苏俊湘潭大学机械工程与力学学院

热防护技术的升级是高超声速飞行器进一步发展的关键之一，当前的热防护技术已经无法满足发动机在更高飞行马赫数下面临的热量过载问题。综述了当前热防护技术的发展现状，对比了其各自的优缺点，提出了在主动冷却技术中引入点阵结构的... 详细信息

热防护技术的升级是高超声速飞行器进一步发展的关键之一，当前的热防护技术已经无法满足发动机在更高飞行马赫数下面临的热量过载问题。综述了当前热防护技术的发展现状，对比了其各自的优缺点，提出了在主动冷却技术中引入点阵结构的发展方向，具体阐述了点阵结构的机械性能、制造方法以及点阵结构在强化主动冷却中的优势，进一步分析了将点阵结构投入实际应用所面临的困难与挑战，在理论研究、仿真模拟、实验、制备方法、基体材料和结构优化6个方面进行了点阵结构强化主动冷却技术的发展展望，并就未来研究工作的重点提出了6点建议。

关键词：超燃冲压发动机热量过载热防护技术主动冷却点阵结构

基于改进YOLOv8的轻量化荷叶病虫害检测模型

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农业工程学报 2024年

作者：刘忠卢安舸崔浩刘俊马秋成湘潭大学机械工程与力学学院

腐败病、叶斑病、病毒病、斜纹夜蛾等荷叶病虫害严重影响莲子的产量与品质。开展疫病叶片检测是防治荷叶病虫害的重要措施。该研究以提高对荷叶病虫害的检测精度、减少模型的计算规模、提升可部署性为目标，提出了一种基于改进YOLOv8的... 详细信息

腐败病、叶斑病、病毒病、斜纹夜蛾等荷叶病虫害严重影响莲子的产量与品质。开展疫病叶片检测是防治荷叶病虫害的重要措施。该研究以提高对荷叶病虫害的检测精度、减少模型的计算规模、提升可部署性为目标，提出了一种基于改进YOLOv8的轻量化荷叶病虫害检测模型，同时，建立了一种考虑不同环境条件的荷叶病虫害数据集。首先，将YOLOv8颈部网络中的卷积模块（Conv）替换为GSConv，将C2f模块替换为VoV-GSCSP，形成了Slim-neck架构，使模型在保持较高识别准确性的基础上降低计算复杂度。同时，使用融合了EMA高效多尺度注意力机制的C2f＿EMA模块替换主干网络中的C2f模块，提升模型对复杂环境中荷叶病虫害的特征提取能力。试验结果表明，建立的改进YOLOv8荷叶病虫害检测模型能够对荷叶病虫害进行有效检测，实现的平均精度均值（mean average precision,mAP）为89.3%，较基线模型提高了1.6个百分点；模型的参数量较基线模型降低了0.2 M，模型大小仅为5.6 MB。与其他主流检测模型相比，改进YOLOv8模型在检测精度、参数量和模型大小等方面表现出显著优势。将模型部署至Jetson Xavier NX和树莓派4B边缘计算设备上，模型实现的检测帧率分别为27和0.7帧/s，展现了良好的移动端部署前景。所提模型实现了对荷叶病虫害的精准识别，可为荷叶病虫害自动防治提供支撑。

关键词：荷叶病虫害检测深度学习 YOLOv8 轻量化注意力机制

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多工况风电叶片颤振相关性分析与气弹优化

机械工程学报 2024年

作者：唐新姿李可翔何文双陈睿彭锐涛湘潭大学机械工程与力学学院

风电叶片稳定性涉及工况多、设计参数多、颤振机理复杂，给叶片设计带来巨大挑战。为探究大型风电叶片铺层设计参数与颤振特性的隐式关联性及气弹设计规律，以NERL5MW风力机叶片为研究对象，基于复合材料层合板理论、修正叶素动量理论... 详细信息

风电叶片稳定性涉及工况多、设计参数多、颤振机理复杂，给叶片设计带来巨大挑战。为探究大型风电叶片铺层设计参数与颤振特性的隐式关联性及气弹设计规律，以NERL5MW风力机叶片为研究对象，基于复合材料层合板理论、修正叶素动量理论、欧拉梁模型和气动阻尼计算方法，计算旋转工况和停机工况叶片各主要振动模态下的气动阻尼；采用灰色关联度和Person相关系数，获得叶片铺层设计参数与颤振特性参数多元相关性图谱；基于多工况气动阻尼优化，获得铺层优化解集与设计知识，为风电长柔叶片精细化气弹设计提供方法与知识参考。结果表明，叶片颤振气动阻尼与尾缘泡沫厚度、碳纤维厚、腹板间距、腹板泡沫厚度参数强相关；旋转工况与停机工况叶片一二阶挥舞气动阻尼呈显著负相关，而两工况一阶摆振阻尼呈显著正相关，二阶摆振阻尼无明显相关性；增大腹板间距、腹板泡沫厚度、碳纤维厚度、碳纤维角度和尾缘泡沫厚度可以获得旋转工况和停机工况各阶模态气动阻尼综合更优的叶片。

关键词：风力机叶片结构动力学叶素动量理论颤振气弹耦合

基于分层结构的UELMAT用户实体单元的建模与可视化

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计算力学学报 2024年

作者：王铸肖映雄湘潭大学机械工程与力学学院

为在ABAQUS中快速实现基于用户实体单元的有限元模型，调用ABAQUS内置本构模型，可视化材料积分点处的计算结果，本文设计了一种便捷的用户实体单元建模和可视化方法。该方法使用分层结构定义有限元模型，并使用UELMAT子程序实现用户实... 详细信息

为在ABAQUS中快速实现基于用户实体单元的有限元模型，调用ABAQUS内置本构模型，可视化材料积分点处的计算结果，本文设计了一种便捷的用户实体单元建模和可视化方法。该方法使用分层结构定义有限元模型，并使用UELMAT子程序实现用户实体单元。为解决输出数据库文件无法保存材料积分点处结果的问题，该方法还使用了UVARM子程序结合内核脚本接口将结果写入输出数据库文件。为验证该方法的可靠性，本文实现了基于四边形双线性单元的平面应力单元Q4S和使用B-bar方法的平面应变单元Q4EB，并分别与ABAQUS内置单元CPS4和CPE4在线弹性和小变形弹塑性算例的计算结果进行了对比。结果表明，用户实体单元Q4S和Q4EB可获得和CPS4和CPE4完全一致的计算结果。该方法可为调用内置本构关系的UELMAT用户实体单元的快速建模和可视化提供借鉴。

关键词： UELMAT 分层结构可视化 UVARM 用户实体单元

高速激光熔覆铁基非晶合金涂层的组织及性能研究

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激光与光电子学进展 2024年第17期 282-291页

作者：向南鑫周后明王宇豪曹星宇李神贵湘潭大学机械工程与力学学院

采用Fe-Cr-B-Si非晶合金粉末，通过高速激光熔覆的方式在低碳钢表面成功制备出具有优异摩擦学性能的涂层。研究了激光功率对非晶合金涂层的显微组织、硬度以及耐磨性的影响。结果表明，涂层中非晶相的含量和分布与激光功率有关，激光功... 详细信息

采用Fe-Cr-B-Si非晶合金粉末，通过高速激光熔覆的方式在低碳钢表面成功制备出具有优异摩擦学性能的涂层。研究了激光功率对非晶合金涂层的显微组织、硬度以及耐磨性的影响。结果表明，涂层中非晶相的含量和分布与激光功率有关，激光功率通过改变热输入来影响稀释率和实际冷却速率。随着激光功率的增大，涂层中微观组织的生长规律发生改变，非晶相的分布位置由底部转变为顶部。当激光功率为2200 W时，涂层的微观组织主要由非晶相和未成形的晶粒组成，非晶相含量约为76%，且均匀分布于整个涂层中。非晶相的含量和分布是影响涂层硬度和耐磨性的关键因素，非晶体区比晶体区硬度提高约200 HV。当非晶相分布于涂层顶部时，会显著提高涂层的表面硬度和耐磨性。

关键词：高速激光熔覆非晶合金冷却速率耐磨性

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电磁场对激光熔覆镍基涂层组织性能的影响

表面技术 2024年

作者：王宇豪周后明王泽达向南鑫曹星宇湘潭大学机械工程与力学学院

目的：为了研究稳态磁场作用下不同类型及大小的电场对激光熔覆Ni基涂层组织性能的影响，从偏析的角度对电磁场的影响进行研究。方法：本文电磁场采用大小方向相同的稳态磁场以及不同大小的交流电场(AC)和直流电场(DC)，在45钢表面采用... 详细信息

目的：为了研究稳态磁场作用下不同类型及大小的电场对激光熔覆Ni基涂层组织性能的影响，从偏析的角度对电磁场的影响进行研究。方法：本文电磁场采用大小方向相同的稳态磁场以及不同大小的交流电场(AC)和直流电场(DC)，在45钢表面采用电磁场辅助激光熔覆技术制备出致密的Ni60涂层。采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射仪(XRD)、往复式摩擦磨损试验机等检测手段检测涂层的元素偏析和组织性能。结果：研究结果表明，电磁场对熔池产生的搅拌作用会加速熔覆层的传热与传质，从而减少CrB、Ni2B等物质的生成，减少熔覆层宏微观偏析，其中交流电场(AC)试样组偏析程度低于电流大小相同的直流电场(DC)试样组。在摩擦磨损实验中，AC200A试样具有最低的平均摩擦系数0.323，磨损量也为整组试样中最低，比未添加电磁场试样低39.3%。且AC200A试样具有最高自腐蚀电位-185mV、最低自腐蚀电流密度6.01 μA cm-2，其抗腐蚀性能为整组试样最佳。AC试样性能优于对应电流大小的DC试样。结论：电磁场辅助激光熔覆可以明显减少涂层的宏微观偏析从而提高涂层的性能，本研究中，在AC200A条件下制备的涂层的耐磨损性能和抗腐蚀性能最佳。

关键词：激光熔覆电磁场元素偏析电磁搅拌涂层性能

2195铝锂合金浸入式末端淬火实验与温度场有限元模拟

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中国有色金属学报 2024年第7期34卷 2227-2239页

作者：肖博李承波曹普立郑学军赵偲湘潭大学机械工程与力学学院湘潭411105 广东兴发铝业有限公司佛山5281371

通过浸入式末端淬火实验和有限元模拟研究了2195铝锂合金的淬火温度场,获得不同位置的冷却曲线和硬度,结合微观组织分析2195铝锂合金的淬火敏感性机理。结果表明:2195铝锂合金板材的界面传热系数与表面温度之间存在非线性关系,当样品表... 详细信息

通过浸入式末端淬火实验和有限元模拟研究了2195铝锂合金的淬火温度场,获得不同位置的冷却曲线和硬度,结合微观组织分析2195铝锂合金的淬火敏感性机理。结果表明:2195铝锂合金板材的界面传热系数与表面温度之间存在非线性关系,当样品表面温度降低时,界面传热系数先升高后降低,在101℃左右达到最大值28.3 kW/(m^(2)∙℃);2195铝锂合金采用浸入式末端淬火时,淬火速率随着距离浸入端距离的增加而减小;随着淬火速率的减小,淬火析出相的尺寸和面积分数均增加,硬度随之降低;当淬火速率从402.5℃/s下降至3.9℃/s时,硬度下降率为25.6%。同时,分别建立了硬度值H和硬度下降率ΔH与淬火析出相的面积分数A的关系曲线。在慢速淬火过程中,由于大量淬火析出相的析出,影响后续时效过程中T1相的析出和长大,导致强化效果显著降低,合金的硬度大幅下降。

关键词：铝锂合金末端淬火温度场有限元法淬火析出相