仿竹径向结构的刚性管设计及其TIG增材研究
发布时间：2021-01-28 21:13
轻量化设计是结构设计中研究的重点,通过结构设计在保证质量减轻或者不变的前提下,提高结构的力学性能是研究的难点。圆管作为常见的轻量化设计元素被结构设计广泛利用,对于圆管其承压与吸能特性的研究也较为热门,但多集中于研究其轴向的承压吸能特性,对于径向承载性能的优化设计较少。本文以毛竹为研究对象,探究了毛竹径向材料、结构及力学性能之间的联系。发现在毛竹壁径向截面中,由薄壁细胞和维管束组织组成的枝状结构具有分压作用;竹节加强筋结构对毛竹筒的支撑作用明显。以此提炼出仿竹壁枝状分压结构和仿竹节加强筋结构作为仿竹径向结构刚性管的设计要素。通过建模和有限元分析优选得到了径向承压性能较好的内嵌六边形仿竹结构刚性管模型,并采用6mm圆角优化了局部应力集中,使得仿竹结构刚性圆在径向承压吸能方面受力更加均匀,结构更加稳定。然后针对优选的仿竹结构刚性管模型,通过TIG工艺试验得出当增材电流为130A,增材速度为20cm/min,送丝速度为0.6m/min时所得到样品尺寸及质量符合设计要求。通过路径规划得出旋转交错增材的方法,保证增材过程的稳定性及平整度。最后通过TIG增材获得以316L为原材料的仿竹径向结构刚性管...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
贝壳珍珠层结构示意图
1绪论硕士学位论文4图1.2蜘蛛丝结构模型人们对蜘蛛丝这种高强高弹的性能进行了研究，从而运用于防弹衣的制造，使防弹衣的抗弹性能进一步提高。动物骨骼具有着外强内弱性能，从外观上看两端大中间细这样的结构特点削弱了应力集中。这种哑铃状的结构特点使得骨头具有天然的高抗拉强度和断裂韧性，这些主要来源于动物运动中承受压应力冲击的需要自然形成的结构特点[13]。有研究发现按照这周结构特点做成的短纤维其增强效果是普通平直纤维的1倍以上。白朔等[14]利用这种骨骼结构将这种形状的晶须对聚氯乙烯进行增强得到复合材料，通过对这种哑铃型的仿生晶须增强的复合材料进行检测发现不但能够提高其强度，而且延伸率也大大提高。胡巧玲等[15]对骨骼结构进行研究，对骨折所用的固定材料做出了改进创新，将仿骨结构融入其中，提高了骨折固定材料的高抗弯强度，剪切强度和抗压强度，它的强度可以是人体骨骼的两到三倍。1.3.2仿生竹结构的研究现状在大自然中，竹子是具有高弹性高强度高韧性的优良力学结构的生物[16]。它具有较小的收缩量，但是它的静曲强度、弹性以及强度是普通木材的两倍[17]。其比强度为钢材的二十五倍。毛竹中力学性能最佳的抗拉强度可相当于最好的铝合金材料[18-21]。在竹子中薄壁细胞组织和由厚壁细胞组成的维管束各自占了百分之五十。维管束中大部分是显微组织，这些纤维组织是构成竹子的基体组织，它让竹子能够有高的韧性和弹性。研究表明[22]，竹子薄壁中的纤维结构体积分数在截面径向方向上呈现为逐渐减小的分布规律，竹纤维由多层厚薄相似的层以不同的升角进行分布，在厚层和薄层中，其纤维的夹角分布也不同，其中厚层为3°到10°，薄层为30°到45°，这种变化规律使得竹子层间结合更加紧密，同时可以避免大的变形?
1绪论硕士学位论文6图1.3四种增材方法的比较丝材电弧增材精度低，不如其他增材方式，但是其适用于更多的材料种类、成本低、效率高，是与其他增材方式形成互补的增材方式。西屋电器BAKER在20世纪初已经申请了一项通过电弧增材来获得金属构件的专利[32]。二十世纪末，随着电弧增材与数字化控制的结合，电弧增材在制造复杂构件上的优势才被突显出来，从而国内外研究人员才开始着手于电弧增材的研发工作。1.4.1国内研究现状目前国内的丝材的电弧增材的研究方法有非熔化极的TIG和等离子以及熔化极的MIG和CMT。尹玉环等[33]将TIG焊作为电弧增材的热源，并将其用于材料5356铝合金进行电弧增材实验中，通过对增材过程中道间冷却和层间冷却从而获得良好的增材质量。赵孝祥等[34]对焊道宽度与焊接电流关系进行了研究，道宽随电流的增加而增加，对焊接路径与道宽的关系进行研究，直线与圆虎直线与直线和圆弧与圆弧这三种路径中，直线圆弧路径的道宽最小，直线与直线路径的道宽最大。王湘平等[35]通过对切片算法的进行了优化，研究出可在厚度和方向上自适应调节的多轴电弧增材方法，实现了一种大悬臂结构无支撑的制造，在该结构的增材过程中采用了8轴的机器人，通过这种技术制造出了渐缩式螺线管结构如图1.4所示，以该实验为基础验证了这种切片算法的有效性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究[J]. 解江,张雪晗,苏璇,牟浩蕾,周建,冯振宇,蓝元沛. 工程力学. 2018(06)
[2]铝合金薄壁多角管轴向冲击吸能特性研究[J]. 孙宏图,王健,申国哲,胡平. 机械强度. 2018(01)
[3]铝合金电弧填丝增材制造技术研究[J]. 从保强,苏勇,齐铂金,赵罡,王强,祁泽武. 航天制造技术. 2016(03)
[4]MIG焊参数及路径对增材制造熔敷层尺寸的影响[J]. 赵孝祥,孙策,叶福兴,罗震. 焊接. 2016(04)
[5]电弧増材制造厚壁结构焊道间距计算策略[J]. 柏久阳,王计辉,林三宝,杨春利,范成磊. 机械工程学报. 2016(10)
[6]金属材料增材制造技术[J]. 黄春平,黄硕文,刘奋成. 金属加工(热加工). 2016(02)
[7]面向WAAM无支撑制造大悬臂的自适应切片[J]. 王湘平,张海鸥,王桂兰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(01)
[8]电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真[J]. 周祥曼,张海鸥,王桂兰,柏兴旺. 物理学报. 2016(03)
[9]天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展[J]. 尹维,田煜,陶大帅,刘哲瑜,韩志武,张俊秋. 科学通报. 2015(31)
[10]变径管与薄壁圆管轴向压缩过程研究[J]. 徐龙江,雷君相,高贵杰. 机械工程与自动化. 2015(03)
博士论文
[1]多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D]. 熊俊.哈尔滨工业大学 2014
[2]基于TIG堆焊技术的熔焊成型轨迹规划研究[D]. 胡瑢华.南昌大学 2007
硕士论文
[1]焊接快速成形316L不锈钢的组织和性能研究[D]. 贺立华.南昌航空大学 2015
[2]仿竹结构的新型复合材料管的制备和研究[D]. 曹建.东华大学 2008
本文编号：3005703
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：77 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
贝壳珍珠层结构示意图
1绪论硕士学位论文4图1.2蜘蛛丝结构模型人们对蜘蛛丝这种高强高弹的性能进行了研究，从而运用于防弹衣的制造，使防弹衣的抗弹性能进一步提高。动物骨骼具有着外强内弱性能，从外观上看两端大中间细这样的结构特点削弱了应力集中。这种哑铃状的结构特点使得骨头具有天然的高抗拉强度和断裂韧性，这些主要来源于动物运动中承受压应力冲击的需要自然形成的结构特点[13]。有研究发现按照这周结构特点做成的短纤维其增强效果是普通平直纤维的1倍以上。白朔等[14]利用这种骨骼结构将这种形状的晶须对聚氯乙烯进行增强得到复合材料，通过对这种哑铃型的仿生晶须增强的复合材料进行检测发现不但能够提高其强度，而且延伸率也大大提高。胡巧玲等[15]对骨骼结构进行研究，对骨折所用的固定材料做出了改进创新，将仿骨结构融入其中，提高了骨折固定材料的高抗弯强度，剪切强度和抗压强度，它的强度可以是人体骨骼的两到三倍。1.3.2仿生竹结构的研究现状在大自然中，竹子是具有高弹性高强度高韧性的优良力学结构的生物[16]。它具有较小的收缩量，但是它的静曲强度、弹性以及强度是普通木材的两倍[17]。其比强度为钢材的二十五倍。毛竹中力学性能最佳的抗拉强度可相当于最好的铝合金材料[18-21]。在竹子中薄壁细胞组织和由厚壁细胞组成的维管束各自占了百分之五十。维管束中大部分是显微组织，这些纤维组织是构成竹子的基体组织，它让竹子能够有高的韧性和弹性。研究表明[22]，竹子薄壁中的纤维结构体积分数在截面径向方向上呈现为逐渐减小的分布规律，竹纤维由多层厚薄相似的层以不同的升角进行分布，在厚层和薄层中，其纤维的夹角分布也不同，其中厚层为3°到10°，薄层为30°到45°，这种变化规律使得竹子层间结合更加紧密，同时可以避免大的变形?
1绪论硕士学位论文6图1.3四种增材方法的比较丝材电弧增材精度低，不如其他增材方式，但是其适用于更多的材料种类、成本低、效率高，是与其他增材方式形成互补的增材方式。西屋电器BAKER在20世纪初已经申请了一项通过电弧增材来获得金属构件的专利[32]。二十世纪末，随着电弧增材与数字化控制的结合，电弧增材在制造复杂构件上的优势才被突显出来，从而国内外研究人员才开始着手于电弧增材的研发工作。1.4.1国内研究现状目前国内的丝材的电弧增材的研究方法有非熔化极的TIG和等离子以及熔化极的MIG和CMT。尹玉环等[33]将TIG焊作为电弧增材的热源，并将其用于材料5356铝合金进行电弧增材实验中，通过对增材过程中道间冷却和层间冷却从而获得良好的增材质量。赵孝祥等[34]对焊道宽度与焊接电流关系进行了研究，道宽随电流的增加而增加，对焊接路径与道宽的关系进行研究，直线与圆虎直线与直线和圆弧与圆弧这三种路径中，直线圆弧路径的道宽最小，直线与直线路径的道宽最大。王湘平等[35]通过对切片算法的进行了优化，研究出可在厚度和方向上自适应调节的多轴电弧增材方法，实现了一种大悬臂结构无支撑的制造，在该结构的增材过程中采用了8轴的机器人，通过这种技术制造出了渐缩式螺线管结构如图1.4所示，以该实验为基础验证了这种切片算法的有效性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究[J]. 解江,张雪晗,苏璇,牟浩蕾,周建,冯振宇,蓝元沛. 工程力学. 2018(06)
[2]铝合金薄壁多角管轴向冲击吸能特性研究[J]. 孙宏图,王健,申国哲,胡平. 机械强度. 2018(01)
[3]铝合金电弧填丝增材制造技术研究[J]. 从保强,苏勇,齐铂金,赵罡,王强,祁泽武. 航天制造技术. 2016(03)
[4]MIG焊参数及路径对增材制造熔敷层尺寸的影响[J]. 赵孝祥,孙策,叶福兴,罗震. 焊接. 2016(04)
[5]电弧増材制造厚壁结构焊道间距计算策略[J]. 柏久阳,王计辉,林三宝,杨春利,范成磊. 机械工程学报. 2016(10)
[6]金属材料增材制造技术[J]. 黄春平,黄硕文,刘奋成. 金属加工(热加工). 2016(02)
[7]面向WAAM无支撑制造大悬臂的自适应切片[J]. 王湘平,张海鸥,王桂兰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2016(01)
[8]电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真[J]. 周祥曼,张海鸥,王桂兰,柏兴旺. 物理学报. 2016(03)
[9]天然树木和竹子纤维材料的力学性能及仿生研究进展[J]. 尹维,田煜,陶大帅,刘哲瑜,韩志武,张俊秋. 科学通报. 2015(31)
[10]变径管与薄壁圆管轴向压缩过程研究[J]. 徐龙江,雷君相,高贵杰. 机械工程与自动化. 2015(03)
博士论文
[1]多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D]. 熊俊.哈尔滨工业大学 2014
[2]基于TIG堆焊技术的熔焊成型轨迹规划研究[D]. 胡瑢华.南昌大学 2007
硕士论文
[1]焊接快速成形316L不锈钢的组织和性能研究[D]. 贺立华.南昌航空大学 2015
[2]仿竹结构的新型复合材料管的制备和研究[D]. 曹建.东华大学 2008
本文编号：3005703
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