钛合金人工关节复杂曲面磨粒流加工数值模拟与实验研究

发布时间：2017-05-16 05:02

  本文关键词：钛合金人工关节复杂曲面磨粒流加工数值模拟与实验研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人工关节表面的光滑度对其功能和使用寿命有着至关重要的影响,钛合金以其高强度低模量的特性在人工关节设计中被广泛采用,但钛合金人工关节表面多为曲面,目前人工关节抛光主要由手工操作,抛光质量难以稳定。磨粒流精密加工是利用处于湍流流态的磨粒流对工件表面进行加工的一种方法,具有极强的性状适应性,能够对复杂曲面形成有效的精密加工,本文针对钛合金人工关节曲面加工问题,在前期研究基础上提出了一种基于气体补偿的复杂曲面磨粒流加工方法,基于流体体积模型进行了磨粒流流场的数值模拟仿真,通过实验验证该方法的有效性。本文主要工作和成果如下:1.提出了气体补偿复杂曲面磨粒流加工方法,构建磨粒流加工约束流道,基于流体力学理论计算流道内磨粒流的雷诺数,确认了磨粒流处于湍流状态;从单颗磨粒的受力分析和磨粒在流道内的统计学入手,引入曲率及气体补偿的影响因素,建立了材料去除模型。2.利用Fluent对仿形约束流道内磨粒流运动情况进行数值模拟,分别研究了在相同入口条件下,不同气体补偿入口位置及气体补偿绝对压强,对流道内磨粒流运动特性的影响,发现:气体补偿入口在入口区时,磨粒流运动特性分布均匀,气体补偿绝对压强越高,磨粒流运动特性提升越大。3.设计加工观测流道,进行了PIV观测实验,通过图像处理技术得出速度矢量图和运动涡量图,得出结论:气体补偿后,磨粒与工件接触几率增加,磨粒流在流道内呈湍流流动。4.研制了气体补偿复杂曲面磨粒流加工装置,编制加工工艺,进行了加工实验,经过16小时的加工,工件表面粗糙度从865.82nm降到了134.97nm,表面均匀,验证了该方法具有较高可行性和有效性。
【关键词】：复杂曲面 磨粒流 体积模型 数值模拟 精密加工
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG664
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-19
• 1.1 课题的来源11
• 1.2 研究的背景和意义11-13
• 1.3 磨粒流加工技术国内外研究现状13-16
• 1.3.1 磨料流加工技术13-14
• 1.3.2 磨料水射流加工技术14-15
• 1.3.3 磁流变加工技术15
• 1.3.4 磁射流加工技术15-16
• 1.4 流体体积模型概述16-17
• 1.5 本文的研究目标和内容17-19
• 第2章 气体补偿复杂曲面磨粒流加工方法19-35
• 2.1 引言19
• 2.2 气体补偿复杂曲面磨粒流湍流加工19-23
• 2.2.1 磨粒流湍流加工理论依据19-20
• 2.2.2 气体补偿复杂曲面磨粒流湍流加工原理20-21
• 2.2.3 磨粒流湍流状态理论验证21-23
• 2.2.4 影响加工效率的主要因素23
• 2.3 气体补偿复杂曲面磨粒流加工材料去除机理23-28
• 2.3.1 单颗磨粒的法向受力分析24-25
• 2.3.2 磨粒流中参与切削的平均磨粒数目25-26
• 2.3.3 单颗磨粒的材料去除量26
• 2.3.4 单位接触长度上的材料去除深度26-28
• 2.4 复杂曲面磨粒流湍流场模型及改进28-32
• 2.4.1 复杂曲面磨粒流加工湍流场模型28-29
• 2.4.2 磨粒流近壁区特征29-30
• 2.4.3 复杂曲面磨粒流湍流场模型改进30-31
• 2.4.4 湍流模型壁面特殊处理31-32
• 2.5 流体体积模型数学方程32-33
• 2.5.1 VOF模型的连续方程32-33
• 2.5.3 VOF模型的动量方程33
• 2.5.4 VOF模型的能量方程33
• 2.6 本章小结33-35
• 第3章 气体补偿复杂曲面磨粒流加工数值模拟分析35-51
• 3.1 引言35
• 3.2 数值模拟方法35
• 3.3 物理模型建立与网格划分35-37
• 3.4 数值模拟基本条件设置37-38
• 3.5 数值模拟结果分析38-48
• 3.5.1 加工装置基本仿真参数38
• 3.5.2 气体补偿入口位置对磨粒流运动特性的影响38-42
• 3.5.3 气体补偿绝对压强对磨粒流运动特性的影响42-48
• 3.5.4 结果分析48
• 3.6 本章小结48-51
• 第4章 气体补偿复杂曲面磨粒流PIV实验研究51-61
• 4.1 引言51
• 4.2 粒子图像测速系统简介51
• 4.3 粒子图像测速实验平台搭建51-53
• 4.4 观测实验后处理结果53-58
• 4.5 本章小结58-61
• 第5章 复杂曲面磨粒流加工实验研究61-75
• 5.1 引言61
• 5.2 磨粒流的配制61
• 5.3 气体补偿复杂曲面磨粒流加工装置的研制61-65
• 5.3.1 气体补偿复杂曲面加工流道的设计61-64
• 5.3.2 气体补偿复杂曲面加工实验平台的设计64-65
• 5.4 加工参数选择及加工工艺编制65-67
• 5.4.1 加工参数选择65-66
• 5.4.2 加工工艺编制66-67
• 5.5 复杂曲面磨粒流加工实验研究67-73
• 5.5.1 加工实验平台搭建67-68
• 5.5.2 加工实验过程及结果68-73
• 5.6 本章小结73-75
• 第6章 结论与展望75-77
• 6.1 结论75-76
• 6.2 创新点76
• 6.3 展望76-77
• 参考文献77-83
• 致谢83-85
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果85-86

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