弯扭丝金属多孔体制造及其在机械系统中减振应用研究

发布时间：2018-08-24 15:37

【摘要】：金属纤维/丝多孔体为纤维/丝与孔隙形成的三维空间连通孔隙复合体,具有许多独特的结构和机械性能特点,特别是以高强度、少缺陷、低成本、易获得的钢丝为原材料的多孔体存在着巨大的研究开发价值。金属纤维/丝多孔体中像缠绕丝多孔体和三维编织多孔体虽具有较高强度,能实现结构功能一体化,但其应用于减振、抗冲击及吸能等领域时,目前仍不能直接作为承载主结构使用,而是像蜂窝及泡沫等多孔体必须作为芯体制成夹层结构。为了获得一种原材料易得并可量产、制备工艺相对容易、强度高、可直接加工成承载结构零件并能实现机械系统轻质刚性减振的金属纤维/丝多孔体,本课题在现有研究基础上提出一种新型弯扭丝金属多孔体并研究了其制造方法,采用动静态力学实验对力学性能及吸能与阻尼特性进行研究,通过齿轮减速器传动机械系统实验平台,将孔隙率约为40%和50%的弯扭丝金属多孔体制成零件直接作为承载结构零件进行减振应用。本论文开发了一种新型弯扭丝金属多孔体的制造工艺,通过多刀旋转装置短切304不锈钢钢丝绳获得长度介于10~15 mm、丝径为90μm和160μm,无表面破坏、弯扭复合变形、锲形断口及延续钢丝高力学强度的新型弯扭丝为原材料,采用静压和振动压制预成形方法制备弯扭丝多孔体坯体,经真空高温固相烧结获得孔隙率介于30~95%弯扭丝金属多孔体。弯扭丝易于实现批量生产,为弯扭丝金属多孔体低成本规模化生产提供原材料基础。静压和振动预成形工艺分别适用于孔隙率低于80%和孔隙率为90%左右弯扭丝多孔体坯体成形。弯扭丝金属多孔体具有随机分布的三维空间立体复合织物状贯通孔结构,从空间角度观察,静压预成形多孔体面内与厚度方向孔隙结构呈现显著差异;而振动预成形多孔体面内与厚度方面孔结构相似。采用气体置换法研究了丝径、烧结参数对多孔体孔径分布的影响。通过准静态单轴拉伸、准静态单轴压缩、冲击试验,研究弯扭丝金属多孔体力学行为与性能,并探讨制备工艺参数(丝径、烧结温度、烧结时间、复烧及轧制工艺)、孔隙率、取样方向对其力学行为与性能影响。孔隙率相同条件下,细丝径多孔体,单位体积内丝骨架密,孔径分布窄,平均孔径小,抵抗拉压变形孔结构多,抗拉和抗压能力强。与压缩性能相比,拉伸性能对丝径变化更加敏感。烧结温度升高和烧结时间延长,促进多孔体中冶金结合点长大和新生,平均孔径缩小,孔径分布更集中和均匀,增强了多孔体拉伸和压缩强度,烧结温度提高对多孔体力学性能影响更加显著。复烧工艺是一种行之有效的增强多孔体力学性能的方法,孔隙率约为36%多孔体复烧后抗拉强度约为原始7倍,压缩强度为原始2倍。轧制振动预成形多孔体可获得多孔薄板。孔隙率约为92%,高约23mm的多孔体,经多道次轧至2.2mm时未出现裂纹,抗拉强度约为72mpa。弯扭丝金属多孔体拉伸呈现出三阶段应力-应变行为,即,初始短暂线弹性、弹塑性变形至应力最大值且局部失效、裂纹生成扩展和应力值下降至缓慢完全失效,没有明显屈服;试样宏观上展现 45°切断型‖和拉胀型‖两种失效模式;面内0°与面内45°方向抗拉强度相差较小,厚度方向抗拉强度降低;孔隙率降低增强多孔体抵抗拉伸变形能力。弯扭丝金属多孔体压缩行为具有各向异性,面内方向经历线弹性、塑性平台和致密化三阶段变形,而厚度方向未经历塑性平台直接进入致密化阶段;面内和厚度方向分别展现出腰形‖和鼓形‖失效模式;厚度方向抗压能力远远高于面内方向,随着孔隙率增加,面内与厚度方向抗压能力均降低,各向异性减弱。弯扭丝金属多孔体面内与厚度方向压缩行为与性能的各向异性导致其吸能能力和吸能效率亦具有各向异性。面内方向具有明显的缓冲塑性平台,具有良好的吸能能力,而厚度方向较弱,面内方向的吸能效率明显高于厚度方向。吸能能力和吸能效率对孔隙率有很强的依赖性,孔隙率增加,吸能效率并非呈单调增减关系,而是存在一种较优化具有高效吸能的孔隙率。弯扭丝金属多孔体冲击行为宏观表现为混合韧脆性失效,微观表现为丝材冲击韧性失效。随着孔隙率增加,多孔体抵抗冲击变形能力减弱,冲击韧性及吸收冲击能量降低。采用机械动态分析仪研究了振动频率、温度、孔隙率对弯扭丝多孔体低频阻尼性能的影响规律。振动频率大,孔隙率高,多孔体损耗因子大;温度对多孔体阻尼影响呈现波动变化,在某一温度点达到最大值。无论压缩大塑性变形还是弹性小变形弯扭丝金属多孔体均具有能量耗散和阻尼作用。本文提出了不同孔隙率范围多孔体的压缩行为采用不同模型进行有限元分析的方法,建立了低孔隙率随机孔洞模型和高孔隙率弯扭丝骨架模型,模拟均能反映压缩过程伴随着大量孔结构坍塌、相互靠拢、相互锲入、局部变形并扩展至整个试样,形成孔隙率不断降低的压缩致密化变形过程,同时也表明了多孔体能量损耗形式,模拟结果与实验结果吻合良好。本文提出了一种新型多孔轻质刚性减振的概念及方法。通过机械加工将孔隙率约为40%和50%的弯扭丝金属多孔体制成弯扭丝多孔垫块、多孔环零件,进行模态阻尼试验并应用于齿轮减速器传动机械系统进行减振试验,以振动烈度、振动加速度级及结构噪声为减振评价标量。结果表明,弯扭丝金属多孔体及多孔环具有高的固有频率及阻尼比,可以有效避开较宽范围的振动频率,从振动烈度、振动加速度级及结构噪声三个方面评价,基座加垫块方案和输入轴及中间轴轴颈加入多孔环方案均起到良好的减振效果,速度频谱图上表现为:振动频率点减少,振动幅值大幅度衰减,最大峰值频率点转移或消失。从机械结构变化和弯扭丝金属多孔体自身结构特点对弯扭丝多孔体减振机制进行了探索。孔隙率介于30%~50%的弯扭丝金属多孔体减振方法结合了柔性减振和刚性减振二者特点,是一种承载力强的新型多孔轻质刚性减振体,具有极大的应用潜力。
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【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB535.1;TB383.4

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