优秀毕业论文5篇

本文是一篇毕业论文，写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。（以上内容来自百度百科）今天为大家推荐一篇毕业论文，供大家参考。

 

 

第一章 绪论

 

1.1 液压缸技术综述

法国科学家布莱兹.帕斯卡在三百多年前究出了液体静压力传动原理，液压传动技术以此为依据发展起来，到了1975年，英国人约瑟夫·布拉曼在研究水力学的基础上设计出历史上第一台水压机，它被应用到了工业上。20世纪的液压技术有了较为迅猛的提升，这也是得益于金属加工、液压油和流体控制的良好发展，当前液压传动技术水平这一关键指标反映了一个国家工业发展快慢。液压缸在现在已经是一种标准化程度较高的元器件，在构建液压系统的时候往往根据要求选型就可以采购到符合要求的产品，而随着液压技术的不断发展和进步，更多功能的液压缸也面向市场，如本文设计多级同步伸缩液压缸将可以用于液压电梯升降。新材料和新工艺的进步也使得液压缸的设计制造水平得到提升，现在的液压缸向着高压、高性能、环保方面发展，未来液压缸除了在大输出力、大扭矩机械方面得到广泛应用外，小型低速场合也能有一席之地。传感器技术、控制技术的不断提升使得液压缸的液控系统得到了巨大进步，它已经成为了主要的传动方式，越来越多的机械和设备将用到液压缸系统。液压传动区别于机械和电驱传动，其拥有控制简单且能够无极调速，质量和功率比小，能够与电子控制系统结合实现机电液控制等优点，但也有传动效率低且环境工作温度影响大，加工制造价格高等缺点[1,2]。随着液压技术的不断发展，液压缸在设计和制造技术方面也越来越成熟，在设计的时候往往只需修改尺寸大小的调整，若从新绘制零件图和转配图将需要耗费大量时间[3]。不同于以往的串行设计思维，智能设计融合计算机技术不断提升设计水平和效率，企业能够从中获利[4]。SolidWorks是一款领先的设计软件，它能够让设计变得高效且企业拥有更强的竞争能力，现在三维软件开发已经成为加快产品设计与优化分析的关键部分，所以推行液压缸三维设计在国内有市场[5]。

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1.2 课题的应用背景及可行性

本研究题目源于指导老师的广东省 2012 年省部产学研重大专项“超长大型高精度液压油缸关键部件制造技术研究及产业化”（项目编号：2012A09030001），是其项目研究的重要一部分。在设计液压油缸的时候，设计人员常常是翻阅大量的设计资料和以往设计的产品后根据用户的需求进行设计的。由于液压缸是一种内部结构规范而且外形基本不变的机械部件，设计出来的新产品基本上是在原来的标准油缸的基础上进行小修小改，那么可以以标准油缸作为蓝本建立一个液压油缸的三维数据库，大大的方便设计人员进行液压缸的设计开发。对于一些典型或者是标准的零件只需输入关键尺寸即可以得到模型的工程图和三维模型，提高了设计人员的工作效率，让设计人员从繁杂的设计中解放出来。液压缸的设计过去通常基于二维平台，如 AutoCAD 平台，上进行绘制设计，但数字化装配和工程有限元分析却不能完成。当设计的时候，总装图完成后需要进行修改，总装图和零件图相关联的尺寸是不能同时修改的，都需要花时间进行更改，并且数控加工中心不能直接加工二维尺寸模型。对于新产品的评估只限于经验或者公式计算上面，开发一套具有三维建模能力的计算机辅助设计系统，能快速的得到三维模型，并且能够进行运动仿真和有限元仿真，在没有生产出实物的情况下能够进行虚拟的模拟和仿真，减少不合格品发生率，提升企业的研发实力。基于标准液压油缸 CAD 系统根据输入的主要尺寸（如缸径、杆径和行程）或者详细的零件尺寸自动生成三维 SolidWorks 零件模型，最终按照规则自动装配成完整的液压缸，该系统不但能够生成工程图而且能实现三维设计。

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第二章 二次开发基础理论

 

2.1 二次开发设计理论

二次开发是在根据用户需求的情况下，基于支撑软件平台对平台系统设计和分析功能进行功能上的增强或增加，获得自己想要的功能，大部分功能的实现是不影响软件平台内核。当前的主流三维软件（如SolidWorks、UG、Pro/E、AutoCAD等）均带有供开发的接口，编程人员可通过其将已有功能叠加或者新功能设计，这种方式让更多的新功能可以快速生成并得到推广，减少不必要的基础研究时间。由于以往可供开发者参考的例子较少增加开发难度，但是从 SolidWorks 2000 版本开始带有支持 VC++6.0 的开发系统并且 Help 文档提供的开发例子让使用者能够轻松对软件进行功能开发。液压缸设计和制造由原来的二维设计开发到现在的三维设计开发，不但减轻了设计人员的工作负担，还大大缩减了开发周期，让产品能快速设计出来并投入加工。一个系列的油缸能够通过在三维模型的基础上快速修改尺寸后即可生成不同规格的油缸，而且能在三维模型上进行有限元仿真分析，校核油缸的强度，并能够生成设计报告等。三维设计既能够简化开发者的设计过程，也可以更好的强化公司的产品生产线，故本论文研究的液压缸计算机辅助设计系统能有效的提升企业的液压缸设计水平，具有重要的研究意义。

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2.2 SolidWorks 及其二次开发技术

本系统是基于 SolidWorks 软件平台的液压缸计算机辅助设计系统，那么下面详细介绍该软件平台及其二次开发技术。SolidWorks 是达索公司最先在 Windows 操作系统上完成的三维解决方案，该软件通过其强大的三维设计功能让设计师高效地设计出更有竞争力产品，众多企业运用这款产品，特别是受到小企业青睐。设计人员通过 SolidWorks 能够为整个产品生产过程和工程进行高效建模和仿真，加快产品投放市场时间使企业更具有研发实力[15]。随着软件的不断完善，它已运用到国内加工制造业的各个行业之中，对提升设计和制造效率，降低生产成本有较大的作用。现在的特种机械行业特别是液压缸产业发展迅猛，SolidWorks 的运用程度还不够高，需要进一步的加大研究，针对液压缸行业具体规范要求，研究 SolidWorks 二次开发，提高液压缸设计水平和效率，具有一定实用价值。SolidWorks 建模过程简单快捷，以液压缸的导向套的建模来说明：打开软件后新建文件，通过各种命令如拉伸、旋转命令等进入草绘界面，绘制草图并生成三维实体。零件草图界面如图 2-1（a）所示，最终得到的三维导向套零件图如 2-1（b）所示。

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第三章 液压缸设计与校核.........15

3.1 液压缸主要参数设计计算 ......... 15

3.2 多级同步伸缩液压缸设计与仿真分析 .......... 16

3.3 细长型液压缸稳定性解析法计算 .... 21

3.4 细长型液压缸挠度的有限元计算 .... 26

3.4.1 液压缸三维实体建模........ 26

3.4.2 三维模型参数设置与网格划分...... 27

3.4.3 Simulation 结果分析 .......... 28

3.5 耐磨环承载力校核计算 ...... 29

3.6 小结 .......... 32

第四章 系统总体与实现......33

4.1 参数化建模及装配 ....... 33

4.2 程序化建模及装配 ....... 37

4.3 干涉检查 ......... 42

4.4 生成标准工程图 .... 44

4.5 本章小结 ......... 45

第五章 液压缸辅助设计系统界面与运行......46

5.1 系统登陆界面设计 ....... 46

5.2 系统主界面设计 .... 47

5.3 本章小结 ......... 53

 

第五章 液压缸辅助设计系统界面与运行

 

液压缸由活塞杆组件、缸体组件以及密封组件等构成，各组件装配成整体才能进行工作[41]。液压缸设计时需要得到工作载荷、工作压力、速度大小、安装位置、行程范围和工作环境等条件，按照设计要求完成强度和刚度分析，并最终得到液压缸所有零件尺寸参数。本系统的设计结构见图 5-1，能够辅助设计人员进行液压缸设计，首先进行液压缸型号的选择，然后根据工作要求，参考标准液压缸模型进行各零件的模型设计、强度计算，最终完成数字化建模、虚拟装配、干涉检查、运动仿真和有限元分析，尽量使设计满足客户要求。系统能够与操作者进行交互，生成液压缸模型库，方便供设计人员查找使用。本系统设置了密码登录界面，在系统启动的时候先进入登录界面，选择用户名和输入正确密码才能够进入程序主界面。这种做法是保证了软件的权限，保障设计人员的知识产权，液压缸计算机辅助设计系统的登录界面如图 5-2 所示。登录程序中定义的密码检查代码在附录中的，通过查找数据库里面的密码，与输入字符进行对比，如果相等则获得权限进入液压缸主设计界面，如果不相等则会提示密码错误。

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结论

 

本文系统介绍了基于 VB 的 SolidWorks 液压缸辅助设计系统，对液压缸进行参数化和程序化自动建模，独立设计了一套系统，主要研究成果如下：

（1）以面向对象设计语言 VB 6.0 为开发工具设计了界面友好的液压缸辅助设计系统,运用到以下关键技术：数据库技术、SolidWorks 二次开发技术、模块化开发技术、提高程序化建模精度方法、干涉检查技术等。系统集成液压缸设计、三维建模、稳定性校核计算、耐磨环强度分析计算、油缸重量查询和计算功能，实现了工程设计方案验算的快速化，完成企业对于液压缸重量精确计算的目的。

（2）多级同步伸缩液压缸设计与 AMESim 仿真验证了同步线性缸的设计原理：若上一级活塞杆环形腔的面积与下一级活塞轴向有效作用面积相同且各级缸行程相等，那么各级缸工作时能具有同一相对运动速度，实现同步线性伸缩，对超长多级液压缸在全工作行程中的无冲击和平稳地运动有指导性意义。

（3）考虑液压缸连接处间隙、自重包括液压油重和安装角度，本文推导出细长型液压缸挠度的解析法计算公式，得到结论为：载荷与自重导致的挠度为主要因素，间隙引起的挠度为次要因素，长行程液压缸的油液重量引起的挠度占总挠度比重不可忽略，安装角度对挠度有一定影响。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 引言

塑性成形工艺是指在外力作用下，使材料产生塑性变形，从而得到具有一些特定形状和性能的零件成形方法[1]。塑性成形工艺具有高产量、低能耗等显著特点，是现代先进成形技术的主要发展导向[2]。而如今通过与数控系统、计算机相联合，塑性成形技术得到了高速的发展。一千多年以前，金属旋压技术就已经开始用于薄壁空心金属零件的加工，而随着科学技术以及工业生产机械化、自动化、信息化的不断普及，旋压成形技术在近现代社会的发展很快[3]。由于旋压成形具有节省原料、设备简单和成品质量高等特点，因此旋压成形工艺不仅在航天、兵器等金属精密成形领域得到广泛的应用，在化工、冶金、电子、机械制造及轻工业等领域也得到广泛普及[4]。多道次普通旋压成形是旋压成形工艺的一个重要组成部分[5]，且多道次普旋成形中影响因素众多，各因数之间的相互关系很复杂，不同的工艺参数组合对普旋零件质量有很大影响，因此研究不同的工艺参数组合对普旋的成形质量影响有着重要意义。薄壁回转体零件在高压开关电器中应用广泛，主要为各类电器开关提供电磁屏蔽作用。由于高压开关屏蔽罩形状各异，对不同形状的零件有着不同的成形方法，旋压成形作为先进的塑性成形技术在高压开关屏蔽罩成形中有着很广阔的应用平台[3]。对一些形状复杂的异形回转体零件来说，采用多道次普通旋压可以有效的成形，并且可以大大节省生产成本和提高生产效率。而在采用多道次普通旋压成形屏蔽罩的过程中不可避免的会出现一些成形缺陷，为了避免缺陷的产生，研究各工艺参数对典型缺陷的影响规律，获得相应的防治措施，是提高多道次普旋的成形质量，获得合格屏蔽罩零件需要解决的关键问题。

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1.2 普通旋压成形工艺特点与应用

旋压是借助于旋轮的进给运动，加压于随芯模沿同一轴线旋转的金属毛坯，使其产生连续的局部塑形变形而成为所需空心零件的一种近净精密塑性成形方法[6]。按照不同零件的要求以及不同坯料的变形特点，一般可分成普通旋压成形和强力旋压成形两种形式。其中主要通过改变坯料形状，而坯料壁厚基本不变或者改变很少的方式称为普通旋压成形，又简称为普旋[7]。普旋的变形特征是坯料在变形过程中产生直径上的收缩或者扩张，而由此带来的坯料厚度变化则是从属的。普旋成形的基本形式有以下三种：拉深旋压成形（图 1-1）、缩径旋压成形和扩径旋压成形。其中拉深旋压成形又是普旋成形中应用最广的一种成形方法[8]。拉深旋压与传统的拉深冲压成形类似，但不是用凸模和凹模而是用旋压模和旋轮来成形工件。由于是通过旋轮碾压坯料使其成形，因此与冲压工艺相比，其成形的自由度更大，也就能制造形状更复杂的零件。拉深旋压成形根据工件可否一次成形又可分成简单拉深旋压成形和多道次拉深旋压成形，如图 1-1 所示。对于常用的铝板和钢板来说，如果板坯相对厚度 t0/d>0.03 （ t0-板坯原始壁厚， d- 筒形零件外径），极限拉深比D0/d≤1.8~1.85（D0-板坯外径）就能够进行简单拉深旋压[9]。由此可见满足简单拉深旋压成形的成形极限十分小，为提高坯料成形极限更多是采用多道次拉深旋压来完成。相对于冲压成形工艺，普旋工艺具有以下优点：由于旋轮和坯料是近似于点接触，接触的面积很小，所以单位压力较大，可以达到 2500~3500MPa 以上，适合于加工高强度难变形的材料；材料利用率高，加工成本很低，耗能相对较少；旋压制件的力学性能（强度及硬度）显著提高；可以旋压的零件形状类型很多，如半球形、曲母线形、椭圆形等几乎所有类型的回转零件，还有一些三维非轴对称零件和非圆截面空心零件等非回转零件也可采用旋压成形[10，11]；与冲压成形相比，普旋成形可简化工装以及相应的工艺流程，一些需多道次冲压的零件，采用旋压可节省成形模具，简化成形工序。

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第二章 多道次普旋典型缺陷分析及改进方案设计

 

2.1 引言

本文的主要研究对象是普通旋压成形零件的成形质量，在多道次普旋成形中，坯料需反复经历多道次复杂的变形，期间涉及到的工艺参数众多，且各参数间还存在复杂的交互关系，如果各参数选取不合理，容易使普通旋压成形中出现各种缺陷，如起皱、破裂、橘皮、压痕等，从而影响普旋零件的质量。但是对于某些缺陷，前人已经做过研究，或者是由于某些缺陷很好消除而没必要投入太多精力进行研究，另外，某些成形质量问题由于太过复杂而到目前为止还没有很好的解决方案，如普旋的过度减薄问题。因此，本文首先对普旋成形过程中经常出现的一些缺陷进行分析和总结，结合实际生产经验对这些常见的缺陷提出相应的解决方法。然后重点研究普旋中的过度减薄问题，由于旋轮运动轨迹和旋轮圆角半径是普旋成形工艺中对成形质量影响很大的因素，因此先从这两个方面进行研究，分析旋轮和其运动轨迹对旋压零件壁厚的影响机理，再进一步提出改善零件壁厚过度减薄的相应措施，为后续试验提供理论指导。

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2.2 普通旋压成形时的主要缺陷

在普通旋压成形过程中由于工艺参数设置不当或者运动轨迹编制不合理等原因往往会导致旋压零件出现一些缺陷，如起皱、破裂、底部隆起、压痕、回弹等，而这些缺陷通常都是由于工艺参数选择不合理造成的，为了掌握多道次普通旋压工艺技术，提高其成形质量，首先应该对一些常见的缺陷进行分析。

 

2.2.1 起皱

起皱是金属塑性成形过程中最常见的一种失稳形式之一，失稳起皱的原因是在旋压成形过程中坯料所受到的切向压应力过大造成的，当外力作用引起的变形区内的切向压应力超过了厚度方向上的失稳极限应力时，材料就会在厚度方向上发生起皱现象[49]。而能导致旋压成形过程中发生失稳起皱的原因有很多，如坯料尺寸、变形速率等。起皱与坯料的初始厚度密切相关，坯料越薄，在厚度方向上的抗弯曲刚度越低，越容易起皱。另外，在多道次普旋中，首道次往往很容易起皱，如图 2-1a) 所示，这与很多工艺参数有关，当进给比过大、旋轮圆角半径过大及首道次仰角过大时，坯料容易发生起皱。而在多道次普旋成形过程中，若轨迹安排不合理，道次压下量过大等，坯料也很容易发生起皱，如图 2-1b) 所示。

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第三章 普通旋压成形过程数值模拟分析....26

3.1 引言 ....... 26

3.2 普旋有限元数值模拟的关键技术 ....... 26

3.3 普通旋压旋轮轨迹模拟分析 ......... 30

3.4 不同型面旋轮模拟分析 ..... 33

3.5 模拟结果试验验证 ....... 40

3.6 本章小结 ..... 44

第四章 普通旋压成形质量控制试验研究....45

4.1 引言 ....... 45

4.2 试验条件 ..... 45

4.3 局部成形对壁厚的影响 ..... 47

4.4 旋轮轨迹对壁厚的影响 ..... 50

4.5 旋轮型面对壁厚的影响 ..... 51

4.6 道次间距对成形质量的影响 ......... 53

4.7 主要工艺参数对成形质量的影响 ....... 55

4.8 本章小结 ..... 59

第五章 普通旋压成形质量工艺参数优化....61

5.1 引言 ....... 61

5.2 回归网络模型的建立 ......... 61

5.3 遗传算法的设计及工艺优化 ......... 66

5.4 本章小结 ..... 72

 

第五章 普通旋压成形质量工艺参数优化

 

5.1 引言

在多道次普旋成形中涉及到的工艺参数很多，而且各参数之间还存在交互作用，只有在这些参数组合合理时才能发挥旋压成形的优势。但是在企业加工零件时，技术人员经常是采用一些简便的理论推导以及个人的经验，用大量试验的方式来确定工艺参数组合，难免会使各种资源过度消耗。所以，为了提高资源利用率，选用合理的方法对普通旋压工艺参数进行优化就显得很有必要。近年来随着人工智能技术的进步和成熟，该技术的应用也越来越广泛，已经将该技术带到了旋压成形范围，并利用其对旋压成形工艺参数进行优化，取得了不错的效果。文献[41]以壁厚减薄率为目标，通过人工智能优化方法对其进行了工艺参数优化，通过优化获得了进一步降低减薄率的工艺参数组合；文献[59]基于试验应用灰色关联度和人工智能对影响筒形件错距旋压的工艺参数进行了优化分析，进一步提升了灰色关联度的值并获得了相应的工艺参数组合。第四章利用正交试验对旋压成形质量进行研究时，为了确保可以得到各工艺参数对零件的成形质量的影响，减少其它因素的干扰，在试验时并没有加入整形道次，经过整形道次后零件的椭圆度和直线度会进一步降低，因此在这一章节中不对中间过程的椭圆度和直线度作进一步优化。而对于零件壁厚减薄率而言，中间过程的减薄率对零件成形质量有重要影响。而影响零件壁厚减薄率的因素比较多，各个因素间的关系比较复杂，而且工艺参数与目标值之间的连接关系难以用确定其映射关系。因此，本文首先通过分析对比不同的神经网络建模方法，确定采用支持向量机对旋压零件壁厚参数进行回归建模，然后再利用遗传算法全局寻优的能力，实现对多道次普通旋压壁厚工艺参数的优化。

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结论

 

本文以多道次普旋零件的成形质量为主要研究对象，结合企业实际生产情况，对现有的普旋零件的成形质量问题进行研究，分析总结了旋压过程中一些常见缺陷的成因以及相应的预防措施；重点针对普通旋压成形过程中的壁厚过度减薄问题，通过模拟和试验相结合的方法获得了旋压参数（旋轮轨迹和不同旋轮型面）对零件壁厚减薄率影响规律，并通过正交试验研究了首道次仰角、中部起旋位置和进给比对旋压成形质量（壁厚减薄率、椭圆度及直线度）的影响规律及主次顺序，最后采用优化方法以旋压件壁厚减薄了为优化对象，对旋压零件的工艺参数进行了优化，获得了相应的优化工艺参数组合。本文的研究对改善普通旋压成形质量具有重要的实践意义，并且可以对实际的生产过程提供理论依据和实践指导。本文的主要结论如下：

1、结合实际生产经验，对多道次普旋成形中的一些常见缺陷（起皱、破裂、底部隆起、橘皮，压痕、回弹、过度减薄）进行了分析和总结，并提出了相应的缺陷预防措施。

2、对现有的多道次普旋成形轨迹编制规范进行研究，分析了目前所采用的旋轮轨迹所存在的不足，并提出相应的改进措施：如提出在普旋成形中第一道次采用中部起旋轨迹，利用局部成形定义分析了其可行性，提出在旋压成形推进的过程中采用不等间距轨迹的方法及提出将复合型面旋轮应用到多道次普旋中。

3、利用有限元软件 MARC 对采用底部起旋轨迹和中部起旋轨迹进行旋压的前两道次进行了模拟，结果表明，采用中部起旋轨迹时最大等效应力、应变数值更小，并且可以有效改善普旋零件首道次的壁厚分布，壁厚减薄率从 8.11%降至 4.56%。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

出淤泥而染，濯清涟而不妖，这描述了自然界中荷叶的一种特性。水滴在荷叶表面后会凝聚成水珠，只要倾斜很小的角度水珠就能自由滚动，而荷叶表面的灰尘也会随着水珠的滚动而被带走，使得荷叶表面能够保持干净。荷叶具备的自清洁能力被称为超疏水性，人们对超疏水材料展开了大量的研究后，发现如果将这种性能使用在我们的生产和生活中，那必将为我们带来极大的方便和利益。例如，如果这种现象能应用在汽车表面，在雨天利用雨水就可以把汽车表面的灰尘带走，汽车的挡风玻璃以及后视镜在雨天就不容易沾水影响驾驶员视线，这将给驾驶员带来极大的便利。将这种特性加在金属表面，就会保护金属不被轻易腐蚀，延长金属工具的使用寿命。在管道运输中运用这种特性，减少了流动阻力就会增加运输效率，并且不会污染运输物。这种特性用在户外天线上，雨雪就不会停留在上边引起积雪或者积冰而导致天线断裂。以及日常穿戴的衣物，如果能像荷叶表面那样，下雨天就不用被雨水淋湿，并且不容易被弄脏。由此看来，超疏水材料的应用前景很广，应用价值很高。因此人们对这一领域展开了大量的研究，同时也在这一领域有了重大突破。

 

1.1 自然界中的超疏水现象

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1.1.1 荷叶表面的超疏水性

荷叶能在泥泞的池塘中保持干净，不被泥水和尘土弄脏，全得益于其所具有的超疏水表面。水滴落到荷叶上就会凝聚成水珠，而且能自由滚动，在滚动过程中带走了泥土，并且不会浸湿荷叶。为了研究荷叶表面具有这种优良性能的原因，Barthlott 和 Neihuis做了大量的实验和测试[1-2]，使用扫描电镜对荷叶表面进行观察，看到其具有大量的乳突，这种结构的尺寸在微米范围内，并且发现其表面具有疏水性的物质，最后得出结论：这些密集排布的微米级结构的乳突和具有疏水性的物质是致使荷叶具有超疏水性的关键因素，如图 1-1（a）所示。图 1-1（b）所示为水滴在荷叶表面凝聚成水珠状，并且能够在其表面滚动的同时带走荷叶表面的杂质。

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1.2 超疏水的基本理论

液体滴在固体表面时，液体会自然形成一定的厚度，而不是完全展开并平铺在固体上的，不与固体接触的液体侧面会形成圆弧曲面，该曲面与固液交界面形成有一定的角度，这个角度就被称为接触角。如图 1-4 所示，在固体、液体和气体的三相交点处，液体和气体的交界线在该点的切线与液体和固体的交界线在该点的切线所形成的夹角就是该液滴与该固体表面的接触角。固体的润湿性可以用接触角的大小来判断，具体的方法是：θ=0，此时液体完全展开，平铺在固体上，表示其被完全润湿。0<θ<90°，此时液体就在固体上有了一定的厚度，接触角越小，则液体在固体上展开的面积就越大，液体对固体的润湿程度就越大。90°<θ<180°，此时固体表现为疏水性，液体在固体表面形成不完全的水珠状，在固体表面接触的面积随着接触角的增大而减小，对固体的润湿程度也随之减减小。θ=180°，此时液滴凝聚成球状，与固体表面的接触为一点，固体完全不被湿润。Young方程可以用来直观的判断润湿性，但其只能在理想表面的条件下应用，因为只有在固体表面均匀、光滑的条件下液体与固体表面之间才能有固定的接触角，所以 Young 方程具有理论局限性。

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第二章 铜基体电镀钴超疏水材料的制备

 

2.1 引言

水滴在荷叶上凝聚成水珠滚落，这一简单的自然现象引起了人们的兴趣。如果衣服也具有这种特性，那就不容易被弄脏，而且雨天也不会湿透；玻璃上有了这种特性，下雨天就不会变得模糊，也不会有霜凝结在上边；金属外壳上有了这种特性，就不容易被腐蚀。这种材料如果能在人们的生活中出现，将会带来很多的便利，于是科学们对其展开了研究，现在已经有了很大的进展，对于超疏水性的获得原理基本掌握，并且开发出了多种仿生材料，已经有部分投入使用。但由于超疏水表面的应用领域非常广，需求量大，性能要求高，因此对超疏水材料的研究仍需大批科学家的加入。对于改进现阶段超疏水性表面制备方法复杂、制造成本高、产品性能差的的问题，已经成为研究焦点，亟需解决。根据目前超疏水表面研究所面临的难点，本人将对如何开发简单易行、适合大规模生产的超疏水材料制备方法展开研究。钴是制造各种合金的重要金属，含有钴的合金一般都具有耐热、耐腐蚀、硬度高等特性，因此钴合金被广泛的应用于高精密的机械零件、发动机部件和其他重要的领域。鉴于钴的良好特性和本人的研究目的，本人选择了电化学沉积法制备超疏水材料，本章是通过在铜基体上电镀钴而获得具有超疏水表面的方法研究，具体研究过程如下所述。

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2.2 超疏水表面制备方案设计

电沉积法制备超疏水材料具有操作简单，成本低廉的特点，并且随着工业的进步，电镀已经被大规模使用，已经拥有成熟的技术，在此背景下选择电镀法制作超疏水性表面对于推广此材料具有重要意义。在前文中所介绍的方案所制备出超疏水性表面力学性能差，为了弥补这一缺陷，本人设想，运用电镀的方法把钴镀到铜基体上，这样就会直接获得粗糙表面，并且由于钴的合金具有很好的耐腐蚀能力和耐摩擦能力，此电镀层应该也会具备这样的性能。根据江雷教授所作研究可以确定，将铜片放置于肉豆蔻酸的溶液中，铜表面会生长一种细微结构，使得铜表面变得粗糙，而且在这种结构积累到足够的厚度时，将会为铜基体带来超疏水性能。为了使电沉积获得电镀层拥有超疏水性，利用此原理让肉豆蔻酸与该镀层结合，应该会获得超疏水材料。依据科学的推测，并经初步实验验证，此方法制备出的材料表面具有超疏水性，因此对其做深入研究。将本次制备方案确立为：使用铜片做为电镀的阴极和阳极；以金属钴盐的溶液作为电镀液，其中以无水乙醇作为溶剂，并且混入适量的肉豆蔻酸。通过一步电镀法获得的加工件即为所要制备的材料。在此需要提出，在经过脉冲电流电镀和直流电镀对比后，发现两者具有相同的效果，而直流电镀所需要的电镀时间更短，所以实验选用直流电镀法进行制备研究。

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第三章 铜基体电镀阳极超疏水材料的制备........34

3.1 引言........34

3.2 实验部分........34

3.3 超疏水表面表征结果和性能测试分析.......35

3.3.1 接触角测量结果......35

3.3.2 阳极铜片表面形貌.......36

3.3.3 阳极铜片表面成分分析....37

3.3.4 水滴 PH 值对阳极铜片表面接触角影响.......39

3.3.5 阳极超疏水性铜片形成机理......40

3.4 结论........40

第四章 铜基体电镀镍超疏水材料的制备.......41

4.1 引言........41

4.2 超疏水表面制备方案设计.......41

4.2.1 实验设计依据和思路........41

4.2.2 验证及确立制备方案........41

4.3 实验部分.....42

4.4 结果与讨论......44

4.5 本章小结.....55

 

第四章 铜基体电镀镍超疏水材料的制备

 

4.1 引言

前面的章节研究了以铜为基体，通过电镀的方法获得具有超疏水性能的材料，并且获得的材料具有优良的超疏水性，经测试其接触角能达到 160 度。并且这种材料具有疏水-亲水自由转换的特性，但因为其机械性能差，使得应用有了很大的局限性，因此本章重点在于研究应用性更强的超疏水材料的制备。镍在最近的生产生活中有了很大的应用，因为镍有很强的耐腐蚀性，所以被用来加入其它金属制作合金，或者被电镀在其他材料表面抵挡腐蚀。而且镍和其他金属混合后还能提高合金的耐高温性，因此镍被大量的应用在发动机的制造中。镍具有很多优秀的性能，应用领域很广阔，医学上、工业中都有它的身影，当前，镍已经被广泛的应用，为了能实现超疏水材料的各方面性能，本章也将利用镍良好的特性，将其应用在本次研究中。因此本章将继续利用铜片作为基体，在其表面电沉积镍进行实验，用来制备具有更好应用性的超疏水材料，具体的实验过程如下所述。

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结 论

 

经过一系列的实验，本人发现了三种制备超疏水材料的方法，并分别对这些材料进行了应用性能测试，现对所做研究做如下总结：以铜片作为电极，使用特制的电镀液，可以直接电镀获得有超疏水性能的阴极 Co镀层表面，其接触角有 160 度，而且制备方法简单、快速，这符合了本文的研究目的。其形成机理是在电镀过程中，Co 与肉豆蔻酸反应并附着在阴极铜片表面，同时形成了粗糙的结构，最终获得超疏水性能。在制备过程中影响该超疏水材料接触角的因素有电镀时间和电镀电压，接触角与它们并不是线性的关系，而是在电镀时间为 5 分钟、电镀电压为 20V 的时候具有最高的接触角。而且这种材料可以通过在 150℃以上加热的方式使超疏水性失效，并能在肉豆蔻酸的乙醇溶液中浸泡进行超疏水性能的修复。该 Co 镀层在水滴 pH 为 5~11 的范围依然能保持良好的超疏水性能，在 pH=7 时接触角有最大值。但是这种材料结构松散，机械性能差，没有良好的力学性能，仍需改进。在使用一步电镀法获得阴极超疏水材料的实验中发现，延长电镀时间可以使阳极的铜片也具备超疏水性。其形成机理是，Cu 与肉豆蔻酸的自组装反应在阳极铜片上构成粗糙结构，使得其获得超疏水性。但由于电镀过程中，Cu 与肉豆蔻酸的自组装比阴极Co 的反应缓慢，其获得超疏水性能所需的时间更长，且接触角比阴极 Co 镀层小，然而其接触角受酸性和碱性的影响趋势与 Co 镀层相同。其表面材料的缺点同样是机械性能差，但此制备方法证明了肉豆蔻酸能与不同金属反应，为今后的研究提供可靠依据。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 研究背景

塑料具有耐高温、抗老化以及较高的强度和硬度等性质，因此被广泛应用于汽车、航天航空、医疗保健、食品加工、运动器材、生活日用品等多个领域[1]。2014 年，中国塑料制品工业总产值 12519.3 亿元人民币，同比增长 13.6％，同时高性能塑料产品的需求量也越来越大，研究塑料的性能越来越受到关注，研究塑料的性能，既是研究其在熔融状态下的流变性，流变性指塑料受到多种因素作用后的变形和流动性质，这些因素包括温度、压力、添加剂等[2]。塑料最基本的流变性能是弹性及粘性，它们直接影响着塑料的生产，了解塑料的弹性及粘性能更好的指导材料实验研究及实际生产[3]。例如，通过提升温度降低塑料熔体的粘度，从而加快熔体的流动速率，这样可以提高生产效率。此外，塑料的流变性还可以采用指导人们生产中选择何种加工工艺及设备对塑料进行加工[4, 5]。对塑料的研究需要借助流变仪来测得塑料在熔融状态下的一些相关参数，流变仪在塑料行业中的作用有以下 6 点：（1）流变测试，可以快速测试材料的流变性能；（2）配方研发，可以研究开发新配方及加工特性，从而获得最优的产品特性；（3）工艺优化，可以确定材料的加工特性，从而确定最优的加工工艺；（4）质量控制，可以对照“标准曲线”来测量来自于不同供应商、不同批次的原料，从而控制物料质量；（5）创新研究，可以从事聚合物成型新工艺、新方法的研究；（6）设计指导，可以对聚合物加工设备的开发提供指导。因此，借助流变仪可了解塑料的可加工性，从而指导实际的工业生产制造，因此研究塑料性能有着现实需要，流变仪被广泛地应用在塑料厂商、研究所及高等院校等场所。

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1.2 国内外流变仪及工作站的研究现状

流变仪的种类居多，应用最广泛且最有实用性的是挤出流变仪。在挤出流变仪中，物料流动方式与实际加工很类似，可测定聚合物的剪切速率、表观应力及粘度等。挤出流变仪包括了毛细管口模挤出流变仪和狭缝口模挤出流变仪，它们的区别在于挤出口模，前者的口模截面为圆形，而后者的口模截面为矩形。二十世纪六十年代，全球首台毛细管口模挤出流变仪诞生，该流变仪由德国 GWP公司研发。随后日本东洋精机公司、美国孟山都公司、意大利 CEAST 公司分别生产出自己的毛细管口模挤出流变仪，这些流变仪都是恒速式的。表 1-1 是国外三种毛细管口模挤出流变仪的主要技术参数。中国对挤出流变仪的研究要比国外晚三十几年，目前国内大多挤出流变仪都是从国外购买的，近些年来，挤出流变仪应用越来越广泛，有大量市场需求，国内也有机构制造出了挤出流变仪。国内哈尔滨工业大学最早制造出毛细管口模挤出流变仪，该挤出流变仪属于旋转式。转矩流变仪也是用的较多的一种流变仪，它可以很精准的控制螺杆的转速及各段的温度值，并能实时测量出转矩值及实际温度值，由此可以研究高分子材料密炼过程中的流变性质，转矩流变仪相当于一台密炼机，也称为密炼流变仪[6]。目前，国外主要生产转矩流变仪的厂家有德国的 Brabender[7]和美国的 Thermo，而国内主要生产转矩流变仪的厂家有哈尔滨的哈普和广州的普同等，虽然国内外在制造转矩流变仪技术水平上差距不是很大，同时，近年来国外的转矩流变仪都没有太大的变化与进展，但国内的转矩流变仪还存在一些急需解决的问题，例如：不能实现密封、不能实现抽真空、剪切强度在很有限的范围内、对于纤维状物料很难完成进料等[8]。

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第二章 基于 EtherCAT 的测控系统设计

 

2.1 流变工作站

由广州市普同实验分析仪器有限公司生产的高分子材料动态流变工作站集成了精密机械、传感器、自动化、高分子材料科学与工程、计算机软件等先进技术，全部采用模块化设计，其结构简洁紧凑；并且各个功能模块可方便地与其他模块相连接，形成各种不同的小型生产线或测试平台，具有强大的可扩展能力。高分子材料动态流变工作站是一个由多个模块化基本操作单元组合而成的多功能测试仪器设备平台，用于高分子及其复合材料广义流变和加工特性的在线测量和表征。与传统高分子材料加工测试仪器不同的是，该工作站具有以下功能：（1）高分子及其复合材料广义流变性能测试，特别是加工过程引入振动力场后的动态流变性能测试；（2）高分子及其复合材料熔融塑化、输运过程在线可视化分析；（3）高分子及其复合材料混配及配方优化设计；（4）高分子及其复合材料挤出、注射、吹塑、流延加工过程在线测试及智能分析。这些功能为高分子及其复合材料加工特别是动态加工性能表征和分析、加工机理研究、加工工艺开发，提供了强有力的实验研究手段。高分子材料动态流变工作站的产业化在技术方面还有若干重大突破：高分子及其复合材料成型加工基本操作过程（挤出、注射、混炼等）单元模块化、集成化技术；高精度伺服驱动及大振幅激振技术；熔融塑化、输运过程在线视频可视化技术；基于现场总线的控制系统智能化技术；数据采集、动态信号处理与基本操作过程特性表征及图形化技术，目前高分子材料动态流变工作站已在我国高分子材料研究领域的科研院所和大专院校、从事高分子材料改性、制品加工以及加工设备制造的企业中得到广泛应用，打破了我国高分子材料加工领域相关高档仪器设备长期依赖进口的局面，满足了我国高分子材料领域新产品、新工艺和新设备技术发展对研发条件与手段日益提高的要求。

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2.2 现有测控方案

基于上述高分子材料动态流变工作站的结构与工作原理，其测控系统也采用模块化设计，下面从各单元的信号连接、信号采集与测试分析、电机的驱动与控制方式以及操作界面的配置这四个部分介绍现有的测控系统方案的大致情况。流变工作站在使用过程中，各单元可根据应用需求组合成一条（台）具有完整功能的实验线或测试仪器，要求各单元间的信号能双向传输，同时硬件连接装拆方便，因此单元间的高速通信是必须的。现有的解决方案有两种：第一种是基于 B&R2003 系统。主驱动单元使用的 CP476，其余各单元使用 CANI/O，各单元使用 CAN 通信；第二种是基于西门子 PLC 系统，主驱动单元使用的 S7-1200，其余各单元使用S7-200，各单元间使用 Modbus 通信。流变工作站在用做转矩流变仪、挤毛细管流变仪时，以及在进行动态加工过程中，要求对扭矩、熔体压力、熔体温度、振动、挤出产量等信号进行实时采集与数据分析处理。现有的方案是：动态加工或测试时，扭矩、熔体压力、振动信号接至具有高采样速率的 NI 采集卡；熔体温度信号采集的实时性要求不高，热电偶接至下位的 PLC，信号经 RS232 传送至上位机；挤出产量使用电子秤测量，也通过串口传送至上位机。数据分析软件基于LabVIEW 开发，如图 2-2 所示。

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第三章 测控系统下位机软件设计.....22

3.1 测控系统下位机整体设计.... 22

3.2 TWINCAT 编程软件..... 22

3.3 挤出产量称重模块设计 ....... 26

3.4 高速连续振动信号采集 ....... 31

3.5 电机驱动、温度控制及 IO 模块设计 ..... 34

3.6 TWINCAT 分时多任务编程设计..... 35

3.7 本章小结 ...... 37

第四章 测控系统上位机软件设计.....38

4.1 测控系统上位机整体设计 ........ 38

4.2 LABVIEW 编程软件.... 38

4.3 测控系统上位机软件界面设计与操作流程...... 39

4.4 TWINCAT 与 LABVIEW 的通信实现........ 42

4.5 测控系统上位机软件数据管理程序 ....... 51

4.6 测控系统上位机软件中其他程序设计 ........ 59

4.7 本章小节 ...... 60

第五章 测试结果与分析......61

5.1 测试实验 ...... 61

5.2 测试结果 ...... 64

5.3 本章小结 ...... 67

 

第五章 测试结果与分析

 

5.1 测试实验

挤出物料重量值和狭缝口模两路挤出压力差值是 LabVIEW 中自动计算物料粘度公式的关键因子，测试之前，笔者先校验测控系统这两个主要性能指标的精度，以下是实验过程：首先校验挤出产量模块中挤出物料重量值的精度。准备 8 个重量为 500g 的砝码，将 PL4001 便携式天平与测控系统连接上，选择不同数量的砝码在 PL4001 上分别称重10 次，分别记录对应测控系统上位机软件中挤出产量的读数，实验数据如表 5-1 所示。从上表中的数据记录中得出最大偏差为 0.08g，误差为 0.002%，检验得出挤出产量模块的精度达到了测控系统的性能指标。下面校验狭缝口模两路挤出压力值的精度。分别选用上海自动化仪表股份有限公司生产的 YJY-600A 系列压力校验器与丹尼斯克（美国）生产的 PT4626-50MPA-6/18 型压力传感器。压力校验器与压力传感器的实物图如图 5-1 所示。YJY-600A 的测量范围是 60MPa，PT4626-50MPA-6/18 的测量范围是 50MPa。测试时按照图 5-1 所示将压力传感器接在压力校验器上，同时将压力传感器的输入信号段接入测控系统的压力采集模拟量输入模块。将 YJY-600A 的压力值分别不同压力值，分别记录对应测控系统上位机软件中压力的读数如表 5-2 所示。

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结论

 

笔者以广州市普同实验分析仪器有限公司生产的高分子材料动态流变工作站为平台，展开了一系列的工作，通过查阅文献及市场调研，深入了解国内外流变仪、流变工作站和测控系统的研究现状。通过分析流变工作站的结构组成以及测控系统的功能需求，并对比现有的方案后设计出基于 EtherCAT 的测控系统，测试实验表明新方案达到了预期的目标。同时，基于 EtherCAT 测控系统的狭缝口模挤出流变仪已在大金氟化工中国有限公司及广州医学院等客户成功应用，且反映良好。本文的主要研究工作及创新性成果体现在以下五个方面：

（1）基于 LabVIEW 平台开发了狭缝口模挤出流变仪测控系统上位机软件，测控系统上位机软件操作使用方便，包括测试项目管理，测试数据采集、存储、显示与处理，可自动计算测试结果，根据用户的需求生成测试实验报告。

（2）在 LabVIEW 中调用 ActiveX 和.NET 控件，应用 ADS 通信协议，实现了上位机软件 LabVIEW 和下位机软件 TwinCAT 通信，上位机软件 LabVIEW 可以读取下位机软件 TwinCAT 中的整型变量、实型变量、单整型变量、双整型变量和字符串变量。基于此可以在上位机软件中实现控制电机启停、设定电机转速、控制通断加热、设定温度以及采集各种测试数据等；

（3）实现电子天平与下位机软件 TwinCAT 的串行通信，下位机软件 TwinCAT 获取带有产量值的字符串变量，上位机软件 LabVIEW 读取下位机软件 TwinCAT 中的字符串变量，这样实现了在测控系统上位机软件中读取挤出物料的动态质量。

（4）在 TwinCAT 中利用双数组循环缓冲的方式，实现了下位机采集以数组的方式采集振动信号，在 LabVIEW 软件中使用 TwinCAT 提供的 ADS.NET Component 中的Accessing an array in the PLC（访问 PLC 数组），通过读取数组变量的方法实现了在LabVIEW 中采集下位机 TwinCAT 的数组变量，从而实现了高速连续振动信号采集，测控系统在不使用昂贵专用采集卡的情况下，同样可以实现高速振动信号采集。

（5）在 TwinCAT 软件实现了分时多任务编程设计，将 TwinCAT 程序分为四个独立的任务模块，下位机即合理利用了控制器的 CPU，又满足了个别子程序的高实时性要求。

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参考文献（略）

 

 

第一章 绪论

 

1.1 工程背景和意义

随着石油、化工及城市燃气工业的迅速发展，液化气球罐的应用也日益广泛。然而液化气球罐在经过长时间的使用后，球罐的内表面和外表面可以明显地看到有许多的裂纹缺陷出现，这对于球罐的安全使用有着重大的恶略影响，液化气如果泄漏，就会很容易引起球罐爆炸，气体扩散到周围空气中，更容易引发中毒、火灾等重大恶性事故，同时产生的有毒有害物质将扩散到大气、土壤和水中，也会对环境带来严重的污染或造成极为严重的工程事故。这些已经存在缺陷的球罐就会面临着两种选择，报废后重新建造，或检查修复后再使用。为了能使人民的生命和财产得到安全保证，促进国民经济的健康稳定发展，使人们和谐生活，也使得压力容器能够得到安全使用，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会于 2004 年发布了《在用含缺陷压力容器安全评定》标准，标准中规定了钢制含超标缺陷压力容器的安全评定，于 2011 年发布了 GB150-2011《钢制压力容器》标准，标准中规定了压力容器的设计、制造、检验和验收要求。国家质量监督检验检疫总局于 2009 年修订了《固定式压力容器安全技术监察规程》，这些标准和评定对液化气球罐的材料选取、结构设计、制造、安装、使用管理与修改起着非常重要的作用。美国达拉斯石油公司对日本、澳大利亚等世界各国的大约 90 多台液化天然气球罐进行了调查研究，结果发现有三分之一的球罐都含有裂纹，大多数是由于存储的介质里含有硫化氢腐蚀物。英国对使用年限为 30 年以内的压力容器进行了调查，结果显示，破坏率为-47. 8  10，这个数字已经相当惊人，其中因为裂纹缺陷所造成的安全事故大约占89.3%。近年来，我国的许多科技研究者也对球罐的裂纹缺陷问题进行了许多方面的研究与探索。比如汪文峰和彭国平等研究人员对 Q370R 球罐组焊裂纹缺陷分别从形貌、金相组织、影响因素等多个方面做了深入的研究。他们对裂纹缺陷所研究的成果值得我们借鉴，但是还需要更多的工作者更加深入地去研究与探索。从已经发生事故的压力容器来看，除了少部分是因为设计不合理、选材不恰当、操作不规范等原因造成之外，其他大部分是由于裂纹产生的脆性破坏。经过多年使用后，很多工作者经过研究发现我国已经使用的压力容器中大多数都存在着不同程度的裂纹缺陷，严重地降低了球罐的承载能力，对球罐安全稳定运行造成重大的影响。

……….

 

1.2 研究现状

近年来，我国很多石化公司、压力容器研究院、高等院校压力容器性能研究所的研究人员和学者已经开展了一些围绕不同材质球罐裂纹的修复补强方面的研究。针对球罐裂纹缺陷一般采用了以下三种方法对其进行修复补强。当球罐存在初始的微裂纹、浅表裂纹时不需要补焊，可以对其采取表面热喷涂技术、表面喷丸处理的修复补强方法。其中表面热喷涂技术主要是指在球罐的母材上，在焊缝区和热影响区附近位置喷涂上一种金属材料，该材料的电位要比球罐基体的金属低，从而在球罐表面作为阳极而基体作为阴极，保护基体以防止裂纹的产生。喷丸处理是通过将球罐表面拉应力改为压应力，改变了球罐基体材料表面的应力性质，将拉应力改变成了压应力，最大限度地阻止球罐表面应力腐蚀的产生。江苏南京的一化工学院利用金属热喷涂技术对一台材料为 Q345R 的液氨球罐进行修复补强，对球罐避免产生应力腐蚀裂纹起到相当好的效果。采用金属热喷涂技术制备好的涂层，存在一定的孔隙率，喷涂完成后必须对球罐进行封闭处理，而封闭材料的选择和喷涂角度对金属喷涂层的防腐效果都有着直接的影响。对喷涂层人员的技术要求也非常高，处理的不理想就不会达到想要的效果。

……….

 

第二章 液化气球罐的裂纹成因及修复补强方法比较

 

2.1 液化天然气球罐裂纹存在类型

球罐产生的缺陷有各种各样的形式，十分复杂。经开罐检查，球罐缺陷主要有内外表面错边、焊缝咬边、夹渣、角变形、气孔、未焊透、未熔合和裂纹等。其中裂纹是球罐缺陷存在最常见的一种，同时也是最危险的一种缺陷。裂纹存在类型及来源介绍如下。裂纹的类型可以分为六类，第一类按发生部位分为母材裂纹、热影响区裂纹、熔合区裂纹；第二类按发生温度分为冷裂纹和热裂纹；第三类根据裂纹尺寸分为宏观裂纹和显微裂纹；第四类根据裂纹的扩展方向将裂纹分为纵向裂纹和横向裂纹；第五类根据裂纹发生的形态将其分为焊接形成的根部裂纹、焊趾裂纹和踵部裂纹；第六类根据裂纹产生的原因将其分为原材料裂纹、过载裂纹、疲劳裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹、腐蚀裂纹（应力腐蚀裂纹和氢致裂纹）。裂纹的来源有六种形式，第一种是原材料裂纹，原材料裂纹是因为母材在加工轧制过程中产生的缺陷，也包括焊接过程和热处理过程对母材产生的影响；第二种是焊接裂纹，焊接裂纹是因为球罐在组装焊接过程中产生的缺陷；第三种是热处理裂纹，热处理裂纹是在球罐焊接完成后为了消除残余应力而进行的热处理过程中产生的，热处理裂纹常在焊缝的热影响区产生；第四种是过载裂纹，过载裂纹是因为外加的载荷已经超过了材料自身的强度极限导致材料产生的裂纹，经常出现在工件受力最大的位置或在应力集中位置，而且裂纹的形貌纹理细长、尖锐，没有分枝或分枝很少；第五种是疲劳裂纹，疲劳裂纹是因为材料本身就有缺陷或结构设计不合理，造成工件局部受力过高，再经过重复不断的加卸载荷和不断的交变应力产生的裂纹；第六种是腐蚀裂纹，腐蚀裂纹是金属材料在腐蚀过程中生成的裂纹，典型的腐蚀裂纹是应力腐蚀。

………..

 

2.2 液化气球罐裂纹成因分析

球罐的安全使用主要包括选材、设计、建造、使用、检验这五个步骤。这整个过程是一个系统工程。从材料的选取，结构的设计，现场制造组装、使用以及检验。每一个环节都必须有效的结合起来，严格按照 JB4732-95《钢制压力容器—分析设计标准》来执行。每一个环节都有可能对球罐裂纹的产生埋下隐患，因此造成产生球罐裂纹的原因有很多，下面进行详细说明。在设计方面，球罐的设计安装及技术要求都要严格按照 JB 4732-95《钢制压力容器-分析设计标准》的规定执行，在现场组装时，球罐的各种尺寸都必须符合规定要求。无论液化气球罐的壁厚体积大小，一旦出现应力腐蚀倾向，就必须进行热处理，消除残余应力，否则就会很容易产生应力腐蚀裂纹。应力腐蚀裂纹的产生有很强的隐蔽性，它是金属基体材料在特殊的介质环境下，与应力相互作用产生的一种裂纹，有危险系数高，裂纹增长速率慢，宏观迹象不明显等特点。它属于脆性破坏的一种，也是最常见的一种破坏。特殊环境是指球罐存储的液化气介质中所含的 H2S 浓度较高，即球罐是在湿 H2S 环境下使用的。根据开罐统计，因为应力腐蚀而产生的裂纹占总裂纹的 42.2%，对球罐的安全运行容易产生重大影响。

………

 

第三章 球罐检测与安全评定 ....... 8

3.1 球罐检测技术........ 8

3.2 球罐检测情况....... 10

3.3 球罐检测后的安全评定.... 16

第四章 裂纹尖端应力强度因子的有限元计算 ....... 26

4.1 有限元计算应力强度因子的方法...... 27

4.2 裂纹尖端奇异性单元构造....... 28

4.3 裂纹有限元模型的建模方法..... 28

4.4 有限元计算模型的建立.... 29

第五章 球罐的修复与热处理技术研究 ........ 33

5.1 球罐裂纹的修复处理...... 33

5.2 球罐焊后热处理的可行性研究........ 37

5.3 热处理的工艺选定........ 37

5.4 质量保证措施....... 38

5.5 热处理后球罐水压试验及结果分析.... 39 

5.6 热处理后球罐气密性试验及结果分析....... 40

5.7 球罐修复后的安全评定.... 40

 

第五章 球罐的修复与热处理技术研究

 

5.1 球罐裂纹的修复处理

对球罐裂纹进行修复是整个球罐修复技术中最复杂的技术，球罐裂纹的产生原因分析、对球罐裂纹进行安全评定、对球罐进行消氢处理、对球罐进行热处理降低壳体残余应力、对裂纹进行打磨都是为补焊工艺提供焊前的准备基础，球罐裂纹由于补焊消除了原有的裂纹缺陷，但在补焊的过程中也易产生新的缺陷，例如冷裂纹、气孔、夹渣等新的缺陷。所以选择合适的补焊工艺是非常关键的。其前提条件就是要在保证不产生较大的残余应力的情况下，能够实现既避免新的缺陷生成，又能补焊好旧的缺陷，通常情况下球罐裂纹的补焊过程中要特别注意：一是避免材料出现淬硬性组织，重点是降低焊接区的氢含量，二是补焊过程中减少热应力和残余应力生成。技术人员首先根据从延安石油炼化厂机动科处收到《特种设备定检工作联络单》，与陕西省锅炉压力容器检验人员一起到现场确定每一处缺陷具体位置；在开工前技术员要向打磨人员描述每一处缺陷情况，使打磨人员对打磨部位有总体的感性认识。打磨前要再次用超声波测量缺陷位置；包括缺陷深度、长度，然后确定从球罐内或外开挖，同时为了施工方便，做出原则性规定，对于深度大于 2/3 从内侧开挖，小于 2/3 从外侧开挖。凡是深度高于 4mm 的裂纹，都需要进行补焊，补焊前必须对每一条裂纹都进行打磨和清洗，以防补焊过程中杂质进入焊接电弧区，使得氢溶入焊缝中。并对所需要补焊的裂纹进行标记编号。

……….

 

结论

 

根据现役液化气球罐现场修复技术的研究，不难发现裂纹是一种很常见而且很危险的缺陷，它的萌生与扩展很难得到有效控制。在国家发布的液化气质量标准中虽然已经明确规定了 H2S 的浓度，以及化工工艺控制，但是液化气球罐产生裂纹，不仅仅是由于硫化氢腐蚀所导致的，裂纹的萌生机理也是非常复杂的。为了保证现役液化气球罐的安全生产以及延长其服役寿命，正确地认识裂纹的产生机理，一直以来都是科研工作者努力的方向，然而在现场复杂试验条件的限制且缺乏较为深入细致地研究，基于以上种种原因本文仅开展了一些探索性的研究工作。

(1) 鉴于炼化厂一些液化气球罐由于裂纹缺陷而被判报废的事例，提出球罐修复技术的“安全、科学、实用、经济”的基本原则，确立了球罐修复技术研究的路线和方法，从而为科学系统地开展球罐修复打下了一定基础。

(2) 运用液化气球罐“体检”方法，分析了球罐的病症所在，即裂纹应是应力腐蚀裂纹，因此提出了局部热处理的方法给液化气球罐强身健体的有效措施。

(3) 基于“合乎使用”安全性评定原则，依据《在用压力容器安全评定》的标准，对液化气球罐的平面缺陷进行了安全性评定，为消除缺陷提供了科学、可靠的依据。利用ANSYS有限元软件进行裂纹尖端处应力强度因子的求解，与解析解对比，可以知道软件模拟结果可用，也解决一部分复杂裂纹没有准确的解析解情况下可以通过有限元软件求解的问题。

(4) 依据球罐体检结果和对裂纹成因的分析，对液化气球罐的部分裂纹采取了补焊处理的修复措施，以及对补焊的各个环节工艺控制做出了一些较为严格的规定。

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参考文献（略）