软性磨粒流超声强化机理及实验研究

摘要

固液两相软性磨粒流加工方法主要是利用处于湍流形态的混合液对加工件表面微量切削的一种抛光方法。但是这种方法有一些不足之处:加工流道中的流体压力分布和湍动能分布不均匀，会出现加工死角;一次性加工时间较长，加工效率偏低。本文提出一种将超声波激振应用于软性磨粒流加工的新方法，该方法是利用超声波对磨粒流场的挠动来达到增强湍流强度并使其分布得到扩散的目的，从而实现软性磨粒流加工方法的优化。本文主要工作和成果如下: (1)针对标准k-ε湍流模型及k-ε双方程模型应用场合的不同，对两者进行分析，其中k-ε双方程模型对描述射流和混合流的自由流动，以及复杂流道中的流动都有着更好的表现，所以本文选择k-ε双方程湍流模型作为软性磨粒流的基本物理模型，它能够对软性磨粒流加工流道中的湍动能及压力分布等特性进行较为完整的数学描述。 (2)针对在软性磨粒流中加载超声波激振的方法，在软性磨粒流流体非常复杂的情况下，结合超声场的基本理论，将超声波激振的影响简化为基于Navier-Stokes方程的超声场模型，建立基于Navier-Stokes方程的声场与k-ε双方程的耦合模型，对超声波激振在软性磨粒流流道的影响进行了研究分析，并设计加入周期性变化的压力入口来对声场压力波进行仿真。 (3)针对软性磨粒流约束流道的条件及加载超声波的特殊条件，基于上述流场与声场的耦合模型，在CFD软件中利用UDF自定义函数模拟超声波，对流体动力学方程进行求解。通过仿真对加载超声波的非定常流道中不同时刻时流体的压力、速度及湍动能的分布与未加载超声波的定常流道中相应的参数进行对比分析，分析结果表明，超声波激振具有挠动湍流场的作用，改变了湍动能的分布，为下一步对软性磨粒流超声强化观测实验奠定了理论依据。 (4)针对仿真结论中图像并不明显的情况，利用数字图像处理工具箱中的对仿真图像进行亮度变化、图像增强、边缘提取，得到大致仿真轮廓图，结合Bwmorph等功能函数对轮廓图进行降噪、去毛刺，得到完整的空化泡区域在生长、长大以及撞击壁面的清晰轮廓，进一步证明了超声波激振对软性磨粒流湍流的影响。 (5)基于上述的数值模拟及图像处理后的结论，采用sic、水等混合溶液作为软性磨粒流加工溶液，利用PIV高速摄像机对软性磨粒流透明的观测流道进行观察，得到加载超声波的软性磨粒流流道中的空化现象，进一步运用区域分析法得到整个观测区域的流场的速度矢量、涡量分布等信息，证明了在加载超声波激振对软性磨粒流流道的影响 (6)基于上述仿真和PIV观测实验结论，搭建软性磨粒流加工实验平台，根据软性磨粒流加工流道设计相应的约束模块，进行了有无加载超声波的软性磨粒流加工对比实验。实验结果表明，在约束流道中加载超声波激振确实能够提高加工效率和加工精度，在加工的高效去能够抑制过加工现象。在加载超声的局部区域能够达到湍流调控以及去除加工死角的目的。并且实验结果与上述数值模拟及PIV观测实验结果相一致。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的来源

1．2 课题研究背景及研究意义

1．3 流体光整加工强化方法的研究现状

1．3．1 光整加工方法及研究现状

1．3．2 流体光整加工方法及研究现状

1．3．3 软性磨粒流加工方法的提出及其研究现状

1．4 超声强化方法的研究现状

1．4．1 超声强化理论研究

1．4．2 超声强化数值模拟研究

1．5 本论文的主要研究内容

第2章 软性磨粒流加工机理及湍流流场的数学模型

2．1 引言

2．2 软性磨粒流的切削机理

2．3 湍流场的数学模型

2．3．1 湍流的基本方程

2．3．2 湍流模型的描述及选择

2．4 本章小结

第3章 软性磨粒流超声场与流场相耦合的模型

3．1 引言

3．2 超声波在媒介中的传播及能量

3．2．1 流体中的声速

3．2．2 流体中的波动方程

3．2．3 流体中的主要波形

3．3 超声波基本原理的阐述和空化效应影响的分析

3．3．1 超声波激振模型

3．3．2 超声波空化场的影响因素

3．4 软性磨粒流加载超声波激振的简化模拟方式

3．4．2 空化效应的分析及其湍流模型的修正

3．5 本章小结

第4章 软性磨粒流超声强化数值模拟研究

4．1 引言

4．2 建立理想模型

4．3 网格的划分及其相关参数的设置

4．4 数值模拟的结果及分析

4．4．1 定常流道内的数值模拟结果

4．4．2 速度场分布的对比分析

4．4．3 湍动能分布的对比分析

4．5 本章小结

第5章 仿真图像边缘检测及轮廓提取

5．1 引言

5．2 边缘检测的基本理论

5．2．1 边缘估计器

5．2．2 膨胀和腐蚀

5．2．3 开运算和闭运算

5．2．4 连接分量

5．3 对仿真图像进行轮廓提取

5．4 本章小结

第6章 PIV实验研究分析超声强化机理

6．1 引言

6．2 软性磨粒流空化现象观测实验台

6．3 PIV观测实验

6．4 本章小结

第7章 软性磨粒流加工系统及实验验证

7．1 引言

7．2 加载超声波激振的软性磨粒流加工系统及加工装置

7．2．1 整体加工系统

7．2．2 加载超声波激振的装置

7．3 软性磨粒流流体的配置

7．4 加工实验及绘制粗超度曲线

7．3 加工工件拍摄

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 结论

8．1．1 结论成果

8．1．2 论文特色与创新点

8．2 未来工作的展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果