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金属材料慢拉伸试验机功率设计研究

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摘要

第一章绪论

1．1课题背景与意义

1．2研究现状

1．3论文主要研究内容

第二章分子动力学模拟理论基础

2．1分子动力学模拟简介

2．2分子动力学模拟基础

2．3 MD模拟流程与程序设计

2．4分子动力学模拟软件环境

2．5本章小结

3．1引言

3．2慢拉伸仿真模型方案设计

3．3模拟结果与分析

3．4本章小结

4．1引言

4．2慢拉伸试验平台方案设计

4．3慢拉伸试验平台关键部件选型与设计

4．4慢拉伸试验平台控制系统设计

4．5本章小结

5．1引言

5．2慢拉伸试验方案设计

5．3慢拉伸实验结果与数据分析

5．4慢拉伸理论模拟与实验对比分析

5．5功率关系拟合分析

5．6本章小结

第六章结论与展望

6．2展望

参考文献

致谢

个人简介

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摘要

飞行器、航天飞机等设备在正常工作中常受到一定的拉伸应力的作用，当经过一段时间后，常会出现零部件被拉长变薄的情况，尤其是在腐蚀环境中的金属制品，在腐蚀介质与载荷的共同作用下，会使材料出现不同于传统脆断形式的应力腐蚀断裂，为了安全可靠地选用金属材料，就必须测定这些材料在慢拉伸作用下的力学性能。可见，材料在慢拉伸作用下的力学性能对航天飞机、石油炼制装置等机械设备设计的可靠性以及使用寿命具有十分重要的影响。而材料的慢拉伸实验需要借助于慢拉伸试验机来完成，现有的慢拉伸试验机存在电机功率设计不明确，恒定速率运行不稳定，控制方式单一，自动化、智能化程度低等问题，这些问题又严重影响了材料慢拉伸力学性能测定的准确性。
　　针对慢拉伸试验机中电机的功率设计问题，本文使用分子动力学的方法模拟铝试样的慢拉伸过程，从微观角度研究铝材料在慢应变速率作用下的破坏机理，并且依据PLC控制器发送脉冲的方式控制伺服电机的基本原理自行设计慢拉伸试验平台，从而实现所需应变速率的慢拉伸运动，最终依据MD模拟以及慢拉伸试验获取的实验数据，采用数据拟合的方法对实验和模拟结果进行对比分析，探索试样截面尺寸与消耗功率之间可能存在的对应关系。获得的研究结果如下:
　　(1)金属铝慢拉伸塑性变形的实质是金属铝原子逐步发生滑移的结果，该过程伴随着能量的消耗与释放。
　　(2)慢拉伸试验平台利用PLC控制器给伺服电机发送脉冲，同时电机又通过编码器连接线向驱动器输出脉冲，从而与输入脉冲构成闭环回路，实现电机的精准控制。当设定PLC每秒发送10000个脉冲后，慢拉伸试验平台能够实现6.94×10-4s-1的缓慢应变速率运动。
　　(3)慢应变速率下获得的金属铝的力学性能与正常速率获得的力学性能存在较大差异，当拉伸速率由6.7×10-3s-1降到6.94×10-4s-1后，由于金属铝对应变速率的变化不太敏感，其屈服强度、抗拉强度变化不明显，而达到抗拉强度时的应变则由0.227增加到0.281，增加了23.97％。针对不同截面尺寸对拉伸时功率消耗的影响，不同拉伸速率和不同截面尺寸对试验机的启动功率影响较小，而试验平台整体的功率设计不仅需要考虑拉伸试样变形所需要的功率损耗，还需要考虑拉伸过程中从电机到夹头的中间传递环节由于阻力而造成的功率损耗。在整个慢拉伸过程中，MD模拟和慢拉伸实验得出的截面尺寸与功率需求之间的变化规律基本一致，即慢拉伸过程消耗的功率随试样截面尺寸的增加而不断增加，最大需求功率与截面尺寸满足的关系式为P0.5=-3.052+6.072d，而金属铝试样截面尺寸与试验机总需求功率之间具体的解析关系，由于试验机中间阻力的影响，还需要进一步地研究分析。

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