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等离子体作用下不同脉冲数超快激光烧蚀过程中化学反应机制的数值模拟

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机械工程学报 2024年第8期60卷 94-106页

作者：张春波吴成军袁浩天西安交通大学机械工程学院西安710049

为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型... 详细信息

为了降低激光加工试验成本,建立较为完善的激光加工仿真模型,预测加工材料表面氧化物分布情况,基于计算流体力学方程、流固耦合理论和双温模型,借助OpenFOAM流体仿真平台,通过C++自编程的方式,建立了超快激光烧蚀的三维热化学反应模型。模型考虑了等离子体对入射激光能量的吸收和散焦作用以及温度变化对表面反射率和分层吸收系数的影响,采用Maxwell-Stefan理论模拟了多元组分间的扩散现象,并利用配分函数法拟合了热化学反应速率。采用240 fs脉冲激光进行相同功率、不同脉冲数下的激光打孔试验,验证了仿真模型的有效性。试验结果表明,随着脉冲数的增加,等离子体对激光的屏蔽作用增强,烧蚀后材料表面微孔结构的直径逐渐增大,烧蚀区域的氧化物含量逐渐上升。通过仿真结果与试验结果对比可知,在表面微孔结构的直径方面,两者间的相对误差不超过5%,在表面氧化物含量方面,相对误差控制在12%以内。并且分析出当脉冲数较小时,等离子体作用较弱,热效应在激光能量中所占比例比较大,使得仿真与试验的氧化物占比误差较大。将等离子体与化学反应模块相结合,采用配分函数法求解了热化学反应速率,能够预测材料表面氧化物含量。

关键词：超快激光烧蚀多元组分扩散热化学反应等离子体

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航空发动机分布式系统的事件触发滑模控制

航空动力学报 2024年第2期39卷 144-155页

作者：王玮轩彭靖波张志芬张驭谢寿生温广瑞郑劲松空军工程大学航空工程学院西安710038 西安交通大学机械工程学院西安710049

针对存在时变时延和随机丢包的航空发动机分布式控制系统,在具有外部扰动的情况下,设计了保证系统渐近稳定的事件触发滑模控制器。为了提高资源的利用率,引入了动态事件触发机制(DETM)来调度采样信号的传输。为了便于滑模面的建立,设计... 详细信息

针对存在时变时延和随机丢包的航空发动机分布式控制系统,在具有外部扰动的情况下,设计了保证系统渐近稳定的事件触发滑模控制器。为了提高资源的利用率,引入了动态事件触发机制(DETM)来调度采样信号的传输。为了便于滑模面的建立,设计了状态观测器,并基于观测状态构造了积分滑模面。通过李雅普诺夫方法,得到了稳定性准则,并给出了线性矩阵不等式(LMIs)形式的控制器、观测器、事件触发器的参数计算方法。随后设计了滑模控制律,确保了滑模面的可达性。此外,为了提高LMIs的可行性,提出了基于iL-SHADE算法的LMIs参数优化方法。仿真结果表明,在给定的控制框架下,闭环系统能够保证较好的控制性能。在给定的仿真条件下,减少了96.5%的信号传输,极大节省了通信资源。

关键词：分布式控制系统时延和丢包动态事件触发机制滑模控制线性矩阵不等式

304不锈钢棒料连续旋弯低应力精密下料断裂预测

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机械工程学报 2024年第1期60卷 190-197页

作者：于正洋钟斌张传伟赵升吨西安科技大学安全科学与工程学院西安710054 西安科技大学机械工程学院西安710054 西安交通大学机械工程学院西安710049

低应力下料近净成形方法是制造轴类零部件毛坯的新工艺,具有能耗低、下料效率高及坯料断面精度高等特性,然而其下料机理一直不清晰,难以获取理想的下料工艺参数,因此基于累计损伤理论提出断裂强度因子预测断裂模型进行研究。以304不锈... 详细信息

低应力下料近净成形方法是制造轴类零部件毛坯的新工艺,具有能耗低、下料效率高及坯料断面精度高等特性,然而其下料机理一直不清晰,难以获取理想的下料工艺参数,因此基于累计损伤理论提出断裂强度因子预测断裂模型进行研究。以304不锈钢为研究对象,将断裂强度因子耦合到连续旋弯低应力下料有限元模型进行断裂预测。通过连续旋弯低应力下料试验,依托断面平整度及下料时间的下料综合评价方法,验证基于断裂强度因子的连续旋弯低应力下料断裂预测数值模拟的正确性。结果表明:基于断裂强度因子断裂预测模型模拟得到的断裂位置位于环状“V”型缺口根部,与下料分离结果保持一致;断面平整度与下料时间随着加载位置提升而降低,当加载位置为L_(1)=5 mm,L_(2)=10 mm能够实现棒料高效精密下料。该下料方法利用断裂强度因子预测断裂模型建立了连续旋弯低应力下料断裂机理,为实现低应力下料工业化奠定理论基础。

关键词：断裂强度因子低应力下料数值模拟断裂预测 304不锈钢

微流体压力驱动的扫描电化学池显微镜长时间稳定成像

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光学精密工程 2024年第10期32卷 1528-1537页

作者：王志武庄健宁少慧程磊郑强强太原科技大学机械工程学院山西太原030024 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

为了提升扫描电化学池显微镜(SECCM)对复杂形貌表面电化学活性成像能力,以及避免探针尖端微液滴蒸发和结晶,进而实现长时间、稳定成像,构建了基于纳米移液管探针微流体压力驱动的扫描电化学成像系统。对探针尖端开口处的微液滴流量补偿... 详细信息

为了提升扫描电化学池显微镜(SECCM)对复杂形貌表面电化学活性成像能力,以及避免探针尖端微液滴蒸发和结晶,进而实现长时间、稳定成像,构建了基于纳米移液管探针微流体压力驱动的扫描电化学成像系统。对探针尖端开口处的微液滴流量补偿、复杂表面形貌同步电化学活性成像可靠性等进行了研究。首先,构建了基于移液管探针微流体压力驱动的SECCM扫描成像系统。接着,建立了移液管微流体压力驱动的探针检测数值模型,研究了探针末端背压与探针尖端流体流量间的关系。然后,在理论模型分析的基础上,实验测试了微流体驱动新方法对具有较大表面形貌特征的玻碳电极材料和铝合金材料表面高分辨率形貌和电化学活性同步成像能力。实验结果表明:新方法可对硬质材料表面(样品表面高度起伏为探针开口直径20倍以上)实现长时间、稳定的电化学成像。新系统的研制将为研究人员在材料电化学、金属材料腐蚀研究提供强有力的工具。

关键词：扫描电化学池显微镜局部高分辨率循环伏安测量形貌电化学活性

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谐波减速器精度退化失效及相关竞争失效可靠度评估研究

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振动与冲击 2024年第15期43卷 277-287页

作者：张弦王鹏张昌明姜歌东陕西理工大学机械工程学院陕西汉中723001 西安交通大学机械工程学院西安710049

为了准确评估谐波减速器可靠度,实现失效预测和主动维护,提出了一种谐波减速器相关竞争失效可靠度评估方法。首先,根据谐波减速器精度性能退化测试数据,将指数模型应用至精度状态转移方程,采用粒子滤波算法进行了谐波减速器精度退化建... 详细信息

为了准确评估谐波减速器可靠度,实现失效预测和主动维护,提出了一种谐波减速器相关竞争失效可靠度评估方法。首先,根据谐波减速器精度性能退化测试数据,将指数模型应用至精度状态转移方程,采用粒子滤波算法进行了谐波减速器精度退化建模、参数更新和退化趋势分析,实现了谐波减速器精度退化失效寿命分布预测和精度动态可靠度评估;然后,结合谐波减速器强度失效和刚度退化失效的样本及失效寿命分布,基于Copula相关函数,建立了谐波减速器精度失效、刚度失效和强度失效的相关竞争失效动态可靠度评估方法;最后,通过谐波减速器精度、刚度和强度的相关竞争失效分析,得到了谐波减速器加速工况和额定工况下精度退化失效、刚度退化失效和强度失效的失效次序,并通过谐波减速器试验失效样本对所提出方法的有效性进行了验证。

关键词：谐波减速器精度退化失效粒子滤波 Copula 相关竞争失效

压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉刺激装置研究

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西安交通大学学报 2024年第1期58卷 178-186页

作者：陈敬李敏何国璎张超宙西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

为解决手康复训练中指尖触觉刺激装置刺激形式单一、体积与质量过大、刺激效果不佳的问题,提出了一种压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉刺激装置。首先,分析人体指尖曲面特征,设计多接触面的气动压觉反馈装置,包括中央、指尖、两侧共计4... 详细信息

为解决手康复训练中指尖触觉刺激装置刺激形式单一、体积与质量过大、刺激效果不佳的问题,提出了一种压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉刺激装置。首先,分析人体指尖曲面特征,设计多接触面的气动压觉反馈装置,包括中央、指尖、两侧共计4个气室;然后,设计电极阵列模块,采用电刺激实现滑觉、粗糙度的反馈,建立人体阻抗模型确定供电电压等电刺激参数,并通过仿真验证;最后,采用柔性材料分别打印制作气动压觉执行器和电极阵列,集成的触觉反馈装置质量为14.8 g,尺寸为40 mm长、30 mm宽。实验结果表明,气动压觉反馈装置的线性度较高、迟滞小,单腔力反馈最大为12 N;电刺激装置的粗糙度识别准确率达到100%,滑觉粗糙识别率超过80%。设计的装置可以同时提供给用户指尖精确的压觉、滑觉以及粗糙度的触觉反馈,并且质量轻、体积小、反馈力大,对多模态触觉反馈装置具有一定的参考价值,有应用于脑卒中患者康复训练的潜力。

关键词：触觉反馈电刺激气动压觉反馈多模态

面向航空复杂零件智能工艺规划的孪生工艺模型构建与应用研究

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机械工程学报 2024年第6期60卷 32-43页

作者：张超周光辉李晶晶魏智博秦天宇西安交通大学机械工程学院西安710049 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710054

针对航空制造企业以人工经验为主的试错型工艺规划方式及工艺设计与加工过程缺乏协同导致的航空复杂零件工艺方案设置不合理、加工过程调整不及时、几何精度与物理性能指标调控难等问题,通过引入数字孪生技术,构建面向航空复杂零件智能... 详细信息

针对航空制造企业以人工经验为主的试错型工艺规划方式及工艺设计与加工过程缺乏协同导致的航空复杂零件工艺方案设置不合理、加工过程调整不及时、几何精度与物理性能指标调控难等问题,通过引入数字孪生技术,构建面向航空复杂零件智能工艺规划的新型孪生工艺模型及其参考框架。据此,从实测数据、质量信息和工艺知识融合的角度,提出孪生工艺模型数据空间、虚拟空间和知识空间的构建方法,明晰加工过程几何误差与物理性能指标使能的孪生工艺模型多维空间协同演进机制,实现工艺设计与加工过程的联动优化。进一步以航空薄壁件为例,实现孪生工艺模型的原型开发,并探索孪生工艺模型的典型应用场景,为航空制造企业革新工艺规划方式、实现工艺设计与加工过程的联动优化提供支撑。

关键词：数字孪生智能工艺规划孪生工艺模型质量调控航空复杂零件智能决策

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旋转锻造连接工艺研究

塑性工程学报 2024年第4期31卷 274-280页

作者：张琦张以升田天泰张毓西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

为了解决焊接性能差的材料间的连接问题,提出了一种利用旋转锻造工艺进行管材-管材、管材-棒料连接的新方法,并进行了旋转锻造连接过程的有限元分析和试验研究,揭示了旋转锻造连接过程的材料流动规律,得到了影响连接头强度的工艺参数。... 详细信息

为了解决焊接性能差的材料间的连接问题,提出了一种利用旋转锻造工艺进行管材-管材、管材-棒料连接的新方法,并进行了旋转锻造连接过程的有限元分析和试验研究,揭示了旋转锻造连接过程的材料流动规律,得到了影响连接头强度的工艺参数。试验设备为自主研发的基于能量控制的小型旋转锻造设备,材料为T2铜管、6061铝管及塑料棒。对旋转锻造连接成形过程进行了有限元分析,得到了材料流动情况和连接工艺参数。结果表明:旋转锻造连接工艺可以形成稳定连接头;连接长度越小,连接头越容易被拉脱;径缩量是影响连接头强度的主要因素,在一定范围内随着径缩量的增加,连接强度不断增加;径缩量过大时,内管将在旋转锻造过程中发生破裂,无法形成连接头;试验结果表明,径缩量为0.8 mm时,铜管-铝管连接头强度达到铝管强度的62%,铜管-铜管连接头强度达到内铜管强度的68%,铜管-塑料棒连接头强度达到塑料棒强度的63%。

关键词：旋转锻造连接塑性变形管材

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修正-联合正则化的冲击载荷识别与响应重构

浙江大学学报（工学版） 2024年第5期58卷 1029-1039页

作者：殷红石咏荷彭珍瑞王增辉兰州交通大学机电工程学院甘肃兰州730070 西安交通大学机械工程学院陕西西安710049

针对传统结构响应重构中正则化方法对冲击载荷峰值识别精度低、非加载区识别结果振荡且识别精度易受噪声干扰等问题,提出基于修正-联合正则化的冲击载荷识别与结构响应重构方法.基于状态空间模型,推导冲击载荷及结构响应的重构方程.对... 详细信息

针对传统结构响应重构中正则化方法对冲击载荷峰值识别精度低、非加载区识别结果振荡且识别精度易受噪声干扰等问题,提出基于修正-联合正则化的冲击载荷识别与结构响应重构方法.基于状态空间模型,推导冲击载荷及结构响应的重构方程.对测量响应降噪,利用降噪后响应与识别响应的差值修正L2正则化解.联合L1正则化解的稀疏性优势,在保证冲击载荷非加载区域识别稳定的同时,获得更高精度的峰值识别结果,实现结构动态响应的重构.通过数值和实验案例验证了所提方法的有效性,对比了传递矩阵法和粒子滤波法的响应重构效果.结果表明,所提方法具有良好的抗噪性,能够较准确地识别冲击载荷,有效地重构结构动态响应.

关键词：响应重构冲击载荷正则化传递矩阵粒子滤波