收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

陶瓷材料微波诱导裂纹扩展行为与热裂切割方法研究

王海龙  
【摘要】:热裂法(Thermal Controlled Fracture Method)是一种利用热应力切割硬脆陶瓷材料的新加工方法。由于利用热裂法可产生较干净的切割面,较大地提高了工件边缘的强度,因此该方法引起了国内外学者的广泛关注。以往热裂法研究中,激光是普遍被用来产生和控制热应力的热源形式,这种热裂法被称为激光热裂法。然而,由于激光不能有效的加热非透明陶瓷,限制了热裂法在非透明陶瓷切割加工领域的应用。为了有效的利用热裂法切割多种陶瓷,本文设计了两种形状的微波热源作为热裂法的热源,来实现热裂法在多种陶瓷工件切割加工领域的应用,并称该方法为微波热裂法。微波热裂法的研究目前尚鲜见报道,微波热裂法的应用面临诸多亟需解决的共性科学技术问题。其中几个关键的共性基础问题包括:微波热源生成技术及其建模、微波热裂法可加工性评估方法、微波热裂切割过程裂纹失控与偏移扩展行为机制及其控制方法等。本文即围绕上述基础性问题展开系统的研究,旨在为微波热裂法的应用提供必要的理论基础和技术支持。热源形状是影响热裂法切割过程的关键因素之一。其中椭圆形和圆形是热裂法中常用的热源形状,且各具优势。生成上述形状的微波热源可以将上述热源形状优势移植到微波热裂法应用中。为了达到上述目的,本文设计了两种物理模型(短边收缩聚焦波导模型和波导-同轴转换模型)并搭建了相应的实验装置,来生成上述形状的微波热源。通过电磁仿真分析的方法,计算得出上述两种形状微波热源热功率密度分布的数值解。然后发现可利用修正的高斯分布方程,对上述数值解进行拟合,得到上述微波热源模型(热功率密度分布的数学表达式)。通过比较上述微波热源模型加热玻璃时温度场的仿真分析与测温实验结果,证明上述微波热源模型可以表征实际热源的热功率密度分布。为了评估微波热裂法切割加工过程中不同陶瓷材料的可加工性,本文基于连续弹性介质假设条件下,提出并建立了微波可裂因子β_s的数学模型。该数学模型指出,不同陶瓷在被相同微波加热使温度场达到定常态时,其β_s与裂纹扩展因子K_η之间均具有线性关系(K_η=K/K_(IC);K:裂纹处应力强度因子,K_(IC):陶瓷断裂韧性)。由于K_η越大,意味着裂纹越容易扩展。因此,β_s可用来评估此时不同陶瓷材料边缘裂纹扩展难易程度。然后,通过仿真分析实际切割过程中(温度场未达到定常态时)β_s与K_η之间关系。发现此时,对于不同陶瓷,β_s与K_η值呈准线性关系。说明线弹性介质假设条件下,β_s可用来评估切割过程中不同陶瓷材料边缘裂纹扩展难易程度。最后,利用上述搭建的微波热裂切割实验装置,实际切割了四种陶瓷材料(钠钙玻璃、碳化硅、氧化铝和氧化锆),并给出裂纹扩展时单位长度路径最小输入微波能量Q_s(其中Q_s=P/v_(max);P_m为输入微波功率;v_(max)为切割速度最大值)。发现,β_s与微波加工单位长度输入能量Q_s存在相同变化趋势。说明,在实际应用中,β_s可以作为作为不同陶瓷材料在利用微波热裂法切割时的可加工性评价指标之一。热应力作用下的裂纹失控与偏移扩展行为,是影响热裂法切割轨迹精度的关键因素,也是微波热裂法应用过程中亟需解决的关键基础问题,因此有必要研究微波热裂法切割过程中裂纹失控与偏移扩展行为及其影响因素。首先,基于线弹性连续介质假设条件,给出了控制裂纹扩展位置、方向和速度的理想应力条件,并理论分析了热裂法切割过程中裂纹产生失控与偏移扩展行为的力学机制。然后,仿真分析了在微波热裂法切割过程中,不同陶瓷材料的热应力分布环境,并利用上述分析的产生裂纹失控与偏移扩展行为的力学机制,预判了裂纹失控扩展行为的特征。利用所搭建的微波热裂切割实验装置,实际切割了四种陶瓷材料,发现实际裂纹失控偏移扩展行为特征与仿真分析预判结果吻合,证明所提出的产生裂纹失控扩展行为的力学机制是有效的。利用上述研究结果,研究了微波热裂切割陶瓷的工艺规律。仿真分析了热源形状、热源功率、扫描速度、工件厚度和冷却措施对陶瓷工件的热应力分布的影响规律。并基于所建立的裂纹失控与偏移扩展力学机制,预判了典型材料在不同工艺参数下初始裂纹偏移超速扩展和裂纹不贯穿等失控扩展行为。利用所开发的三种微波聚焦热源形成装置,分别对玻璃和氧化铝陶瓷进行了工艺实验研究。与上述仿真分析预测结果对比,均与仿真分析结果具有较好的一致性。证明在微波热裂切割加工应用中,所建立的裂纹失控与偏移扩展行为力学机制的有效性。上述研究结果均显示,热应力的集中性越强,则初始裂纹偏移量越小。基于此,提出两种控制初始裂纹失控扩展的方法:预制长初始裂纹和微波诱导涂层集中放电。结果显示,在实际应用中,上述两种方法均可有效降低初始裂纹失控偏移扩展程度。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 吕斐;缪新婷;周昌玉;;孔洞对单边裂纹板裂纹扩展方向的影响[J];南京工业大学学报(自然科学版);2017年04期
2 姜潮;龙湘云;韩旭;刘杰;;一种随机裂纹结构的裂纹扩展路径分析方法[J];固体力学学报;2014年01期
3 杨小林;孙博;褚怀保;;煤体爆破裂纹扩展速度试验研究[J];爆破;2011年04期
4 吴子科;张延松;;岩石单一裂纹扩展率的数值模拟研究[J];矿业安全与环保;2010年04期
5 王生楠,方旭;改进的多裂纹扩展算法和程序设计[J];机械科学与技术;2004年08期
6 陈静曦;裂纹扩展速度监测分析[J];岩石力学与工程学报;1998年04期
7 牛林,林海潮,曹楚南,宋光铃,史志明;环境促进开裂中裂纹扩展速度的测定方法述评[J];中国腐蚀与防护学报;1998年03期
8 张俊彦,张淳源;裂纹扩展条件及其温度场研究[J];湘潭大学自然科学学报;1996年01期
9 陈秉照,张妃二;机械零件裂纹扩展的灰色预测[J];广东工学院学报;1994年04期
10 魏德敏;深裂纹弯曲试件裂纹扩展的突变模型[J];太原工业大学学报;1995年04期
11 王生武,戴雅康,陶学文;疲劳浅裂纹扩展数据处理及计算方法的探讨[J];试验技术与试验机;1992年06期
12 L.Schwarmann;徐文艳;;高强度铝合金实际应用强度的比较[J];轻合金加工技术;1987年09期
13 张以增;戴蜀娟;邹鸿承;苗丕峰;;球化低碳钢中断裂的TEM原位观测[J];金属学报;1987年05期
14 李恩勤;宫延生;;采用升降法测定GCr15钢△K_(th)[J];物理测试;1987年03期
15 姚卫星;杨庆雄;;孔边小裂纹扩展率的描述[J];西北工业大学学报;1987年01期
16 陈梦成;孙燕君;;不同炮位爆破对裂纹扩展影响初探[J];北方交通大学学报;1987年01期
17 于章;徐永波;尹花子;;06MnVAl断口分层及其对断裂行为的影响[J];钢铁;1987年12期
18 石来德;;机械的有限寿命设计和试验 第十章 材料和机件的抗力指标 (三)[J];建筑机械;1987年05期
19 李文艺;椭圆形裂纹扩展问题中一个变换式的证明[J];地球物理学报;1988年01期
20 沈亚鹏,彭亚非;用有限元法分析粘弹性体的断裂[J];计算结构力学及其应用;1988年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 冯毅;;铆接结构孔边裂纹扩展计算分析[A];北京力学会第二十三届学术年会会议论文集[C];2017年
2 王蒙;朱哲明;应鹏;施泽彬;;一种测试裂纹扩展的新技术[A];第九届全国爆炸力学实验技术学术会议摘要集[C];2016年
3 戴上秋;杜成斌;陈灯红;;基于多边形比例边界有限元法的动力裂纹扩展模拟[A];中国力学大会-2015论文摘要集[C];2015年
4 高存法;;磁场对软磁铁介质内裂纹扩展行为的影响[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
5 郭瑞;陈章华;班怀国;;裂纹扩展的无网格有限元模拟[A];北京力学会第13届学术年会论文集[C];2007年
6 黄亚明;左建平;刘连峰;柴能斌;刘靖;;不同埋深玄武在细观实验下裂纹扩展的研究[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
7 祁涛;;管道内表面非中心裂纹扩展研究[A];第十七届全国反应堆结构力学会议论文集[C];2012年
8 刘彬;贾延杰;朱文鹏;李腾;;Ⅰ型超音速裂纹扩展的机理和定量关系研究[A];第16届全国疲劳与断裂学术会议会议程序册[C];2012年
9 周磊;郭雅芳;;金属镁中沿晶裂纹扩展的分子动力学研究[A];中国力学大会——2013论文摘要集[C];2013年
10 陈志伟;O.S.Lee;;随机谱下裂纹扩展分析模型研究[A];疲劳与断裂2000——第十届全国疲劳与断裂学术会议论文集[C];2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王海龙;陶瓷材料微波诱导裂纹扩展行为与热裂切割方法研究[D];哈尔滨工业大学;2019年
2 高欣;一致性高阶无单元伽辽金法及裂纹扩展分析[D];大连理工大学;2018年
3 李鹤飞;高强钢断裂韧性与裂纹扩展机制研究[D];中国科学技术大学;2019年
4 张晗;脆性行为下冰孔孔壁破裂及裂纹扩展研究[D];吉林大学;2019年
5 于长一;基于数值流形法的裂纹扩展及流固耦合研究[D];天津大学;2017年
6 郑祥隆;锈蚀钢丝疲劳性能及桥梁缆索疲劳可靠性评估方法研究[D];浙江大学;2018年
7 蔡永昌;流形方法的理论与应用研究[D];重庆大学;2001年
8 张敦福;无网格GALERKIN方法及裂纹扩展数值模拟研究[D];山东大学;2007年
9 邓国坚;微尺度下疲劳小裂纹扩展特性的试验研究[D];华东理工大学;2015年
10 王艺陶;加筋板裂纹扩展概率模型与船体结构可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2017年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李光尚;预置应力对铝合金抗疲劳性能影响规律的试验研究[D];长安大学;2019年
2 楚京;低速重载齿轮裂纹扩展规律及特性分析[D];华北理工大学;2019年
3 魏其深;基于DCPD方法的裂纹扩展实时监测系统研制[D];西安科技大学;2019年
4 徐鹏超;高压釜中试样裂纹扩展实时监测系统研究[D];西安科技大学;2019年
5 王泽军;爆炸荷载作用下岩体裂纹扩展特性研究[D];北京交通大学;2019年
6 赵宁;含轴向裂纹天然气管道断裂特性与修复研究[D];东北石油大学;2019年
7 赵树力;疲劳多裂纹扩展的常规态型近场动力学分析方法[D];上海交通大学;2018年
8 卫海童;基于高温断裂力学的C型管模型表面蠕变裂纹扩展行为研究[D];华南理工大学;2019年
9 王凯旋;基于XFEM的激光热裂法切割玻璃裂纹扩展研究[D];浙江工业大学;2018年
10 张世明;基于分子动力学方法的镍基单晶合金裂纹扩展研究[D];武汉理工大学;2017年
中国重要报纸全文数据库 前8条
1 孟群;双相不锈钢板疲劳强度和裂纹扩展行为的研究[N];世界金属导报;2018年
2 郭龙佼;警惕修养上的“裂纹扩展”[N];解放军报;2018年
3 贾成厂;耐热钢及焊接接头蠕变裂纹扩展研究[N];世界金属导报;2017年
4 杨雄飞;应用声发射技术检测钢轨中裂纹扩展[N];世界金属导报;2014年
5 傅一飞 毛宏观;高铌板坯在冷却和再加热中内部裂纹扩展的研究[N];世界金属导报;2015年
6 杨雄飞;LNG用9%Ni钢的开发[N];世界金属导报;2007年
7 全荣;载荷形式对高强钢超高周期疲劳断裂行为的影响[N];世界金属导报;2018年
8 李小兵;长寿连铸辊开发取得重大突破[N];中国冶金报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978