發(fā)布時(shí)間：2017-04-12 18:23

  本文關(guān)鍵詞：機(jī)床用鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來(lái),我國(guó)在機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)方面日趨成熟,但機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件大多仍然是由鑄鐵鑄造或鋼材焊接結(jié)構(gòu)制成。雖然鑄鐵或鋼的加工工藝成熟、可加工性良好,但生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境污染比較嚴(yán)重,制備周期較長(zhǎng),不符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì),并且其阻尼減振性能接近極值,在動(dòng)態(tài)性能及熱穩(wěn)定性方面已不能滿(mǎn)足高速、高精密加工技術(shù)要求。因此,研究開(kāi)發(fā)阻尼減振性能優(yōu)良的新型機(jī)床構(gòu)件材料已迫在眉睫。人造花崗石復(fù)合材料是以天然花崗石等無(wú)機(jī)礦物為骨料,以有機(jī)樹(shù)脂作為粘合劑,通過(guò)聚合反應(yīng)固化成型的一種新型聚合物基多相體材料,其突出特點(diǎn)是阻尼減振性好、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕,主要用于制造高速和高精密加工機(jī)床、激光、電子、醫(yī)療等設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)件。但人造花崗石復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于灰鑄鐵等金屬材料,在一定程度上限制了其大量推廣和廣泛應(yīng)用。本文以鉬纖維作為增強(qiáng)相制備了鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料,采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,以鉬纖維-環(huán)氧樹(shù)脂基體復(fù)合材料為研究體系,以提高人造花崗石復(fù)合材料抗壓、抗彎強(qiáng)度為研究目標(biāo),系統(tǒng)研究了復(fù)合材料在不同受力狀態(tài)下的界面應(yīng)力傳遞及分布機(jī)制,深入分析了基體性能、纖維性能、纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征等對(duì)復(fù)合材料細(xì)觀及宏觀力學(xué)性能的影響,研究開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料。并以精密雕銑機(jī)床床身為例進(jìn)行有限元模擬,對(duì)比研究人造花崗石復(fù)合材料床身和鑄鐵床身的靜、動(dòng)態(tài)性能,驗(yàn)證了采用人造花崗石復(fù)合材料制造機(jī)床基礎(chǔ)構(gòu)件的優(yōu)越性以及取代鑄鐵材料的可行性。(1)基于經(jīng)典剪滯理論建立鉬纖維在埋置狀態(tài)和拉拔狀態(tài)下的細(xì)觀力學(xué)模型,推導(dǎo)出復(fù)合材料在不同受力狀態(tài)時(shí)纖維軸向應(yīng)力以及界面剪應(yīng)力的計(jì)算公式；探討鉬纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)材料軸向彈性模量的影響；系統(tǒng)分析了完全粘結(jié)狀態(tài)下纖維埋置長(zhǎng)度、纖維體積率和局部脫粘狀態(tài)下纖維脫粘長(zhǎng)度對(duì)纖維軸向平均應(yīng)力和界面剪應(yīng)力分布規(guī)律的影響。結(jié)果表明,軸向彈性模量隨纖維體積率的增大顯著增加；隨纖維長(zhǎng)徑比的增大先迅速增加,然后再緩慢增加至某一定值。拉拔狀態(tài)下界面剪應(yīng)力隨著纖維埋置長(zhǎng)度的增大而減��；纖維軸向平均應(yīng)力隨著纖維體積率的增加而增加,當(dāng)體積率增大到一定程度時(shí),界面的脫粘破壞發(fā)生在纖維的埋置端而不是拔出端。纖維脫粘長(zhǎng)度越大,脫粘界面尖端所承受的剪應(yīng)力越小,界面越容易發(fā)生脫粘擴(kuò)展現(xiàn)象。(2)制備樹(shù)脂澆注體標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣研究環(huán)氧樹(shù)脂固化劑不同質(zhì)量配比時(shí)固化物的力學(xué)性能,分析不同的質(zhì)量配比對(duì)鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、潤(rùn)濕性能以及人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響；基于潤(rùn)濕理論建立界面粘結(jié)強(qiáng)度與粘附功的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)測(cè)試人造花崗石復(fù)合材料試樣上典型測(cè)點(diǎn)在任意載荷作用下的應(yīng)變值,并通過(guò)有限元分析驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。隨著樹(shù)脂固化劑配比r的增大,固化物表面自由能先增大后減小,而鉬纖維-基體接觸角先減小后增大,當(dāng)r=4時(shí)樹(shù)脂對(duì)鉬纖維的潤(rùn)濕性能最優(yōu)。樹(shù)脂基體的拉伸強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度下應(yīng)變以及拉伸斷裂應(yīng)力隨著配比r的增大先逐漸增大,在r=4時(shí)達(dá)到最大值；隨后逐漸降低,在r=7時(shí)達(dá)到最小值。鉬纖維-基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度和人造花崗石復(fù)合材料的抗壓、抗彎強(qiáng)度隨著配比r的增大都是先增大后減小,當(dāng)r=4時(shí)力學(xué)性能最優(yōu)。(3)基于不同的纖維表面處理工藝,對(duì)比分析表面改性鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能的變化及差異；系統(tǒng)研究纖維表面粗糙度、纖維表面性能對(duì)鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、界面潤(rùn)濕性能以及人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響；建立了界面粘結(jié)強(qiáng)度與粘附功的關(guān)系方程,二者可用Boltzmann分布函數(shù)進(jìn)行定量表征；通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)比分析新、舊鉬纖維在強(qiáng)界面和弱界面結(jié)合狀態(tài)下對(duì)樹(shù)脂基體的增強(qiáng)效果。相對(duì)于新鉬纖維,表面改性后的鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度、纖維表面自由能以及對(duì)人造花崗石復(fù)合材料的增強(qiáng)效果均有不同程度的提高。其中,經(jīng)復(fù)合處理(酸化+氣相氧化+偶聯(lián))的鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料綜合力學(xué)性能最優(yōu)。舊鉬纖維與樹(shù)脂基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度比新鉬纖維平均提高了16.7%。有限元分析結(jié)果表明,相同界面結(jié)合狀態(tài)下舊鉬纖維抵抗基體變形和承受載荷的能力優(yōu)于新鉬纖維；同樣的纖維表面狀態(tài)下強(qiáng)界面結(jié)合時(shí)基體性能優(yōu)于弱界面結(jié)合。(4)基于異形鉬纖維的受力特點(diǎn)構(gòu)建其拉拔理論模型,推導(dǎo)出各種字母形異形纖維最大拉拔載荷的通用計(jì)算公式；通過(guò)單纖維拉拔實(shí)驗(yàn)獲取纖維外形對(duì)鉬纖維-樹(shù)脂基體界面粘結(jié)強(qiáng)度的影響規(guī)律,根據(jù)輸出的拉拔載荷-位移曲線(xiàn)對(duì)普通直線(xiàn)形纖維與異形纖維的拉拔脫粘過(guò)程進(jìn)行分析和比較；系統(tǒng)研究纖維含量、纖維形狀對(duì)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度的影響,并通過(guò)有限元仿真對(duì)比分析異形纖維對(duì)樹(shù)脂基體的增強(qiáng)作用。結(jié)果表明,異形鉬纖維與樹(shù)脂基體的界面粘結(jié)強(qiáng)度明顯高于普通直線(xiàn)形鉬纖維,其對(duì)人造花崗石復(fù)合材料的增強(qiáng)效果優(yōu)劣排序?yàn)椋篗形N形U形V形。隨著纖維含量的增加,鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料的抗壓和抗彎強(qiáng)度都是先增大后減小,當(dāng)纖維含量為1.2%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。有限元分析結(jié)果驗(yàn)證了M形纖維抵抗基體變形和承受載荷的能力最優(yōu)。(5)根據(jù)精密雕銑機(jī)床的實(shí)際工況完成床身設(shè)計(jì)和受力分析；基于建立的鑄鐵與人造花崗石復(fù)合材料床身有限元模型,分析獲得兩種材料床身的變形和等效應(yīng)力分布；基于靜力學(xué)仿真結(jié)果對(duì)人造花崗石復(fù)合材料床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化；通過(guò)有限元分析獲得對(duì)應(yīng)床身的模態(tài)振型、固有頻率及幅頻響應(yīng)曲線(xiàn),并根據(jù)動(dòng)態(tài)特性分析結(jié)果研究床身避免共振的方法。結(jié)果表明,在相同載荷、相同約束條件下,優(yōu)化后的人造花崗石復(fù)合材料床身在X、Y、Z方向的變形以及總變形量都明顯低于鑄鐵床身,具有更好的靜態(tài)性能。優(yōu)化后人造花崗石復(fù)合材料床身前八階固有頻率比鑄鐵床身平均提高了約57.5%,其中一階和二階振型對(duì)精密雕銑機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性影響較大,應(yīng)有針對(duì)性地對(duì)床身前端部位進(jìn)行局部強(qiáng)化。優(yōu)化后人造花崗石復(fù)合材料床身在X、Y、Z三個(gè)方向的最大振幅值均遠(yuǎn)小于鑄鐵床身,平均降低約89.1%,其動(dòng)態(tài)性能顯著優(yōu)于鑄鐵材料床身。
【關(guān)鍵詞】：復(fù)合材料 增強(qiáng) 界面粘結(jié)強(qiáng)度 鉬纖維 有限元分析
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TG502.4;TB33
【目錄】：

• 摘要15-18
• Abstract18-23
• 主要符號(hào)表23-25
• 第1章 緒論25-45
• 1.1 問(wèn)題的提出25
• 1.2 人造花崗石復(fù)合材料的特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀25-29
• 1.2.1 人造花崗石復(fù)合材料的特點(diǎn)25-26
• 1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀26-28
• 1.2.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3 鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料的組分構(gòu)成與制備工藝29-35
• 1.3.1 骨料系統(tǒng)29-31
• 1.3.2 樹(shù)脂系統(tǒng)31-34
• 1.3.3 增強(qiáng)纖維34-35
• 1.3.4 鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料的制備工藝35
• 1.4 人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能表征35-42
• 1.4.1 細(xì)觀力學(xué)性能表征36-40
• 1.4.2 宏觀力學(xué)性能表征40-42
• 1.5 課題來(lái)源、研究意義及主要研究?jī)?nèi)容42-45
• 1.5.1 課題來(lái)源42
• 1.5.2 研究意義42
• 1.5.3 主要研究?jī)?nèi)容42-45
• 第2章 人造花崗石復(fù)合材料界面應(yīng)力傳遞機(jī)制45-61
• 2.1 引言45
• 2.2 人造花崗石復(fù)合材料界面作用機(jī)理45-47
• 2.3 埋置狀態(tài)下的鉬纖維-基體應(yīng)力傳遞機(jī)制47-52
• 2.3.1 理想鉬纖維增強(qiáng)基體應(yīng)力傳遞和軸向彈性模量預(yù)測(cè)47-50
• 2.3.2 考慮纖維末端應(yīng)力的鉬纖維增強(qiáng)基體應(yīng)力傳遞50-51
• 2.3.3 結(jié)果與分析51-52
• 2.4 拉拔狀態(tài)下的鉬纖維-基體應(yīng)力傳遞機(jī)制52-59
• 2.4.1 鉬纖維粘結(jié)/脫粘時(shí)的應(yīng)力分布53-56
• 2.4.2 纖維細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)力分布的影響56-59
• 2.5 本章小結(jié)59-61
• 第3章 基體對(duì)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能影響61-91
• 3.1 引言61
• 3.2 界面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試方法61-64
• 3.2.1 微脫粘法61-62
• 3.2.2 單纖維拉拔法62-63
• 3.2.3 纖維臨界長(zhǎng)度斷裂法63-64
• 3.3 潤(rùn)濕理論及表征64-67
• 3.3.1 接觸角64-65
• 3.3.2 表面自由能與粘附功65-67
• 3.4 實(shí)驗(yàn)方法67-74
• 3.4.1 粘附功測(cè)試67-68
• 3.4.2 基體單軸拉伸力學(xué)性能測(cè)試68-70
• 3.4.3 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試70-71
• 3.4.4 鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試71-73
• 3.4.5 鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石試樣典型測(cè)點(diǎn)載荷-應(yīng)變測(cè)試73-74
• 3.5 結(jié)果與分析74-89
• 3.5.1 樹(shù)脂固化劑配比對(duì)基體力學(xué)性能的影響74-78
• 3.5.2 樹(shù)脂固化劑配比對(duì)潤(rùn)濕性的影響78-80
• 3.5.3 樹(shù)脂固化劑配比對(duì)界面粘結(jié)性能的影響80-82
• 3.5.4 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度與粘附功關(guān)系初探82-83
• 3.5.5 樹(shù)脂固化劑配比對(duì)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能影響83-85
• 3.5.6 不同固化劑含量鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石載荷-應(yīng)變分析與仿真85-89
• 3.6 本章小結(jié)89-91
• 第4章 纖維表面性能對(duì)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能影響91-119
• 4.1 引言91
• 4.2 表面處理對(duì)鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響91-97
• 4.2.1 酸化處理對(duì)鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能影響92-93
• 4.2.2 氣相氧化處理對(duì)鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能影響93-95
• 4.2.3 偶聯(lián)處理對(duì)鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能影響95-97
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方法97-98
• 4.3.1 新、舊鉬纖維表面粗糙度的測(cè)試97-98
• 4.3.2 粘附功測(cè)試98
• 4.3.3 單根鉬纖維抗拉強(qiáng)度測(cè)試98
• 4.3.4 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試98
• 4.3.5 鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試98
• 4.4 結(jié)果與分析98-111
• 4.4.1 新、舊鉬纖維表面形貌AFM分析98-100
• 4.4.2 纖維表面性能對(duì)潤(rùn)濕性影響100-103
• 4.4.3 纖維表面性能對(duì)拉伸強(qiáng)度影響103
• 4.4.4 纖維表面性能對(duì)界面粘結(jié)性能的影響103-108
• 4.4.5 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度與粘附功關(guān)系分析108-109
• 4.4.6 纖維表面性能對(duì)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能影響109-111
• 4.5 新、舊鉬纖維增強(qiáng)基體有限元分析111-117
• 4.5.1 有限元模型的建立111-113
• 4.5.2 強(qiáng)界面結(jié)合狀態(tài)下仿真結(jié)果及分析113-115
• 4.5.3 弱界面結(jié)合狀態(tài)下仿真結(jié)果及分析115-117
• 4.6 本章小結(jié)117-119
• 第5章 纖維形狀對(duì)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能影響119-139
• 5.1 引言119
• 5.2 纖維形狀分類(lèi)119-120
• 5.3 異形鉬纖維拉拔理論模型120-123
• 5.3.1 拉拔模型的建立120-121
• 5.3.2 異形鉬纖維最大拉拔載荷的計(jì)算121-122
• 5.3.3 計(jì)算結(jié)果與分析122-123
• 5.4 異形鉬纖維-基體界面粘結(jié)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究123-127
• 5.4.1 實(shí)驗(yàn)材料123-124
• 5.4.2 試樣制備及測(cè)試124
• 5.4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析124-127
• 5.5 鉬纖維拉拔脫粘過(guò)程127-131
• 5.5.1 直線(xiàn)形鉬纖維拉拔脫粘過(guò)程127-129
• 5.5.2 異形鉬纖維拉拔脫粘過(guò)程129-131
• 5.6 異形鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料力學(xué)性能研究131-135
• 5.6.1 異形鉬纖維增強(qiáng)人造花崗石復(fù)合材料強(qiáng)度測(cè)試131-132
• 5.6.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析132-135
• 5.7 異形鉬纖維增強(qiáng)基體有限元分析135-137
• 5.7.1 有限元模型的建立135
• 5.7.2 仿真結(jié)果及分析135-137
• 5.8 本章小結(jié)137-139
• 第6章 人造花崗石精密雕銑機(jī)床床身靜動(dòng)態(tài)性能分析及優(yōu)化139-165
• 6.1 引言139
• 6.2 精密雕銑機(jī)床床身設(shè)計(jì)139-141
• 6.3 精密雕銑機(jī)床床身受力分析141-144
• 6.3.1 工件-工作臺(tái)-導(dǎo)軌受力分析141-142
• 6.3.2 橫梁-立柱受力分析142-144
• 6.3.3 龍門(mén)座螺栓組連接受力分析144
• 6.4 人造花崗石精密雕銑機(jī)床床身靜力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化144-152
• 6.4.1 床身有限元模型的建立144-145
• 6.4.2 靜力學(xué)仿真結(jié)果及分析145-149
• 6.4.3 人造花崗石復(fù)合材料床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化149-152
• 6.5 人造花崗石精密雕銑機(jī)床床身動(dòng)態(tài)性能分析152-163
• 6.5.1 精密雕銑機(jī)床床身模態(tài)分析153-158
• 6.5.2 精密雕銑機(jī)床床身諧響應(yīng)分析158-163
• 6.6 本章小結(jié)163-165
• 第7章 結(jié)論與展望165-169
• 7.1 結(jié)論165-167
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)167
• 7.3 展望167-169
• 參考文獻(xiàn)169-181
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文181-183
• 攻讀博士學(xué)位期間的發(fā)明專(zhuān)利及獲獎(jiǎng)情況183-185
• 致謝185-187
• 附錄：已發(fā)表英文文章187-200
• 學(xué)位論文評(píng)閱及答辯情況表200

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前6條

1 靳婷婷;申士杰;李靜;李偉娜;;玄武巖纖維表面處理新方法——酸刻蝕處理的可行性研究[J];材料導(dǎo)報(bào);2014年12期

2 秦偉,張志謙,黃玉東,葉楊,劉愛(ài)學(xué),李海晨,王彪;冷等離子體處理對(duì)碳纖維縫編織物/環(huán)氧復(fù)合材料界面性能的影響[J];航空材料學(xué)報(bào);2001年04期

3 張鴻;宋迎東;;陶瓷基復(fù)合材料單纖維拔出力學(xué)分析[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2007年11期

4 楊叔子,吳波;先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J];機(jī)械工程學(xué)報(bào);2003年10期

5 朱樂(lè)平;;混凝土在機(jī)床構(gòu)件中的應(yīng)用[J];機(jī)械制造;1991年05期

6 榮烈潤(rùn);;非傳統(tǒng)材料在機(jī)床工具業(yè)中的應(yīng)用[J];新技術(shù)新工藝;1991年02期

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 蘇峰;碳纖維-環(huán)氧樹(shù)脂界面性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

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本文編號(hào)：301896