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第50卷,第12期
刊出日期:2022年12月
  • 增材制造技术专栏
  • 李中伟, 张禹泽, 钟凯, 史玉升 doi: 10.13245/j.hust.221201 P1-9 在线阅读 下载(688.12 KB)
    激光粉末床熔融(LPBF)技术具有成形精度高、易于成形复杂结构零件的优点,已广泛应用于医疗、造船、航空航天等领域.然而由于成形过程复杂,激光粉末床熔融零件的缺陷通常难以控制,阻碍了该技术的进一步发展和应用.原位监测技术能够实时获取成形过程中零件的特征信息,为工艺参数的优化指明方向,提升零件的成形质量,是近年来研究的热点之一.总结了最近十年的相关研究成果,以粉末床、熔池及成形层三个监测阶段为线索,对比分析了多种针对激光粉末床熔融成形过程几何特征的光学原位监测技术,包括使用高分辨率工业相机、高速相机、条纹投影等监测方法的优点与不足,简要介绍了监测数据处理过程中用到的图像处理算法及机器学习方法,并展望了激光粉末床熔融原位监测技术的未来发展方向.
  • 杨伟东, 刘睿颖, 张争艳, 朱东彬 doi: 10.13245/j.hust.221202 P10-21 在线阅读 下载(5.4 MB)
    对增材制造(3D打印)模型数据处理中分层线框轮廓的填充方式进行综述.针对不同的适用场景,将常用的3D打印工艺按照填充方式分为按路径连续填充和按需式阵列填充,对这两类填充方式进行了分析和对比.按路径连续填充的路径规划方法主要包括平行线填充路径、轮廓偏置填充路径和混合填充路径,按需式阵列填充的算法主要包括扫描线填充算法、边界标志填充算法、种子填充算法和扫描线种子填充算法.同时针对前沿的3D打印中的填充方法,结合具体实例阐述了多自由度的空间填充方法、多方法集成的填充方法和非均质零件的填充方法,并指出了3D打印填充方法的改进方向.
  • 吴甲民, 何俊宏, 吴亚茹, 程立金, 史玉升 doi: 10.13245/j.hust.221203 P22-27 在线阅读 下载(2.97 MB)
    针对现有激光选区烧结技术多使用高分子黏结剂,存在素坯易坍塌、烧结时间长等问题,提出使用无机黏结剂,为改善陶瓷坯体烧结质量提供新方法.以Si3N4聚空心微球为原材料,纳米AlN为无机黏结剂,Al2O3和Y2O3为烧结助剂,采用激光选区烧结技术直接成形多孔Si3N4陶瓷,并分析了激光功率对多孔Si3N4陶瓷微观结构及力学性能的影响.结果表明:随着激光功率的增加,陶瓷素坯中Si3N4聚空心微球表面的“绒毛”结构减少;在高温烧结过程中,纳米AlN促进了共晶液相的产生,断裂方式从沿球断裂转变为穿球断裂;Si3N4聚空心球陶瓷的相对密度与抗弯强度随着激光功率的增大呈现先升高再降低的趋势;当激光功率为8 W时,1 800 ℃烧结后的多孔Si3N4陶瓷获得44.6%的孔隙率及24.6 MPa的抗弯强度;采用激光选区烧结技术为多孔Si3N4陶瓷的激光选区烧结成形及其应用提供了新的思路.
  • 文世峰, 陈志桥, 甘杰, 周燕 doi: 10.13245/j.hust.221204 P28-33 在线阅读 下载(2.38 MB)
    采用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、维氏显微硬度计和万能力学试验机等,分析了热处理温度对激光选区熔化(SLM)成形镍钛(NiTi)形状记忆合金的物相、相变温度、显微硬度和力学性能的影响.研究表明:随着热处理温度升高,激光选区熔化成形NiTi合金的相变温度先升高(奥氏体转变峰值温度为43.84 ℃,马氏体转变峰值温度为37 ℃)后降低(奥氏体转变峰值温度为1.55 ℃,马氏体转变峰值温度为-27.18 ℃);当热处理温度为300~500 ℃时,NiTi合金中产生马氏体组织和Ni4Ti3析出相,该析出相强化了NiTi合金基体;当热处理温度为300 ℃时,NiTi合金的硬度(HV)、拉伸强度分别为251.7和796 MPa,与激光选区熔化成形的NiTi合金相比分别提升了27.84%和31.35%.上述结果表明采用适当的热处理可以调控NiTi合金相变温度,提升其机械性能.
  • 张志, 宋波, 祁俊峰, 史玉升 doi: 10.13245/j.hust.228577 P34-40 在线阅读 下载(3.03 MB)
    针对航空航天、汽车工程等领域中对轻量化、高强度、高吸能构件的迫切需求,受启发于竹子的特殊宏微观空心结构,提出了空心八重桁架的高比强吸能点阵结构优化设计方法.空心八重桁架点阵结构由空心面心立方体和正八面体点阵结构组合而成,采用光固化技术分别成形3种点阵结构并利用准静态压缩试验测试其力学性能,结果表明:空心八重桁架点阵结构的弹性模量低于空心面心立方体和正八面体点阵结构之和,屈服强度、抗压强度和能量吸收值高于两者之和.当点阵结构的边长为8 mm时,空心八重桁架点阵结构的弹性模量低于空心面心立方体和正八面体点阵结构总和的4.76%,而屈服强度、抗压强度和能量吸收值分别高于空心面心立方体和正八面体点阵结构总和的12.80%,7.09%和51.68%.当空心八重桁架结构的边长从8 mm增加到20 mm时,弹性模量、屈服强度、抗压强度和能量吸收分别下降19.96%,24.73%,30.77%和33.69%.
  • 何天英, 余圣甫, 张光先, 刘增晓 doi: 10.13245/j.hust.221206 P41-48 在线阅读 下载(4.56 MB)
    为了提高大型金属构件的成形效率与精度,使用了单电源三丝共熔滴电弧增材制造系统.分析了三丝电弧增材制造“共同熔滴”的形成过程,研究了工艺参数对熔滴过渡行为与堆积层形貌的影响,并优化出堆积工艺参数,增材制造出艉轴架轮毂模拟件.三根丝材末端首先形成三个独立的单丝熔滴,熔滴在电磁力和表面张力的作用下形成“共同熔滴”.熔滴不会在丝材末端旋转,具有平稳的熔滴过渡过程.当单电源三丝电弧熔丝增材制造电流为400 A,电压为26 V时为排斥过渡,过渡频率为25 Hz,堆积层平整度为0.86;当电流为500 A,电压为26 V时为潜弧过渡,过渡频率为33 Hz,堆积平整度为0.42;当电流为600 A,电压为28 V时为颗粒过渡,过渡频率为66 Hz,堆积平整度为0.38;当电流为700 A,电压为30 V时为射滴过渡,过渡频率为125 Hz,堆积平整度为0.67.单电源三丝成形艉轴架轮毂模拟件优选的工艺参数为:电流为600 A,电压为28 V,其成形精度为±1.2 mm,平均成形效率为7 kg/h,并且艉轴架轮毂模拟件力学性能满足使用需求.
  • 郑博, 余圣甫, 唐论, 史玉升 doi: 10.13245/j.hust.221207 P49-57 在线阅读 下载(4.46 MB)
    采用Box-Benhnken响应面分析法分析了激光参数对激光电弧增材制造2319铝合金点阵杆件成型精度与性能的影响.试验影响因素为激光功率、激光脉冲频率和激光占空比,响应指标为杆件直径、杆件粗糙度和杆件抗拉强度.结果表明:激光功率的变化对杆件直径的影响最显著,激光使电弧能量密度更为集中,导致杆件直径变大;激光功率的变化对杆件粗糙度的影响最大,合适的激光功率能够使熔滴具有良好的铺展性,获得粗糙度较低的杆件;激光脉冲频率对杆件抗拉强度的影响最大,脉冲激光增大了熔滴内部流速,能够减小铝合金内部气孔含量,提高杆件抗拉强度.基于对三个响应指标的综合评定,得出激光作用下所获得的最优杆件的参数为:激光功率为353 W,脉冲频率为60 Hz,占空比为34%,并在此工艺下成功制备出铝合金点阵结构.
  • 王凯, 赵旭山, 张开诚, 王元勋, 张海鸥 doi: 10.13245/j.hust.221208 P58-63 在线阅读 下载(3.31 MB)
    为了解决目前电弧增材制造变形及微观组织形态和力学性能较差的问题,以低碳钢为研究对象,通过试验探索电磁感应加热对电弧增材制造性能的调控作用.使用线激光扫描仪检测成形样件的变形,用金相显微镜观测试样的微观组织形态,采用红外热像仪监控成形过程中的温度场,通过拉伸试验对试样进行力学性能测试.结合温度场深入分析试样的变形、微观组织形态和力学性能,结果表明:电磁感应加热可以减小成形样件的变形,具有同步热处理的作用,可以等轴化晶体、细化晶粒,提高成形样件的力学性能.当感应功率为12.6 kW、线圈-焊枪间距为95 mm时,电磁感应作用效果较好,试样变形减小了62%,成形样件的抗拉强度提升了6.38%,伸长率提升了约1%.
  • 杨磊, 郑浩, 张聪, 闫春泽 doi: 10.13245/j.hust.221209 P64-69 在线阅读 下载(4.01 MB)
    基于螺旋(Gyroid)型极小曲面点阵结构,设计包括两种线性渐变和两种矩阵渐变的四种梯度结构,通过实验及有限元分析方法分析了梯度设计对Gyroid型极小曲面点阵结构力学特性的影响.结果表明:通过激光选区熔化制备的样品致密度均在98%以上,具有极高的制备精度和可重复性;压缩实验表明四种梯度结构的变形过程一致,均是结构整体坍塌;与均匀结构对比,梯度结构的弹性模量提高了10%,10%-20%-10%梯度设计结构的累计能量吸收值最大.此外,对结构进行了有限元仿真,结果表明压缩过程中应力集中发生在转角处.
  • 张建生, 王航, 周杰, 肖贵乾 doi: 10.13245/j.hust.221210 P70-74 在线阅读 下载(2.75 MB)
    为了解决增材制造、计算机数控(CNC)加工中的任意复杂截面的等距填充问题,提出了一种基于水平集函数的等距填充路径生成算法.首先,针对复杂截面等距填充问题的特点,提出了水平集函数演变偏微分方程及其演变规则,通过有限差分法构建了前向欧拉迭代公式并设计了整个等距填充的算法流程;然后,使用一个复杂截面进行了有限差分数值实验验证,结果表明提出的新算法能够避免复杂的多边形交、差、并、裂解等运算,高效处理复杂截面的等距随形状填充;最后,以一个失效的曲轴热锻模为例,进行了分层切片、等距填充规划处理和电弧熔丝增材制造修复实验,验证了算法的有效性.
  • 智能柔性感知及应用专栏
  • 陈建魁, 李顺博, 尹周平, 金一威, 黄萌萌 doi: 10.13245/j.hust.221211 P75-88 在线阅读 下载(4.88 MB)
    喷墨打印技术在柔性电子制备中得到了广泛应用,液滴精确沉积控制是实现高效率、高精度、高分辨率图案化控制的关键.基于单液滴沉积理论,分析了液滴飞行速度、黏度、几何尺寸、基板粗糙度与疏水特性等多种参数对铺展的影响;总结了流体体积(volume of fluid,VOF)、格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method,LBM)、多体耗散粒子动力学(many-body dissipative particle dynamics,MDPD)等不同尺度液滴沉积问题的数值模拟方法与开展液滴沉积研究的实验方法.介绍了多液滴沉积融合机理以及通过喷墨打印制备点、线、膜结构的方法,针对液滴精确沉积定位问题,还分析了通过控制基板润湿性梯度、气流辅助、静电聚焦等方法,最后展望了喷墨打印的工程化应用及其研究和应用前景.
  • 胥浩天, 张文光, 贺雨欣, 许李悦 doi: 10.13245/j.hust.221212 P89-97 在线阅读 下载(2.67 MB)
    为了分析振动植入中各振动参数对柔性神经电极辅助植入工具植入过程的影响,基于受迫振动及黏弹性材料的理论基础,通过运动学和黏弹性力学方法分析了振动中频率、振幅、振动波形对植入过程的影响;提出了穿刺能量这一植入过程评价指标,其更加直观反映被植入组织的损伤情况;最后,通过体外脑组织模型植入实验对理论分析结果进行了验证.实验结果表明:对各个振动参数影响的理论分析与实验结果基本相符,振动植入能降低植入中的穿刺力及穿刺能量,并且通过提高振幅及采用锯齿波进行触发,进一步降低植入过程的穿刺力及穿刺能量.
  • 何玲, 蒋亚汶, 杨观赐, 李少波 doi: 10.13245/j.hust.221213 P98-105 在线阅读 下载(1.83 MB)
    为了向老年人提供居家自动化测量血糖的智能装备,设计了基于模糊比例积分微分(PID)的家用血糖智能感知装置刺针自适应控制方法.首先给出了家用血糖智能感知装置的总体设计,然后为确保刺针运动过程的稳定性,建立了刺针控制模块的动力学模型,并提出了基于模糊PID的刺针自适应控制方法,以实现刺针控制模块工作过程中PID控制器参数的自适应在线整定,采用基于模糊PID的刺针自适应控制方法的系统调节时间仿真结果为0.30 s.最后,试制并测试了家用血糖智能感知装置,原型装置调节时间测试结果为0.35 s,能抑制刺针抖动.
  • 电子器件封装及热管理专栏
  • 褚雯霄, 吕义高, 王耀霆, 王秋旺 doi: 10.13245/j.hust.221214 P106-120 在线阅读 下载(1.35 MB)
    分析了近年来国内外星载有源相控阵天线热控相关技术的研究现状与发展趋势,包括导热、非分离式热管、毛细泵驱回路热管、相变储能技术、单相泵驱流体回路、两相泵驱流体回路、微通道冷却及射流冲击冷却等先进热控技术.结合对国外其他航天器热控系统的相关创新性技术和设计的综述,对比指出目前我国在一些关键技术方面与国外先进技术水平的差距;同时,考虑航天器在空间特殊应用环境下热管理过程的热量收集、传输和排散环节,分析热控系统整体化设计过程,提出了星载有源相控阵天线热控技术的未来主要发展方向,包括两相泵驱流体回路关键技术突破、新型高效主被动复合式热控架构探索及新型热控技术与辐射器设计相结合等,可为未来我国新一代星载有源相控阵天线的散热方案研究提供参考.
  • 刘佳欣, 牟运, 彭洋, 陈明祥 doi: 10.13245/j.hust.221215 P121-127 在线阅读 下载(4.97 MB)
    为了解决大功率发光二极管(LED)散热效率低、可靠性差等问题,提出将无压烧结纳米银膏作为芯片固晶材料,应用于大功率发光二极管封装.对纳米银膏的热学行为及烧结后的晶体结构进行了表征,分析了烧结温度对电阻率和孔隙率的影响.利用纳米银膏封装大功率发光二极管,分析了不同固晶温度下发光二极管器件热阻及其结温变化,并与传统锡膏材料进行了对比.结果表明:随着固晶温度升高,纳米银膏的导电性和导热性逐渐提高.纳米银膏在200 ℃烧结后的电阻率为6.49 μΩ∙cm,界面孔隙率为11.5%,封装后的大功率发光二极管样品固晶层热阻为7.45 K/W,比采用SAC305和Sn42Bi58焊膏封装的发光二极管样品固晶层热阻分别降低15.4%和28.9%,芯片结温则分别降低2.9%和21.2%.此外,实验还测试了三种发光二极管封装样品的出光功率和工作温度,结果表明纳米银膏作为芯片固晶材料可为大功率发光二极管提供良好的散热通道,降低芯片结温并提高器件可靠性.
  • 余子康, 黎双, 刘佳欣, 牟运, 彭洋, 陈明祥 doi: 10.13245/j.hust.221216 P128-135 在线阅读 下载(3.75 MB)
    提出一种主动散热的荧光玻璃(PiG)用于反射型白光激光二极管(LD)封装,利用热电制冷器(TEC)的帕尔帖效应来增强荧光玻璃热耗散,降低大功率激光激发下荧光玻璃工作温度,从而提高白光激光二极管光热性能.将荧光玻璃浆料涂覆在热电制冷器冷端陶瓷基板表面,再通过低温烧结获得荧光玻璃膜-热电制冷器(PiG-TEC)结构.当激光功率从1.1 W增加到6.2 W时,荧光玻璃的工作温度从-5.9 ℃缓慢增加到23.8 ℃,最高工作温度仍处于较低水平.当激光功率为6.2 W时,采用热电制冷器主动散热的荧光玻璃的工作温度降低了49 ℃(约67%).此外,在不同激光功率下,荧光玻璃膜-热电制冷器封装的白光激光二极管均表现出稳定的光学性能.当激光功率为6.2 W时,白光激光二极管的光通量为756.1 lm,色温为5 132 K,CIE色坐标为(0.343 5,0.379 5).实验结果表明:利用热电制冷器的帕尔帖效应实现了荧光玻璃的主动散热,满足了大功率荧光转换白光激光二极管封装需求.
  • 康赢, 罗振兵, 彭文强, 邓雄 doi: 10.13245/j.hust.221217 P136-142 在线阅读 下载(2.51 MB)
    针对发热元件的热流密度越来越高所导致的散热问题成为制约微小型电子器件发展的瓶颈,将轻型零质量合成双射流技术应用于空调外机控制器以探索其热管理能力,通过数值模拟对翅片结构进行了改进,比较了原始翅片、改进翅片、合成双射流与原始翅片组合散热的散热效果,结果表明:翅片高度和厚度的增加均能强化换热;与原始翅片相比,改进翅片、实例1(加合成双射流)、实例4(加合成双射流)散热效率分别提高10.88%,20.70%和26.58%,说明组合散热效果更好;在组合散热及合成双射流作用下翅片间出现涡对,增强了空气掺混,对流换热增强,且射流湍流度越高,散热性能越强.最后对原始翅片和组合散热开展了红外实验,验证了合成双射流散热的高效性和可行性.
  • 杨小虎, 陈凯, 柯汉兵, 肖颀 doi: 10.13245/j.hust.221218 P143-148 在线阅读 下载(2.04 MB)
    针对海洋摇摆环境和变速飞行条件等复杂变加速度环境下低熔点金属相变材料相变传热基本特性不明晰,限制其在舰载、弹载、机载电子设备热控领域的应用等问题,构建了变加速度条件下固液相变问题输运模型,利用双分布函数多松弛因子格子波尔兹曼方法编写了相应的计算代码,对典型海洋摇摆环境和导弹飞行条件下相变热沉热控特性进行了分析.结果表明:在本研究分析的工况下,海洋摇摆条件会引起相变热沉传热强度±21%的波动,从而影响热沉的瞬时热控性能;导弹俯冲过程中巨大的加速度会增强相变材料液相区域的自然对流,使相变传热强度增加67%,但也会增加热沉热界面温度的不均匀性,增大局部过热风险.
6 2024
主 管:教育部
主 办:华中科技大学
主 编:李元元
刊 号:ISSN 1671-4512
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