雷向阳[1]2003年在《高围压下前混合磨料射流的切割机理及实验研究》文中研究表明高压水射流作为目前唯一的一种冷切割加工方式在各行各业得到了日益广泛的应用，前混合磨料射流可以切割材质的种类相当多。随着海洋开发力度的加大，水下切割作为一门新型水下成形加工技术开始得到研究和发展。然而，前混合磨料射流在高围压下的实验和理论研究甚少，针对这一情况，进行了该项研究。本文主要围绕如何优化高围压下前混合磨料射流各切割参数，从而提高前混合磨料射流在高围压下的切割性能和工作效率，研究的内容包括：高围压下前混合磨料射流的穿透特性、切割及冲蚀机理研究，高围压模拟实验装置设计和高围压下前混合磨料射流的切割实验研究。通过理论分析和实验研究，得出的主要结论如下：① 在围压下，随着围压的增加，环境介质密度随之增加，空化效果减弱；随着的增加，衰减系数增加，环境介质对射流的阻力增强，导致射流轴线速度呈指数衰减，降低了围压下射流轴心动压，减小了射流核长度，降低了射流的切割和冲蚀性能。② 前混合磨料射流在围压3.3MPa、5.3MPa和8.6MPa下的有效靶距喷嘴直径比Sv/d为8.3、5和3.3。随着围压Pw的增加，有效靶距与喷嘴直径比Sv/d呈指数衰减。③ 前混合磨料射流在高围压下切割时，对于切割一定的深度，开始的几次（4～8次）切割起主要作用，这与在空气中切割的情况类似。④ 在高围压下前混合磨料射流的切割深度随喷嘴横移速度的增加呈幂指数衰减，最佳横移速度为4～6mm/s。⑤ 随着围压的增加，切割深度衰减较快，切割性能有非线性减小的趋势，对于不同靶距其衰减规律类似。本文在研究高围压下（围压达10MPa）前混合磨料射流的切割性能方面有所创新，丰富了前混合磨料射流的切割冲蚀机理，对拓宽水射流的应用领域具有重要意义，同时为前混合磨料射流在水下营救和打捞作业、水下修理、水下岩石取样、石油钻井、海上平台的拆卸、航船的水下作业和海洋工程等方面的深入应用奠定一定的理论和实验基础。
廖勇[2]2003年在《高围压下磨料水射流切割的模糊建模和实验研究》文中研究表明在海洋开发和水下工程技术的迅速发展中，深水磨料水射流切割技术(高围压环境条件下磨料水射流切割技术)的应用在国外已比较成熟，而在国内尚处于实验研究阶段。 本文对围压环境条件下，磨料水射流的切割机理和模型进行了比较系统的分析研究；针对高围压环境条件，建立了磨料水射流切割的ANFIS模糊模型结构；同时利用自行设计的高围压环境条件模拟实验装置设备，系统分析研究了高围压环境条件下磨料水射流切割性能与各参数变量的关系和规律，以及不同围压对磨料水射流切割性能的影响。 通过理论分析和实验研究，得出如下主要结论： ① 对于液固两相流动，紊流扩散作用不但表现为其质点之间的动量交换，而且还表现为液相与固相介质之间的动量传递，是固相介质获得动能的主要机制。 围压环境条件下，由于衰减系数ξ的存在，使得射流在围压环境条件下的轴线速度呈指数衰减，而衰减系数ξ是由围压下环境介质对射流的阻力引起的。 在高围压环境条件下的射流轴心动压力明显要比在非围压下的衰减快得多；高围压环境条件下的靶距对动压损失是一个非常重要的因素。 ② 磨料水射流切割是一种流态磨削切割过程，磨料水射流随切割深度增加而出现偏转和分离，靶体物料被切割断面上部为平滑切割区，下部为变形冲蚀磨削区。断面形貌受切割过程参数变量影响呈周期循环变化。 ③ 基于ANFIS的模糊建模软件平台，在高围压环境条件磨料水射流模拟实验装置得出的已知数据基础上，根据选定的输入与输出主变参数变量和获取的样本数据，建立了高围压环境条件下磨料水射流切割模型结构。 通过验证模糊模型输出与实验值的对比，可以看到基于ANFIS的模糊模型结构输出能够较好地拟和表征实验数据的规律和趋势。本模糊模型结构是在高围压环境条件模拟实验装置的大量实验数据基础上，并根据比较实际的参数变量设定需求而建立的基于ANFIS切割模糊模型结构，与传统的回归经验模型相比，具有较高的准确性、可靠性和容错性。 ④ 磨料水射流在高围压环境条件下，随着靶距喷嘴直径比S／d的增加，切割深度H呈分段减小趋势，即存在一个有效靶距喷嘴直径比Sv／d。而且，随着围压的增加，磨料水射流的总体切割能力也呈比较大的下降趋势。重庆大学博士学位论文 ⑤磨料水射流在高围压环境条件下重复切割时，开始的几次(4一8次)切割起主要作用。但无论是磨料水射流或是纯水射流，围压下或是非围压下，切割次数n对切割深度H的影响规律基本上都是相同的。 ⑥磨料水射流在高围压环境条件下，兼顾切割效率和切割效果，最佳的射流横移速度v应在4一7m耐s之间选取比较合适。 ⑦磨料水射流在高围压环境条件下，随着磨料浓度m。的增加，磨料水射流的冲击切割能力得到增强，切割深度H也随之增大。围压Pe越高，切割深度H随着磨料浓度二。增加的幅度，相对来说就要小得多。这一点尤其对海洋深水工程中磨料水射流切割技术的应用非常重要。 ⑧在高围压环境条件下，磨料水射流的系统压力(即喷嘴喷射压力)直接反映了磨料水射流的初始喷射速度。当磨料水射流的系统压力超过了该门限压力后，切割深度H随着系统压力p的升高而呈明显的线性升高的关系。 ⑨磨料水射流在高围压环境条件下，靶距喷嘴直径比s/d小于有效靶距喷嘴直径比Sv/d时，随着围压的增加，切割深度衰减较快;而在靶距喷嘴直径比￡心超过有效靶距喷嘴直径比Sv/d后，随着围压p。的增大，切割深度H减小的幅度变缓，且切割深度H也普遍小得多。 本文研究的创新之处:一是系统分析研究了高围压环境条件下磨料水射流切割性能与各参数的关系和规律，以及不同围压对磨料水射流切割性能的影响;二是针对高围压环境条件，建立了磨料水射流切割的ANFIS模糊模型结构，从而对于实际磨料水射流装置设备的工艺参数优化选择、材料加工规律的数值计算机仿真模拟，以及在磨料水射流装置设备的智能化控制系统的研究方面，提供了广阔的应用前景。
向文英[3]2007年在《淹没射流中磨料与空泡的相互关系研究》文中进行了进一步梳理为满足海洋资源的开发与水下切割的需要,空化水射流与磨料射流得到不断的发展。同时,含砂水流通过各种水力机械(如水泵、水轮机等)、水工建筑时存在严重的空蚀现象有待研究,固、液、气多相流动的研究也很不完善。目前国内外对淹没环境下磨料射流中磨料与空泡的相互关系的研究还处于空白。本文从理论上系统地分析了淹没射流中磨料与空泡的相互关系,以及磨料射流的空蚀特性,实验研究了纯水空化射流和含有空泡的磨料射流的岩石破碎性能。得到以下重要结果:①通过对空泡的运动特性研究,建立了磨料射流的空泡运动方程。在单颗粒磨料受力分析基础上,建立了磨料群的运动方程。给出了空泡溃灭历时随磨料浓度、流场压力的变化,以及给出了磨料颗粒速度分布规律。②按微观运动理论,分析了含有空泡的磨料射流运动特性,建立了空泡、磨料、水体各相分别满足的动量方程。数值模拟和分析了淹没磨料射流的流场和压力场。得到:颗粒相速度比水相减少,颗粒相最大滞止压强较水相增加。研究了含有空泡的磨料射流的紊动特性、出流特性、和空化特性。指出,相同条件下含有空泡的磨料射流的空化数较纯水空化射流大,磨料射流的空化能力有所降低。纯水空化射流主要依靠空泡溃灭作用使靶体破坏,含有空泡的磨料射流则是磨料的磨损与空蚀两者共同作用使得靶体破坏。纯水空化射流的空泡溃灭压强略大于含有空泡的磨料射流。③在纯水空化射流与低浓度的磨料射流中,空泡云的发育过程经历了空泡云的膨胀、压缩、再膨胀、压缩、溃灭的几个过程。纯水空化射流产生的空泡云长度随泵压增加而增加;随着围压的增加,空泡云长度存在一最优围压。低浓度的磨料射流中,空泡云长度随着泵压增加先扬后抑;随着围压增加,空泡云长度出现不稳定性。④实验研究表明,在相同泵压时,文丘里型空化喷嘴产生的空化射流比普通收缩喷嘴具有更强的冲蚀能力,对砂岩的深度冲蚀能力平均是普通射流的2倍;质量冲蚀能力平均是普通射流的7倍;切缝直径是普通射流的2.3倍。对于含有空泡的磨料射流,围压增加空化噪音减少,泵压增加空化噪音增加;有效靶距直径比增加,对花岗岩的冲蚀深度与冲蚀质量存在一最优有效靶距直径比;在最佳冲蚀时间下,较纯水空化射流工作效率提高2倍。随泵压的增加,对花岗岩的冲蚀质量、冲蚀深度增加;随围压的增加,冲蚀质量、冲蚀深度减少,最优围压与纯水空化射流相同。本研究的主要创新之处在于:通过分析研究淹没状态下磨料射流中磨料与空泡的相互关系,建立了磨料射流的空泡运动方程和磨料群的运动方程;按微观运动理论建立了含有空泡的磨料射流的动量方程;给出了含有空泡的磨料射流的空化数变化规律,以及空泡溃灭压强的范围。这对含有空泡的磨料射流在深海深水中的应用奠定理论和实验基础。
张凤莲[4]2009年在《磨料水射流切割工程陶瓷机理及关键技术的研究》文中提出工程陶瓷不易被氧化、具有耐腐蚀、耐高温和耐磨损等优良性能。随着加工技术的发展,它有着替代其它材料的可能性,但工程陶瓷又是硬脆难加工的材料,采用传统的加工方法,使其加工成本高,加工效率低,加工质量不理想,并且有特殊形状要求的产品很难加工完成,限制了它的应用范围。对于工程陶瓷而言,磨料水射流(AWJ)加工是经济有效的非传统加工技术,它没有热、电和化学反应过程,在工件内不产生冶金、化学或物理特性的变化。可以加工出优质高效具有特殊性能的新型工程陶瓷产品。使其广泛应用于机械、电子、航空航天、国防工业、生物工程等领域。目前我国在磨料水射流切割工程陶瓷机理及关键技术方面的研究还很不充分,国内磨料水射流设备主要靠进口。此外由于缺少对磨料水射流切割机理的深入研究,引进设备的性能没有得到充分利用,加工产品的质量、效率及成本都与发达国家有相当大的差距。因此,本文研究成果的实施和进一步推广,会提高工程陶瓷产品的加工能力和扩大工程陶瓷的应用领域,对改善国内磨料水射流加工现状具有重要的现实意义。本文在实验的基础上,结合计算机仿真技术,对磨料水射流切割工程陶瓷机理及关键技术进行了深入研究。1.概述了工程陶瓷特殊加工技术和磨料水射流切割技术及其理论研究领域的最新发展。分析了磨料水射流切割工程陶瓷的关键技术,阐明了本文研究的目的和意义。2.应用两相流理论,分析磨料水射流的混合机理和流动特点,建立冲击力模型,进一步研究磨料水射流切割工程陶瓷,得出其切割机理是,磨料水射流喷射到工程陶瓷上,产生强大的冲击力,破坏陶瓷表面,形成微裂纹。水进入微裂纹形成水楔作用,在裂纹尖端拉应力集中;带有锋利棱角的磨粒对陶瓷进行微切削;液固两相高能束流对陶瓷产生强烈的冲蚀作用。在这几方面的作用下,裂纹进一步扩展,形成切槽。3.采用不同的工艺参数组合,用磨料水射流对几种常用工程陶瓷进行切割实验。研究分析了射流压力、磨料水喷嘴横移速度、靶距、磨料流量等工艺参数对切割效率和切割质量的影响。4.以理论为基础,应用实验数据得出模糊推理规则,建立了模糊控制模型。这个特殊的模糊控制模型可以预测在任何给定一组加工参数时,磨料水射流切割工程陶瓷材料可获得的切割深度。在给定切深的条件下,遗传算法结合模糊模型可以自动确定磨料水射流切割多种材料时的最佳参数组合。5.磨料水射流在磨料水喷嘴内流动时,对磨料水喷嘴会造成磨损,本文对磨损因素进行分类和确定。分别在实验和模拟仿真两种情况下,研究磨料水喷嘴的磨损规律,优化磨料水喷嘴结构。在实验的基础上研究了磨料水喷嘴的材料与加工工艺,提出了磨料水喷嘴国产化的途径。通过对磨料水射流理论的研究,为我国磨料水射流设备的设计和开发提供理论参考,通过实验得到的实验数据为生产磨料水射流系统中的关键部件提供设计参数。通过对工艺参数的研究,有效地利用各切割参数,达到切割效率和切割质量的最佳结合。基于混合策略优化工艺参数,节省了大量的实验工作,得到最佳切割效果。本文应用Fluent软件对磨料水喷嘴内部结构进行仿真,优化磨料水喷嘴结构,选用WC—Co粉末为磨料水喷嘴材料,用冷等静压压制喷嘴毛坯,用真空烧结成型。采用数控电火花高速穿孔机床加工磨料水喷嘴内部结构,加工出磨料水喷嘴内孔后,采用“挤压珩磨”加工,研制出的磨料水喷嘴与进口磨料水喷嘴相比,成本节省了50%。
吴逾强[5]2011年在《高压磨料射流切缝特性实验研究》文中提出磨料射流经过30多年的发展,目前已走向了高压力、高精度、高智能的切割方式。Flow公司目前已可提供630MPa稳定工作压力的切割系统,OMAX公司的切割精度最高可达±0.025mm,他们采用先进的智能软件与五轴切割系统,都可以快速轻松地制造精密工件。我国的磨料射流切割技术与欧美发达国家相比还有较大的差距,对于严重影响切割精度的切面锥度、后拖量还无法做出精确的补偿。本文以补偿切面锥度、后拖量为目标,系统地研究了在高压磨料射流切割过程中压力、磨料流量、切割速度、厚度四种参数对切面锥度、后拖量的影响,并进行了大量的实验,使用精密仪器对切缝表面特性数据进行采集。这些数据将为实际的工艺参数选择提供可靠的依据,并为将来建立精确补偿模型提供详实的数据资料。
徐凯[6]2015年在《淹没式自激振脉冲磨料水射流脉冲特性及切割试验研究》文中提出本文将自激振脉冲磨料水射流技术应用于深海环境下的沉船切割开孔,为提升我国海洋救助打捞装备水平具有重要意义。自激振脉冲磨料水射流技术是在自激振脉冲射流和磨料水射流的基础上发展而来的,它同时具有脉冲射流的脉冲特性和磨料水射流的破坏性。本文通过管系水锤现象分析了自激振脉冲射流产生脉动的根本原因是由于外界激励产生周期性的的压力扰动波；利用流体网络理论推导出赫姆霍兹式振荡腔腔体结构参数与自激振脉动频率之间的关系式；通过FLUENT软件仿真模拟了深海围压对自激振脉冲射流的流场的影响；搭建了自激振脉冲射流动压测量试验台,用于分析自激振脉冲喷嘴的结构参数和产生射流的水力参数对射流动压的影响；同时搭建了自激振脉冲磨料水射流切割试验系统,用于分析自激振脉冲磨料水射流的切割能力。通过理论研究、仿真分析和试验,本文得到以下结论：(1)赫姆霍兹振荡腔的固有频率与腔体结构参数有关。当射流在自激振腔体内产生的扰动波频率与腔体固有频率一致时,会产生大尺度的涡环结构,从而产生自激振脉冲射流。(2)通过仿真发现,自激振脉冲磨料水射流中各相的出口速度随深水围压的增大而减小,而且水相的速度比磨料相的速度要大。(3)通过试验发现,组合式自激振脉冲喷嘴产生的射流动压随时间呈周期性变化,组合式自激振脉冲喷嘴最佳的上下喷嘴直径比为1-1.33,自激振腔的长径比为0.66。(4)通过切割试验对比发现,磨料粒子对靶体的磨削作用占主要地位,同时磨料粒子对喷嘴的磨损十分严重,喷嘴材料有待提高。
王琦[7]2010年在《水下高压射流喷嘴仿真分析与搭载机具设计》文中研究表明使用高压水磨料射流切割海底管道配重层机具的研究对于海洋石油工业有着重要的意义。与现有切割设备相比,磨料射流切割具有高效率、安全性好和故障率低等优势。目前一些国家已经研制出系列化产品,并且已经应用在实际生产中十数年,但国内研究较少,也没有相应的水下切割机具。本文的主要目的是研究设计一种可以在海底使用高压水磨料射流切割海底管道混凝土配重层的搭载机具,并对用于水下切割的磨料喷嘴进行了模拟仿真,对其内部构造进行优化。课题研究的主要方法和过程如下：分析了水下磨料射流切割混凝土和钢丝网的方法,并对影响射流切割的主要参数进行了分析计算,包括流体参数、靶距和工作参数等,为设计机具提供了理论依据；通过CFD软件对100m水深条件下,采用单因素法对喷嘴各个重要参数进行模拟仿真,综合各个方面因素的影响,最终确定了淹没条件下磨料喷嘴的结构。分析水下高压水磨料射流如何完成对海底管道混凝土配重层的切割。首先,在一定参数条件下,破碎混凝土；然后改变参数,对钢丝网进行剪切。高压射流机具的结构设计。射流机具上布置有各种液压控制和执行元件,主体结构主要有叁个部分组成：轴向行走机构、环向行走机构、高压喷头系统。综合考虑各种要求的基础上设计了一种高压水切割用磨料喷头,并对一些尺寸参数进行了分析。根据水下高压水磨料射流切割机具的设计要求,进行了总体方案研究,提出了切割机具的总体设计方案,分析了工作原理。在总体方案的基础上对主机机械、液压系统进行了方案的设计。对高压水磨料射流切割机具的主体结构进行了研究,包括：系统的静力学分析和关键部件的有限元分析(喷头体、夹紧杆和环形导轨)。为进一步优化设计结构提供了理论依据。
参考文献：
[1]. 高围压下前混合磨料射流的切割机理及实验研究[D]. 雷向阳. 重庆大学. 2003
[2]. 高围压下磨料水射流切割的模糊建模和实验研究[D]. 廖勇. 重庆大学. 2003
[3]. 淹没射流中磨料与空泡的相互关系研究[D]. 向文英. 重庆大学. 2007
[4]. 磨料水射流切割工程陶瓷机理及关键技术的研究[D]. 张凤莲. 大连交通大学. 2009
[5]. 高压磨料射流切缝特性实验研究[D]. 吴逾强. 重庆大学. 2011
[6]. 淹没式自激振脉冲磨料水射流脉冲特性及切割试验研究[D]. 徐凯. 大连海事大学. 2015
[7]. 水下高压射流喷嘴仿真分析与搭载机具设计[D]. 王琦. 哈尔滨工程大学. 2010