华东交通大学智能机电装备创新研究院, 江西 南昌 330013
我国高速铁路运行距离长, 服役环境多变, 对车轮钢的性能要求较高。 车轮钢的晶粒尺寸直接影响着车轮钢的力学性能, 且晶粒的特征和测量对材料科学有着重要的作用, 因此为了保证高速列车的安全运行, 对高铁车轮的晶粒度等级进行检测是十分必要的。 利用激光诱导击穿光谱(LIBS)实验平台对5个不同晶粒度等级的ER8高速列车车轮钢样品(经过不同热处理得到不同晶粒度等级)进行击穿获取光谱信息, 比较了基体元素Fe和合金元素(Cr, Mo, Co)的谱线强度与5个不同晶粒度等级的样品之间的相关性, 发现均与样品晶粒度等级存在不同程度的相关性。 利用此关系建立以谱线强度为变量的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型, 在建立模型前分别采用标准正态变量变换(SNV)、 多元散射校正(MSC)和Savitzky-Golay卷积平滑方法进行预处理。 通过比较各种预处理方法, 得出采用SNV预处理后建立的模型效果最佳, 建模集误判个数为4个, 准确率为95.7%, 预测集误判个数为3个, 准确率为90%。 在SNV预处理方法的基础上, 分别选择竞争性自适应重加权算法(CARS)、 连续投影算法(SPA)和CARS-SPA三种波长筛选方法进行波长筛选, 比较基于不同特征波长筛选的模型效果, 结果表明, 使用CARS进行波段筛选后建立的模型效果最佳, 建模集误判个数为2个, 准确率为97.9%, 预测集的误判个数为1个, 准确率为96.7%, 模型的准确率均高于90%, 可以将不同晶粒度等级的样品进行分类。 综合分析以上判别分析模型结果, 发现结合SNV预处理和CARS波段筛选后的PLS-DA模型的准确率最高。 研究表明, 采用激光诱导击穿光谱技术结合偏最小二乘判别分析高铁车轮钢晶粒度等级具有一定可行性, 可将其用于评估车轮钢表面晶粒度等级, 同时也为LIBS技术应用于不同晶粒度等级的高铁车轮钢研究提供了一定的基础依据。
车轮钢晶粒度等级 谱线强度 LIBS Wheel steel grain size grade Spectral characteristics PLS-DA LIBS PLS-DA 光谱学与光谱分析
2022, 42(11): 3428
华东交通大学机电与车辆工程学院, 江西 南昌 330013
我国铁路跨度长、 运营时间长、 运行环境变化较大, 故对于车轮的磨损较大, 为保障高速铁路的安全运行, 高速列车车轮表面硬度就成为了一项重要参考指标。 激光诱导击穿光谱(LIBS)实验平台对8块不同硬度的HS7高铁车轮用钢样品进行击穿获取LIBS光谱数据, 发现基体元素(Fe)和合金元素(Cr, Mo, W)的谱线强度、 离子与原子线的强度比值(Ⅱ/Ⅰ)以及合金元素谱线强度与基体元素谱线强度的强度比值(A/M), 分别与样品硬度有着不同程度的相关关系。 利用此相关关系分别建立了以谱线强度和谱线强度结合谱线强度比值为变量的偏最小二乘法(PLS)定量分析模型, 在建立模型前采用标准正态变量变换(SNV)、 Savitzky-Golay卷积二阶导和高斯滤波(Gaussian filter)三种预处理方法来减小实验误差。 结果表明, 以谱线强度为变量的模型中采用SNV预处理后建立的PLS模型效果最佳, 校正集的确定系数为0.98, 均方根误差为1.30, 预测集的确定系数为0.90, 均方根误差为2.43; 以谱线强度结合谱线强度比值为变量的模型中采用原始数据建立的PLS模型效果最佳, 校正集的确定系数为0.99, 均方根误差为0.79, 预测集的确定系数为0.94, 均方根误差为2.44, 且通过对比发现以谱线强度结合谱线强度比值为变量的模型其预测精确度及其稳定性相比于以谱线强度为变量的模型均有所提升。 该结果表明, 利用谱线强度和离子与原子线的强度比、 合金元素谱线强度与基体元素谱线强度的强度比相结合的结果作为模型变量, 能显著提升PLS模型对于金属材料表面硬度预测的能力, 可以构建一种相关性更强的定量分析模型。 研究表明, 采用激光诱导击穿光谱技术结合偏最小二乘法定量分析高铁车轮硬度具有一定可行性, 可将该技术应用于现场诊断、 估算高速列车车轮表面硬度, 为维持高速列车安全运行提供一定的保障。
激光诱导击穿光谱 高速列车车轮表面硬度 谱线强度 偏最小二乘法 Laser-induced breakdown spectroscopy Surface hardness of high speed train wheels Spectral line intensity Partial least squares 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3109
1 辽宁工程技术大学计算力学研究所，辽宁 阜新 123000
2 辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁 阜新 123000
数字图像相关（digital image correlation，DIC）方法是一种物体变形的非接触式测量方法，包括局部DIC方法和全局DIC方法。局部DIC方法未考虑变形协调导致局部化变形测量结果存在一定的误差，而全局DIC方法充分考虑了变形协调，但测量效率不高。为此，对于测量局部化出现后的变形，提出了一种全局与局部匹配相结合的局部化变形测量DIC方法。首先，利用局部DIC方法测量物体表面的变形并确定全局DIC方法的计算区域；然后，利用全局DIC方法测量该区域的变形，并以该测量结果更新局部DIC方法的测量结果。通过虚拟剪切带形成的数值实验和土样的双轴压缩实验，对比了局部DIC方法、亚像素初值的九节点全局DIC方法和提出方法的测量结果。研究发现，当尺寸合适时，提出方法在增加少量测量耗时的情况下可保证局部化变形测量精度，测得的剪切带内最大剪切应变的最大值比局部DIC方法的更大。相较于局部DIC方法，提出方法和亚像素初值的九节点全局DIC方法更适于测量局部化出现后的变形，且提出方法在测量效率方面更具优势。
图像处理 数字图像相关方法 测量 局部化变形 单元 子区 剪切带 激光与光电子学进展
2022, 59(10): 1012001
1 辽宁工程技术大学计算力学研究所, 辽宁 阜新 123000
2 辽宁工程技术大学力学与工程学院, 辽宁 阜新 123000
3 辽宁工程技术大学机械工程学院, 辽宁 阜新 123000
数字图像相关 (DIC) 方法是一种重要的位移和应变非接触式测量方法。为了对物体的非均匀应变进行准确测量,在DIC方法中引入位移最小一乘拟合,鉴于最小一乘拟合解析方法求解困难,采用基于模拟退火的混合粒子群算法进行求解。开展了虚拟剪切带形成的数值实验和相似材料断层滑移实验,并对非均匀变形条件下最小一乘拟合和最小二乘拟合的应变测量结果进行对比。研究发现:对于非均匀应变测量,最小一乘拟合的结果要优于最小二乘拟合;而对于均匀应变测量,两种方法具有相同的精度。
测量 数字图像相关方法 非均匀应变 最小一乘拟合 最小二乘拟合
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为了提高Z箍缩动态黑腔中低密度泡沫柱的装配精度, 基于辅助移动平台和视觉识别工艺的基础上, 对低密度泡沫柱装配的误差源进行了分析与建模。建立设计、加工和装配误差源传递模型和低密度泡沫柱装配同轴度及轴向夹角精度预测模型, 获得各误差源对低密度泡沫柱装配精度的影响大小和规律。最后采用某负载进行了模型的有效性验证, 当泡沫柱粘接随机位置误差较小时, 同轴误差预测值与实测值偏差为001~0.03 mm, 轴向夹角预测值与实测值偏差为0.05°~0.34°。实践表明, 该方法可为低密度泡沫柱装配精度的预测和误差源控制提供一定的理论支撑。
动态黑腔 低密度泡沫柱 误差源 装配方案 精度预测 dynamic hohlraum low density foam column error source assembly program precision prediction 强激光与粒子束
2016, 28(11): 112002
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
利用研制平台、激光衍射直径在线表征设备、扫描电子显微镜及力学性能测试设备等对超细钨丝的直径周期调制成型过程及单丝性能进行研究。结果表明,正电压与零电压交替出现的电解腐蚀方法可以用于制备连续型直径周期调制钨丝; 电解电压1.4 V和1.6 V下,100~500 g·L-1的NaOH体系下,钨丝均能表现出较明显的直径周期调制形貌; 电解电压更高时,只有当NaOH浓度低于500 g·L-1时,钨丝才能呈现周期调制的形貌。钨丝电解抛光的质量损失与电流强度和腐蚀时间存在正比关系,在特定条件下超细钨丝的重量损失与电流强度、电解时间二者乘积的比值为5.35×10-5 g·C-1。在电解液质量浓度200 g·L-1,电解电压2.0 V下,以3 s的腐蚀时间制得的直径调制钨丝的粗段直径为12.2 μm,细段直径为9.8 μm,减径率约20%,其单丝断裂力可达0.288 3 N。
超细钨丝 电解腐蚀 周期调制 激光衍射 Z箍缩 ultra-fine W wire electrochemical corrosion modulation laser diffraction Z-pinch 强激光与粒子束
2016, 28(5): 054101
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
厚度低于5 μm的AlMg合金箔材可作为带材切割的原材料应用于Z箍缩物理实验。利用热蒸镀方法，通过控制沉积速率在超光滑的NaCl基片上获得了AlMg薄膜，最终在脱膜后获得了厚度低于5 μm的无支撑AlMg箔材。实验对该箔材的厚度均匀性、表面粗糙度、衍射峰位、晶粒尺寸及距表面不同距离下的成份进行了分析表征。实验发现，此热蒸镀法制备的AlMg合金箔材的厚度均匀性优于8%，两面的表面粗糙度均小于180 nm，晶粒尺寸约20 nm; 不同厚度样品的衍射峰位未明显偏移，箔材内应力很小; 不同深度下Mg含量稳定分布，而在箔材表面杂质含量较高，在距表面6 nm以下合金含量达到预期值并趋于稳定。热蒸镀法制得的无支撑AlMg合金箔材具有厚度可控且均匀、成分稳定、内应力小的特点，适用于制备Z箍缩带阵负载。
铝镁合金 热蒸镀 粗糙度 带阵 Z箍缩 AlMg alloy thermal evaporation roughness ribbon array Z-pinch 强激光与粒子束
2016, 28(2): 022002
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
根据准球型负载的结构和材料特点及其装配过程中对精度的要求，开展了丝阵和泡沫微球装配技术的研究。并根据准球型负载的丝阵装配技术，进行了丝阵直径约8 mm、钨丝直径约10 μm的丝阵负载装配；利用泡沫微球装配系统进行了直径约3 mm微球与直径约200 μm玻璃纤维的精确装配。准球型负载已成功应用于准球型负载物理试验中，并取得了较为理想的试验结果，有望在惯性约束聚变(ICF)物理试验及准球型负载物理试验中发挥更大的作用。
装配精度 准球型负载 惯性约束聚变 Z箍缩 钨丝 低密度泡沫微球 assembly precision quasi-spherical load inertial confinement fusion Z-pinch tungsten wire low-density foam microspheres 强激光与粒子束
2014, 26(10): 102002
1 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
2 等离子体物理重点实验室, 四川 绵阳 621900
根据电磁箍缩物理实验需求，设计出了一种具有自适应结构的电磁箍缩铝带阵负载。采用手工裁剪和激光裁剪两种方法来制备铝带，表征了两种方法制备出铝带的边缘形貌，并优选出激光裁剪法做为铝带的裁剪方法。分析了激光裁剪铝带的力学性能，30 mm×1 mm×5 μm的铝带断裂强度约116 cN，延伸率约为1.3%。利用上述铝带成功装配出了具有自适应结构的电磁箍缩铝带阵负载，且其自适量达到了4.5 mm的物理实验需求，可应用于“强光一号”物理实验。
电磁箍缩 铝带阵负载 自适应 力学性能 Z-pinch aluminum cingulum array self-accommodating mechanical performance 强激光与粒子束
2014, 26(7): 072004
中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
金属纳米线阵列是X射线强辐射源研究中的重要材料之一，针对物理实验对纳米线阵列结构尺寸的特殊要求，采用集束热拉伸法制备了包埋高度取向的聚苯乙烯微纳米线有序阵列的聚乙烯复合丝，经切片、选择性溶解等后处理得到多孔聚乙烯模板材料。光学显微镜及扫描电镜(SEM)观测表明，模板中的小孔呈较规则的阵列结构分布，其孔径可在200 nm到几十μm之间调节，孔间距可在1 μm到几十μm之间调节。通过比较实验的预设值和实测值表明，该方法可以实现对模板结构尺寸的设计和控制，进而将实现对纳米线阵列的尺寸控制。
集束热拉伸 聚合物模板 尺寸控制 多孔阵列 bundling-drawing polymer template size control porous array 强激光与粒子束
2013, 25(12): 3247
