【摘要】：金屬纖維/絲多孔體為纖維/絲與孔隙形成的三維空間連通孔隙復(fù)合體,具有許多獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能特點(diǎn),特別是以高強(qiáng)度、少缺陷、低成本、易獲得的鋼絲為原材料的多孔體存在著巨大的研究開發(fā)價(jià)值。金屬纖維/絲多孔體中像纏繞絲多孔體和三維編織多孔體雖具有較高強(qiáng)度,能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化,但其應(yīng)用于減振、抗沖擊及吸能等領(lǐng)域時(shí),目前仍不能直接作為承載主結(jié)構(gòu)使用,而是像蜂窩及泡沫等多孔體必須作為芯體制成夾層結(jié)構(gòu)。為了獲得一種原材料易得并可量產(chǎn)、制備工藝相對(duì)容易、強(qiáng)度高、可直接加工成承載結(jié)構(gòu)零件并能實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)輕質(zhì)剛性減振的金屬纖維/絲多孔體,本課題在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出一種新型彎扭絲金屬多孔體并研究了其制造方法,采用動(dòng)靜態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)力學(xué)性能及吸能與阻尼特性進(jìn)行研究,通過齒輪減速器傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),將孔隙率約為40%和50%的彎扭絲金屬多孔體制成零件直接作為承載結(jié)構(gòu)零件進(jìn)行減振應(yīng)用。本論文開發(fā)了一種新型彎扭絲金屬多孔體的制造工藝,通過多刀旋轉(zhuǎn)裝置短切304不銹鋼鋼絲繩獲得長(zhǎng)度介于10~15 mm、絲徑為90μm和160μm,無表面破壞、彎扭復(fù)合變形、鍥形斷口及延續(xù)鋼絲高力學(xué)強(qiáng)度的新型彎扭絲為原材料,采用靜壓和振動(dòng)壓制預(yù)成形方法制備彎扭絲多孔體坯體,經(jīng)真空高溫固相燒結(jié)獲得孔隙率介于30~95%彎扭絲金屬多孔體。彎扭絲易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn),為彎扭絲金屬多孔體低成本規(guī)�；a(chǎn)提供原材料基礎(chǔ)。靜壓和振動(dòng)預(yù)成形工藝分別適用于孔隙率低于80%和孔隙率為90%左右彎扭絲多孔體坯體成形。彎扭絲金屬多孔體具有隨機(jī)分布的三維空間立體復(fù)合織物狀貫通孔結(jié)構(gòu),從空間角度觀察,靜壓預(yù)成形多孔體面內(nèi)與厚度方向孔隙結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)顯著差異;而振動(dòng)預(yù)成形多孔體面內(nèi)與厚度方面孔結(jié)構(gòu)相似。采用氣體置換法研究了絲徑、燒結(jié)參數(shù)對(duì)多孔體孔徑分布的影響。通過準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸、準(zhǔn)靜態(tài)單軸壓縮、沖擊試驗(yàn),研究彎扭絲金屬多孔體力學(xué)行為與性能,并探討制備工藝參數(shù)(絲徑、燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、復(fù)燒及軋制工藝)、孔隙率、取樣方向?qū)ζ淞W(xué)行為與性能影響�？紫堵氏嗤瑮l件下,細(xì)絲徑多孔體,單位體積內(nèi)絲骨架密,孔徑分布窄,平均孔徑小,抵抗拉壓變形孔結(jié)構(gòu)多,抗拉和抗壓能力強(qiáng)。與壓縮性能相比,拉伸性能對(duì)絲徑變化更加敏感。燒結(jié)溫度升高和燒結(jié)時(shí)間延長(zhǎng),促進(jìn)多孔體中冶金結(jié)合點(diǎn)長(zhǎng)大和新生,平均孔徑縮小,孔徑分布更集中和均勻,增強(qiáng)了多孔體拉伸和壓縮強(qiáng)度,燒結(jié)溫度提高對(duì)多孔體力學(xué)性能影響更加顯著。復(fù)燒工藝是一種行之有效的增強(qiáng)多孔體力學(xué)性能的方法,孔隙率約為36%多孔體復(fù)燒后抗拉強(qiáng)度約為原始7倍,壓縮強(qiáng)度為原始2倍。軋制振動(dòng)預(yù)成形多孔體可獲得多孔薄板�？紫堵始s為92%,高約23mm的多孔體,經(jīng)多道次軋至2.2mm時(shí)未出現(xiàn)裂紋,抗拉強(qiáng)度約為72mpa。彎扭絲金屬多孔體拉伸呈現(xiàn)出三階段應(yīng)力-應(yīng)變行為,即,初始短暫線彈性、彈塑性變形至應(yīng)力最大值且局部失效、裂紋生成擴(kuò)展和應(yīng)力值下降至緩慢完全失效,沒有明顯屈服;試樣宏觀上展現(xiàn) 45°切斷型‖和 拉脹型‖兩種失效模式;面內(nèi)0°與面內(nèi)45°方向抗拉強(qiáng)度相差較小,厚度方向抗拉強(qiáng)度降低;孔隙率降低增強(qiáng)多孔體抵抗拉伸變形能力。彎扭絲金屬多孔體壓縮行為具有各向異性,面內(nèi)方向經(jīng)歷線彈性、塑性平臺(tái)和致密化三階段變形,而厚度方向未經(jīng)歷塑性平臺(tái)直接進(jìn)入致密化階段;面內(nèi)和厚度方向分別展現(xiàn)出 腰形‖和 鼓形‖失效模式;厚度方向抗壓能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于面內(nèi)方向,隨著孔隙率增加,面內(nèi)與厚度方向抗壓能力均降低,各向異性減弱。彎扭絲金屬多孔體面內(nèi)與厚度方向壓縮行為與性能的各向異性導(dǎo)致其吸能能力和吸能效率亦具有各向異性。面內(nèi)方向具有明顯的緩沖塑性平臺(tái),具有良好的吸能能力,而厚度方向較弱,面內(nèi)方向的吸能效率明顯高于厚度方向。吸能能力和吸能效率對(duì)孔隙率有很強(qiáng)的依賴性,孔隙率增加,吸能效率并非呈單調(diào)增減關(guān)系,而是存在一種較優(yōu)化具有高效吸能的孔隙率。彎扭絲金屬多孔體沖擊行為宏觀表現(xiàn)為混合韌脆性失效,微觀表現(xiàn)為絲材沖擊韌性失效。隨著孔隙率增加,多孔體抵抗沖擊變形能力減弱,沖擊韌性及吸收沖擊能量降低。采用機(jī)械動(dòng)態(tài)分析儀研究了振動(dòng)頻率、溫度、孔隙率對(duì)彎扭絲多孔體低頻阻尼性能的影響規(guī)律。振動(dòng)頻率大,孔隙率高,多孔體損耗因子大;溫度對(duì)多孔體阻尼影響呈現(xiàn)波動(dòng)變化,在某一溫度點(diǎn)達(dá)到最大值。無論壓縮大塑性變形還是彈性小變形彎扭絲金屬多孔體均具有能量耗散和阻尼作用。本文提出了不同孔隙率范圍多孔體的壓縮行為采用不同模型進(jìn)行有限元分析的方法,建立了低孔隙率隨機(jī)孔洞模型和高孔隙率彎扭絲骨架模型,模擬均能反映壓縮過程伴隨著大量孔結(jié)構(gòu)坍塌、相互靠攏、相互鍥入、局部變形并擴(kuò)展至整個(gè)試樣,形成孔隙率不斷降低的壓縮致密化變形過程,同時(shí)也表明了多孔體能量損耗形式,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。本文提出了一種新型多孔輕質(zhì)剛性減振的概念及方法。通過機(jī)械加工將孔隙率約為40%和50%的彎扭絲金屬多孔體制成彎扭絲多孔墊塊、多孔環(huán)零件,進(jìn)行模態(tài)阻尼試驗(yàn)并應(yīng)用于齒輪減速器傳動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行減振試驗(yàn),以振動(dòng)烈度、振動(dòng)加速度級(jí)及結(jié)構(gòu)噪聲為減振評(píng)價(jià)標(biāo)量。結(jié)果表明,彎扭絲金屬多孔體及多孔環(huán)具有高的固有頻率及阻尼比,可以有效避開較寬范圍的振動(dòng)頻率,從振動(dòng)烈度、振動(dòng)加速度級(jí)及結(jié)構(gòu)噪聲三個(gè)方面評(píng)價(jià),基座加墊塊方案和輸入軸及中間軸軸頸加入多孔環(huán)方案均起到良好的減振效果,速度頻譜圖上表現(xiàn)為:振動(dòng)頻率點(diǎn)減少,振動(dòng)幅值大幅度衰減,最大峰值頻率點(diǎn)轉(zhuǎn)移或消失。從機(jī)械結(jié)構(gòu)變化和彎扭絲金屬多孔體自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)彎扭絲多孔體減振機(jī)制進(jìn)行了探索�？紫堵式橛�30%~50%的彎扭絲金屬多孔體減振方法結(jié)合了柔性減振和剛性減振二者特點(diǎn),是一種承載力強(qiáng)的新型多孔輕質(zhì)剛性減振體,具有極大的應(yīng)用潛力。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB535.1;TB383.4

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本文編號(hào)：2201263