芳綸蜂窩材料超聲復合加工機理及工藝優(yōu)化研究

芳綸蜂窩材料具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空、航天、軍工、交通等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。其正交各向異性的力學特性和非連續(xù)的材料結(jié)構(gòu)特點，使傳統(tǒng)的高速銑削加工難以保證結(jié)構(gòu)件加工質(zhì)量和加工效率。項目以芳綸蜂窩材料超聲切割為研究對象，通過理論建模、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，圍繞蜂窩材料的彈塑性本構(gòu)模型建立、蜂窩材料的超聲切割機理、切削熱對聲學系統(tǒng)性能影響、切削過程仿真技術(shù)和基于切削機理的工藝優(yōu)化等內(nèi)容開展研究。具體研究內(nèi)容和成果包括： 1）根據(jù)芳綸蜂窩材料的結(jié)構(gòu)特性和蜂窩芯零件曲面加工的特點，對材料進行均質(zhì)化等效處理，在正交各向異性材料的本構(gòu)模型基礎(chǔ)上建立任意切割平面上蜂窩材料的等效彈塑性本構(gòu)模型。 2）以尖形刀超聲切割工藝為基礎(chǔ)，分析超聲縱振模式下尖形刀運動學特征，基于斷裂力學研究芳綸蜂窩復合材料的超聲切割機理，為超聲切割加工工藝參數(shù)的優(yōu)化和超聲波聲學主軸的設(shè)計提供理論依據(jù)。 3）分析了超聲切割熱源的產(chǎn)生原因，對芳綸蜂窩復合材料超聲切割熱的產(chǎn)生機理及傳導特點進行理論分析，建立超聲切割熱理論模型；在分析超聲切割溫度與超聲切割系統(tǒng)振幅之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立超聲切割溫度與超聲系統(tǒng)中振幅關(guān)系的理論模型。 4）以材料建模、材料失效方式以及摩擦特性等方面作為重點開展蜂窩材料超聲切削過程數(shù)字仿真研究，與實驗結(jié)果比較表明，蜂窩材料采用等效實體模型的切削過程仿真能夠滿足工藝參數(shù)優(yōu)化的需求，采用結(jié)構(gòu)模型可以真實體現(xiàn)刀具上負載情況和蜂窩材料的切削變形過程。 項目研究對豐富超聲加工理論和快速發(fā)展超聲復合加工技術(shù)具有重要理論意義，對提升芳綸蜂窩材料的加工水平具有重要技術(shù)支撐作用，對豐富其他多胞材料的加工方法具有一定借鑒意義?；陧椖垦芯抗ぷ餮兄频某暻邢髦鬏S已經(jīng)在企業(yè)得到工程應用。

芳綸蜂窩材料具有高比強度、高比剛度、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空、航天、軍工、交通等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應用。其正交各向異性的力學特性，使傳統(tǒng)的高速銑削加工難以保證制件加工質(zhì)量和加工效率。本項目以芳綸蜂窩材料超聲切割為研究對象，圍繞多胞正交各向異性材料的沖擊斷裂機理、超聲復合加工模式下切屑變形規(guī)律和變形過程模型、超聲振動刀具與切屑之間的摩擦規(guī)律以及超聲振動刀具和材料之間動力學模型建立等科學問題開展研究，綜合運用材料學、力學、摩擦學、機械學等理論，通過理論建模、數(shù)值模擬和實驗研究相結(jié)合的方法，建立芳綸蜂窩材料沖擊斷裂本構(gòu)模型，揭示芳綸蜂窩材料超聲復合加工機理，提出刀具切削運動最佳的超聲振型復合模式，優(yōu)化超聲加工工藝和工藝參數(shù)，對豐富超聲加工理論和快速發(fā)展超聲復合加工技術(shù)具有重要理論意義，對提升芳綸蜂窩材料的加工水平具有重要技術(shù)支撐作用，對豐富其他多胞材料的加工方法具有一定借鑒意義。

從超聲降解有機物和超聲處理廢水的機理研究著手，探討物理、化學條件以及聲化學反應器的參數(shù)對降解（處理）效果的影響，明確聲空化分布的規(guī)律。結(jié)合我校承擔的水處理工程，進行聲化學反應器的參數(shù)優(yōu)化及機理研究。對具有均勻聲場的大容量超聲水處理反應器分別基于聲學、電學、化學、機械等條件進行試驗，研制基本符合大容量高效的聲化學反應器。并使用研制出的聲化學反應器以典型的有機物水溶液和實際工程中的污水為研究對象，在多種條件下，進行超聲/臭氧協(xié)同作用降解有機物試驗。利用紫外光譜儀作定波長掃描、循環(huán)狀態(tài)動態(tài)測試，并利用電導儀等儀器來追蹤空化進度。結(jié)合有機物降解情況，找出可使超聲快速高效降解水中有機污染物的物理和化學條件。為解決聲化學遲遲不能在工業(yè)上推廣的瓶頸問題（缺少高效的聲化學反應器）奠定研制與生產(chǎn)的基礎(chǔ)；為更深入地了解超聲及其聯(lián)合技術(shù)降解水中有機物的機理進行基礎(chǔ)性研究以及為這一技術(shù)的實際應用做科學儲備。 2100433B

芳綸纖維復合材料屬輕質(zhì)、高強、高韌的新型復合材料，在各領(lǐng)域都有廣泛的用途，但其二次加工易出現(xiàn)缺陷，制約了該材料的進一步應用。本研究旨在揭示該材料的切削斷裂機理，研究避免其加工缺陷的工藝方法，研究內(nèi)容及其成果主要包含：（1）針對該材料進行微細切削全過程的ABAQUS仿真，基于2D編織形態(tài)的單胞模型建立了芳綸纖維復合材料的三維模型，研究了其斷裂力學特性；（2）通過試驗研究了該材料的切屑形態(tài)即分為絮狀切屑、塊狀切屑、盤絲狀切屑，絮狀切屑是切削狀態(tài)良好的一種切屑，塊狀切屑出現(xiàn)在低速切削和切削條件惡化的情況下，盤絲狀切屑表明切削刃開始出現(xiàn)磨損；（3）定義了該材料瞬時切削狀態(tài)比α、纖維方向系數(shù)β、切削方向角γ，并研究了切削力隨上述參數(shù)的變化趨勢。試驗表明X方向切削力隨α單調(diào)增減，與β無關(guān)；Y方向切削力與纖維方向系數(shù)β相關(guān)，當β=1時，即切削進給方向與上層纖維一致時出現(xiàn)波谷，β=-1時出現(xiàn)波峰；Z方向切削力與Y方向切削力峰谷異向，即當β=1時出現(xiàn)波峰，β=-1時出現(xiàn)波谷；（4）通過切削力試驗得出了切削力的變化規(guī)律，即宏觀上呈現(xiàn)出周期性、震顫性、單調(diào)性，切削力分力Y、Z方向呈現(xiàn)峰谷異向性，研究了切削力對復合材料編織狀態(tài)的復映規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了切削中的單齒切削現(xiàn)象及其對表面質(zhì)量的影響；（5）對比了常溫和超低溫環(huán)境下，微細切削芳綸纖維復合材料的表面質(zhì)量，結(jié)果表明，超低溫環(huán)境可使纖維斷裂徹底，避免燒蝕現(xiàn)象，減少刀具磨損，獲得較低的表面粗糙度值，Ra最小值可達到1.47μm；發(fā)現(xiàn)了芳綸纖維復合材料切削加工后表面特有的白色凝膠現(xiàn)象，初步探索了風冷排屑的工藝方法和基于控形控性技術(shù)的刀具優(yōu)化設(shè)計。本研究探索了該材料的結(jié)構(gòu)建模方法和切削工藝現(xiàn)象，揭示了切削斷裂機理和切屑形成規(guī)律，提出了改進表面質(zhì)量的工藝方法，推進了芳綸纖維復合材料的二次加工技術(shù)，為其進一步應用奠定了試驗基礎(chǔ)，積累了試驗數(shù)據(jù)和初步的工藝探索。