磨料浆体射流技术及其机理研究

论文摘要

随着工业生产的飞速发展,越来越多的高性能材料被研制出来,其中许多材料具有特殊的结构特性,如果采用传统的加工方法进行切割,很难保证切割质量,特别是对材料进行复杂的异形切割时,很难达到设计要求。而磨料射流切割因具有冷态、点割、通用性强、切割质量好和环保无污染等特点,在切割领域占有越来越重要的位置。然而,目前常用的磨料射流技术还存在一些不足或者说不适宜在我国广泛应用的地方,如:后混合磨料水射流系统采用超高压(压力≥200Mpa)使得喷嘴的耐磨性、系统超高压密封问题等成为在我国应用的一个瓶颈,影响了系统使用过程中的稳定性和可靠性;前混合磨料水射流系统因喷嘴直径大,使切口宽度增大,切割面较粗糙,且磨料在管道内易发生沉积、堵塞,且系统不能实现连续供料和工作。本文的磨料浆体射流就是在上述技术背景下提出并展开研究的,该课题的研究主要从工艺技术上降低了系统压力,实现了浆料与高压传递介质的双独立循环使用,提出了新的磨料浆体配制工艺和方法,改善了工艺结构,降低了加工成本。在理论上探索并掌握了磨料浆体的流变特性、流场特性、进行了喷嘴处流场数值模拟及磨料浆体射流切割性能的研究。论文首先由系统高压传递的关键设备——高压料罐的结构入手进行设计,改变了国外高压缸体的传输机制,实现了浆料与高压传递介质的完全隔离,在此基础上设计了本文磨料浆体射流系统的总体结构及工艺流程,实现了浆料与高压传递介质的双独立循环使用与系统的连续工作过程。对浆料配制中添加剂的结构特点进行研究,分析出磨料浆体的主要工艺特性为良好的分散、悬浮性,较好的触变性和润滑性等。利用流变学的原理与测量方法,依据最小二乘法理论,优选出磨料浆体的流变模型为幂律模型,确立了其本构方程的形式。由连续介质力学观点出发,建立了磨料浆体射流流场的控制方程,在求解区域内采用交错网格的布置方式,使用有限体积法,将磨料浆体射流流场的控制方程进行离散,得到其离散方程,为后续进行喷嘴处数值计算和数值模拟提供了基础。在交错网格系统中,针对磨料浆体射流喷嘴处的特征,进行了边界条件的设置与离散方程源项的构造。选用流场计算的SIMPLE算法求得正确的速度场和压力场,并使用TDMA方法作为迭代步骤,进行了磨料浆体射流流场控制方程组的求解,通过相应的流体力学软件,对喷嘴处流场进行了速度分布的数值模拟,模拟结果显示,配制浆料时添加剂的重量配比对喷嘴处的速度分布影响比较大。最后,对磨料浆体射流最主要的切割性能之一的切割能力进行了试验设计,对其切割典型材料展开了试验研究,结果表明:切割不同类型材料时,影响切割能力主要因素的影响程度略有不同。同时,将磨料浆体射流的切割性能与前混合磨料水射流作了对比分析,认为前者的切割质量明显好于后者,前者的切割能耗平均低于

论文目录

• 摘 要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 水射流技术的特点及应用领域
• 1.1.2 磨料射流技术发展背景
• 1.1.3 课题来源
• 1.1.4 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题研究现状和发展趋势
• 1.2.1 高压水射流技术发展与研究现状
• 1.2.2 磨料浆体射流技术研究现状及发展趋势
• 1.3 论文研究的主要内容
• 1.4 本章小结
• 第2章 磨料浆体射流切割技术的实现
• 2.1 磨料浆体射流切割系统原理设计
• 2.1.1 磨料浆体射流形成原理设计
• 2.1.2 磨料浆体射流切割系统的组成
• 2.1.3 磨料浆体射流系统的工作原理及工艺流程设计
• 2.2 磨料浆体射流切割系统中关键技术分析
• 2.2.1 浆料的选用及其配制
• 2.2.2 系统中双循环结构的设计与分析
• 2.2.3 数控系统及CAD 系统设计
• 2.3 本章小结
• 第3章 磨料浆体的流变特性研究
• 3.1 磨料浆体的工艺性能分析
• 3.1.1 造浆粘土的构造特点
• 3.1.2 磨料浆体的工艺性能分析
• 3.1.3 磨料浆体的稳定性
• 3.2 磨料浆体的基本流变参数
• 3.2.1 非牛顿流体的分类
• 3.2.2 流变学概念
• 3.2.3 磨料浆体射流的物质函数
• 3.3 磨料浆体物质函数的测量方法及结果
• 3.3.1 物质函数的测量目的
• 3.3.2 流变测量仪及其测量原理
• 3.3.3 磨料浆体物质函数的测量
• 3.4 磨料浆体本构方程研究
• 3.4.1 研究磨料浆体本构方程的必要性
• 3.4.2 本构方程必须满足的原则
• 3.4.3 纯粘性非牛顿流体的本构方程
• 3.4.4 磨料浆体本构方程的确立
• 3.5 本章小结
• 第4章 磨料浆体射流流场离散方程的研究
• 4.1 计算流体动力学概述
• 4.1.1 计算流体动力学涵义
• 4.1.2 计算流体力学的工作步骤
• 4.1.3 计算流体动力学的特点
• 4.2 磨料浆体射流流场控制方程的建立
• 4.2.1 磨料浆体射流流场的控制方程
• 4.2.2 磨料浆体射流流场控制方程的统一形式
• 4.3 磨料浆体射流流场控制方程的离散
• 4.3.1 常用的离散化方法
• 4.3.2 有限体积法的基本思想和特点
• 4.3.3 交错网格的建立
• 4.3.4 磨料浆体射流流场离散方程的建立
• 4.4 本章小结
• 第5章 磨料浆体射流在喷嘴内流场的数值模拟
• 5.1 边界条件的处理
• 5.1.1 入口边界条件的处理
• 5.1.2 壁面边界条件的处理
• 5.2 磨料浆体射流流场离散方程组的数值计算
• 5.2.1 流场数值计算的主要方法
• 5.2.2 流场计算的SIMPLE 算法
• 5.2.3 基于SIMPLE 算法的速度修正方程
• 5.2.4 基于SIMPLE 算法的压力修正方程
• 5.2.5 SIMPLE 算法的计算步骤
• 5.3 磨料浆体射流离散方程组的解法
• 5.3.1 TDMA 算法
• 5.3.2 TDMA 算法在求解磨料浆体射流离散方程中的应用
• 5.4 磨料浆体射流流场的数值模拟结果及分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 磨料浆体射流切割性能研究
• 6.1 概述
• 6.2 磨料浆体射流切割能力研究
• 6.2.1 正交实验法
• 6.2.2 正交试验的步骤
• 6.2.3 影响切割深度的因素正交试验分析
• 6.2.4 磨料浆体射流切割深度建模研究
• 6.2.5 切割深度模型的试验验证
• 6.3 与前混合磨料水射流切割性能比较研究
• 6.3.1 切割塑性材料的切割性能比较
• 6.3.2 切割脆性材料的切割性能比较
• 6.3.3 切割比能耗比较
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 课题研究成果
• 7.1.1 理论研究成果
• 7.1.2 应用研究成果
• 7.1.3 本文创新点
• 7.2 进一步研究方向
• 7.3 本章小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间公开发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目
• 攻读博士学位期间获得的专利
• 图表清单
• 致谢
• 博硕士学位论文同意发表声明
• 发表意见书