本文關鍵詞：機床用鉬纖維增強人造花崗石復合材料力學性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,我國在機床結(jié)構(gòu)設計和控制系統(tǒng)開發(fā)方面日趨成熟,但機床基礎構(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)過程對環(huán)境污染比較嚴重,制備周期較長,不符合綠色制造的發(fā)展趨勢,并且其阻尼減振性能接近極值,在動態(tài)性能及熱穩(wěn)定性方面已不能滿足高速、高精密加工技術要求。因此,研究開發(fā)阻尼減振性能優(yōu)良的新型機床構(gòu)件材料已迫在眉睫。人造花崗石復合材料是以天然花崗石等無機礦物為骨料,以有機樹脂作為粘合劑,通過聚合反應固化成型的一種新型聚合物基多相體材料,其突出特點是阻尼減振性好、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床、激光、電子、醫(yī)療等設備的基礎構(gòu)件。但人造花崗石復合材料的力學強度遠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用。本文以鉬纖維作為增強相制備了鉬纖維增強人造花崗石復合材料,采用理論分析、實驗研究及數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法,以鉬纖維-環(huán)氧樹脂基體復合材料為研究體系,以提高人造花崗石復合材料抗壓、抗彎強度為研究目標,系統(tǒng)研究了復合材料在不同受力狀態(tài)下的界面應力傳遞及分布機制,深入分析了基體性能、纖維性能、纖維細觀結(jié)構(gòu)特征等對復合材料細觀及宏觀力學性能的影響,研究開發(fā)出性能優(yōu)良的鉬纖維增強人造花崗石復合材料。并以精密雕銑機床床身為例進行有限元模擬,對比研究人造花崗石復合材料床身和鑄鐵床身的靜、動態(tài)性能,驗證了采用人造花崗石復合材料制造機床基礎構(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)下的細觀力學模型,推導出復合材料在不同受力狀態(tài)時纖維軸向應力以及界面剪應力的計算公式；探討鉬纖維細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對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)下纖維埋置長度、纖維體積率和局部脫粘狀態(tài)下纖維脫粘長度對纖維軸向平均應力和界面剪應力分布規(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)下界面剪應力隨著纖維埋置長度的增大而減��；纖維軸向平均應力隨著纖維體積率的增加而增加,當體積率增大到一定程度時,界面的脫粘破壞發(fā)生在纖維的埋置端而不是拔出端。纖維脫粘長度越大,脫粘界面尖端所承受的剪應力越小,界面越容易發(fā)生脫粘擴展現(xiàn)象。(2)制備樹脂澆注體標準拉伸試樣研究環(huán)氧樹脂固化劑不同質(zhì)量配比時固化物的力學性能,分析不同的質(zhì)量配比對鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度、潤濕性能以及人造花崗石復合材料力學強度的影響；基于潤濕理論建立界面粘結(jié)強度與粘附功的關系；實驗測試人造花崗石復合材料試樣上典型測點在任意載荷作用下的應變值,并通過有限元分析驗證實驗結(jié)果的正確性。隨著樹脂固化劑配比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r=4時樹脂對鉬纖維的潤濕性能最優(yōu)。樹脂基體的拉伸強度、拉伸強度下應變以及拉伸斷裂應力隨著配比r的增大先逐漸增大,在r=4時達到最大值；隨后逐漸降低,在r=7時達到最小值。鉬纖維-基體的界面粘結(jié)強度和人造花崗石復合材料的抗壓、抗彎強度隨著配比r的增大都是先增大后減小,當r=4時力學性能最優(yōu)。(3)基于不同的纖維表面處理工藝,對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、纖維表面性能對鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度、界面潤濕性能以及人造花崗石復合材料力學強度的影響；建立了界面粘結(jié)強度與粘附功的關系方程,二者可用Boltzmann分布函數(shù)進行定量表征；通過數(shù)值模擬對比分析新、舊鉬纖維在強界面和弱界面結(jié)合狀態(tài)下對樹脂基體的增強效果。相對于新鉬纖維,表面改性后的鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度、纖維表面自由能以及對人造花崗石復合材料的增強效果均有不同程度的提高。其中,經(jīng)復合處理(酸化+氣相氧化+偶聯(lián))的鉬纖維增強人造花崗石復合材料綜合力學性能最優(yōu)。舊鉬纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)強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)下強界面結(jié)合時基體性能優(yōu)于弱界面結(jié)合。(4)基于異形鉬纖維的受力特點構(gòu)建其拉拔理論模型,推導出各種字母形異形纖維最大拉拔載荷的通用計算公式；通過單纖維拉拔實驗獲取纖維外形對鉬纖維-樹脂基體界面粘結(jié)強度的影響規(guī)律,根據(jù)輸出的拉拔載荷-位移曲線對普通直線形纖維與異形纖維的拉拔脫粘過程進行分析和比較；系統(tǒng)研究纖維含量、纖維形狀對人造花崗石復合材料力學強度的影響,并通過有限元仿真對比分析異形纖維對樹脂基體的增強作用。結(jié)果表明,異形鉬纖維與樹脂基體的界面粘結(jié)強度明顯高于普通直線形鉬纖維,其對人造花崗石復合材料的增強效果優(yōu)劣排序為：M形N形U形V形。隨著纖維含量的增加,鉬纖維增強人造花崗石復合材料的抗壓和抗彎強度都是先增大后減小,當纖維含量為1.2%時強度達到最大值。有限元分析結(jié)果驗證了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)精密雕銑機床的實際工況完成床身設計和受力分析；基于建立的鑄鐵與人造花崗石復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力分布；基于靜力學仿真結(jié)果對人造花崗石復合材料床身進行結(jié)構(gòu)改進和優(yōu)化；通過有限元分析獲得對應床身的模態(tài)振型、固有頻率及幅頻響應曲線,并根據(jù)動態(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精密雕銑機床床身的動態(tài)特性影響較大,應有針對性地對床身前端部位進行局部強化。優(yōu)化后人造花崗石復合材料床身在X、Y、Z三個方向的最大振幅值均遠小于鑄鐵床身,平均降低約89.1%,其動態(tài)性能顯著優(yōu)于鑄鐵材料床身。
【關鍵詞】：復合材料 增強 界面粘結(jié)強度 鉬纖維 有限元分析
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG502.4;TB33
【目錄】：

• 摘要15-18
• Abstract18-23
• 主要符號表23-25
• 第1章 緒論25-45
• 1.1 問題的提出25
• 1.2 人造花崗石復合材料的特點及研究現(xiàn)狀25-29
• 1.2.1 人造花崗石復合材料的特點25-26
• 1.2.2 國外研究現(xiàn)狀26-28
• 1.2.3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀28-29
• 1.3 鉬纖維增強人造花崗石復合材料的組分構(gòu)成與制備工藝29-35
• 1.3.1 骨料系統(tǒng)29-31
• 1.3.2 樹脂系統(tǒng)31-34
• 1.3.3 增強纖維34-35
• 1.3.4 鉬纖維增強人造花崗石復合材料的制備工藝35
• 1.4 人造花崗石復合材料力學性能表征35-42
• 1.4.1 細觀力學性能表征36-40
• 1.4.2 宏觀力學性能表征40-42
• 1.5 課題來源、研究意義及主要研究內(nèi)容42-45
• 1.5.1 課題來源42
• 1.5.2 研究意義42
• 1.5.3 主要研究內(nèi)容42-45
• 第2章 人造花崗石復合材料界面應力傳遞機制45-61
• 2.1 引言45
• 2.2 人造花崗石復合材料界面作用機理45-47
• 2.3 埋置狀態(tài)下的鉬纖維-基體應力傳遞機制47-52
• 2.3.1 理想鉬纖維增強基體應力傳遞和軸向彈性模量預測47-50
• 2.3.2 考慮纖維末端應力的鉬纖維增強基體應力傳遞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-基體應力傳遞機制52-59
• 2.4.1 鉬纖維粘結(jié)/脫粘時的應力分布53-56
• 2.4.2 纖維細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對應力分布的影響56-59
• 2.5 本章小結(jié)59-61
• 第3章 基體對人造花崗石復合材料力學性能影響61-91
• 3.1 引言61
• 3.2 界面粘結(jié)強度測試方法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 纖維臨界長度斷裂法63-64
• 3.3 潤濕理論及表征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 實驗方法67-74
• 3.4.1 粘附功測試67-68
• 3.4.2 基體單軸拉伸力學性能測試68-70
• 3.4.3 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度測試70-71
• 3.4.4 鉬纖維增強人造花崗石力學強度測試71-73
• 3.4.5 鉬纖維增強人造花崗石試樣典型測點載荷-應變測試73-74
• 3.5 結(jié)果與分析74-89
• 3.5.1 樹脂固化劑配比對基體力學性能的影響74-78
• 3.5.2 樹脂固化劑配比對潤濕性的影響78-80
• 3.5.3 樹脂固化劑配比對界面粘結(jié)性能的影響80-82
• 3.5.4 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度與粘附功關系初探82-83
• 3.5.5 樹脂固化劑配比對人造花崗石復合材料力學性能影響83-85
• 3.5.6 不同固化劑含量鉬纖維增強人造花崗石載荷-應變分析與仿真85-89
• 3.6 本章小結(jié)89-91
• 第4章 纖維表面性能對人造花崗石復合材料力學性能影響91-119
• 4.1 引言91
• 4.2 表面處理對鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能的影響91-97
• 4.2.1 酸化處理對鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能影響92-93
• 4.2.2 氣相氧化處理對鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能影響93-95
• 4.2.3 偶聯(lián)處理對鉬纖維結(jié)構(gòu)和性能影響95-97
• 4.3 實驗方法97-98
• 4.3.1 新、舊鉬纖維表面粗糙度的測試97-98
• 4.3.2 粘附功測試98
• 4.3.3 單根鉬纖維抗拉強度測試98
• 4.3.4 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度測試98
• 4.3.5 鉬纖維增強人造花崗石復合材料力學強度測試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 纖維表面性能對潤濕性影響100-103
• 4.4.3 纖維表面性能對拉伸強度影響103
• 4.4.4 纖維表面性能對界面粘結(jié)性能的影響103-108
• 4.4.5 鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度與粘附功關系分析108-109
• 4.4.6 纖維表面性能對人造花崗石復合材料力學性能影響109-111
• 4.5 新、舊鉬纖維增強基體有限元分析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 纖維形狀對人造花崗石復合材料力學性能影響119-139
• 5.1 引言119
• 5.2 纖維形狀分類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算121-122
• 5.3.3 計算結(jié)果與分析122-123
• 5.4 異形鉬纖維-基體界面粘結(jié)強度實驗研究123-127
• 5.4.1 實驗材料123-124
• 5.4.2 試樣制備及測試124
• 5.4.3 實驗結(jié)果與分析124-127
• 5.5 鉬纖維拉拔脫粘過程127-131
• 5.5.1 直線形鉬纖維拉拔脫粘過程127-129
• 5.5.2 異形鉬纖維拉拔脫粘過程129-131
• 5.6 異形鉬纖維增強人造花崗石復合材料力學性能研究131-135
• 5.6.1 異形鉬纖維增強人造花崗石復合材料強度測試131-132
• 5.6.2 實驗結(jié)果與分析132-135
• 5.7 異形鉬纖維增強基體有限元分析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床床身靜動態(tài)性能分析及優(yōu)化139-165
• 6.1 引言139
• 6.2 精密雕銑機床床身設計139-141
• 6.3 精密雕銑機床床身受力分析141-144
• 6.3.1 工件-工作臺-導軌受力分析141-142
• 6.3.2 橫梁-立柱受力分析142-144
• 6.3.3 龍門座螺栓組連接受力分析144
• 6.4 人造花崗石精密雕銑機床床身靜力學分析及結(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 靜力學仿真結(jié)果及分析145-149
• 6.4.3 人造花崗石復合材料床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化149-152
• 6.5 人造花崗石精密雕銑機床床身動態(tài)性能分析152-163
• 6.5.1 精密雕銑機床床身模態(tài)分析153-158
• 6.5.2 精密雕銑機床床身諧響應分析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167
• 7.3 展望167-169
• 參考文獻169-181
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的學術論文181-183
• 攻讀博士學位期間的發(fā)明專利及獲獎情況183-185
• 致謝185-187
• 附錄：已發(fā)表英文文章187-200
• 學位論文評閱及答辯情況表200

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 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];材料導報;2014年12期

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

3 張鴻;宋迎東;;陶瓷基復合材料單纖維拔出力學分析[J];航空動力學報;2007年11期

4 楊叔子,吳波;先進制造技術及其發(fā)展趨勢[J];機械工程學報;2003年10期

5 朱樂平;;混凝土在機床構(gòu)件中的應用[J];機械制造;1991年05期

6 榮烈潤;;非傳統(tǒng)材料在機床工具業(yè)中的應用[J];新技術新工藝;1991年02期

中國碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

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

  本文關鍵詞：機床用鉬纖維增強人造花崗石復合材料力學性能研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：301896