工程碩士論文精選3篇

來源: www.126151.tw 發布時間:2017-10-08 論文字數:38562字
論文編號: sb2017082822022117003 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是工程論文,本文以基于FPGA的混合信號芯片測試系統設計、重型汽車雙金屬制動鼓的“旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術研究、激光高速沖擊焊接異種金屬箔板研究為例介紹了高年工程

工程碩士論文一:基于FPGA的混合信號芯片測試系統設計


第 1 章  緒論  
 
1.1 研究背景  
在過往的幾十年中,由于現代通訊系統的爆炸性發展,越來越多地采用混合信號的設計,將數字和模擬元件集成在單個芯片上,以提高性能并降低電路板尺寸和成本。這對集成電路芯片的測試工作提出了非常嚴峻的挑戰,隨著集成電路工作頻率的不斷提高,在混合信號器件的生產中,測試作為一個重要的限制因素,對制造成本有很大影響,同時為了保證芯片在應用上的可靠性,這些芯片的測試與測量又是必不可免的[1-2]。 現代電子系統以數字方式處理和存儲信息。但是,由于世界的模擬性質,從模擬到數字和從數字到模擬的轉換是總是不可避免地由數據轉換器執行:模數轉換轉換器(ADC)和數模轉換器(DAC)。在數?;旌闲盘栃酒?,雖然模擬部分和數字部分放在同一基底上,使得整個系統的性能和成本可以達到最優,但是卻給數?;旌闲盘栃酒臏y試帶來了巨大的困難。同時,數字系統的  EDA  軟件遠遠先進于模擬系統和數?;旌舷到y,混合信號系統的測試和建模非常困難[3]。根據各種因素,包括技術規格,系統分區,和市場需求,數據轉換器可以集成在同一芯片上,或在同一封裝上,與其他模擬或數字塊一起,或者它們可以獨立。大多數獨立的數據轉換器是 13-16 億美元標準的一部分模擬市場,還包括放大器,比較器,以及接口和電源管理設備。事實上,數據轉換器構成了這個市場的 16%,但它們是生長速度比其他組件快,僅次于電源管理設備,單位出貨量從 2010 年的約 29 億臺估計到 2015 年的銷量約為 47 億臺。這還不算嵌入式數據轉換器與數字信號處理器(DSP)的各種應用,范圍從消費電子(例如音頻設備,手機,成像設備,DVD 和多媒體播放器等),嵌入式控制器,過程控制和儀表。 DAC 和 ADC 作為典型的數?;旌闲盘栃酒?,其內部分為數字模塊和模擬模塊,作為數字和模擬相互轉換的關鍵一環,其重要性不言而喻。如上所述,基于數字信號處理(DSP)的系統需要 ADC 和 DAC,以便其能夠交換信息或控制過程物理模擬世界?,F如今移動通信系統已經進入 4G 時代,相對于 3G 時代,系統前端的射頻頻率更高,網絡頻譜更寬,對于 ADC、DAC 的性能要求也越來越高。由此數據轉換器必然朝著高速度高精度的方向不斷發展。相應的高速高精度測試系統也越來越重要,只有在測試的過程中不斷地發現問題才能提高設計的穩定性和驗證設計的正確性。 隨著數?;旌闲盘栃酒乃俣群途鹊奶岣?,對于測試系統的數字信號傳輸有了更高的要求。由于高速信號的周期較短易受干擾(如電磁輻射和串擾),對于 PCB 設計者來說無疑增加了一定挑戰。同時測試系統還需要具備傳輸、分析和存儲這些大吞吐量的高速數據流的能力。因此對于高速高精度數據轉換器的測試系統設計具有相當的難度。 
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1.2 國內外研究現狀  
對于集成電路芯片而言,高速模數轉換器和數模轉換器的設計和應用最為復雜,這些芯通常需要應用在軍事和通訊領域上,對其性能和高低溫的穩定性有著非常高的要求,同時還要不斷地提高芯片的工作頻率,并且保證芯片的性能不斷提升。因而對于這些高速高精度數據轉換器的通用測試平臺設計是非常重要和必需的。而在這一方面國外的設計經驗是非常成熟的,常用的方法是通過邏輯分析儀分析傳輸過程中的高速信號,比較成熟的有安捷倫,泰克和力科等儀器儀表公司。在測試過程中用邏輯分析儀的探頭抓取數字信號,分析其時域和頻域的性能,然后通過網口或硬件存儲設備轉移到 PC 機上進行進一步分析。目前國外的很多公司(主要有  德州儀器半導體、亞德諾半導體  和 Maxim  等)和高校都有對高性能數據轉換器的測試進行研究,其主要研究方向為可測性設計(DFT)與內置自檢(BIST)技術,同時芯片測試還包括靜態測試和動態測試。 數據轉換器作為一塊重要的市場,國外的發展一直是領先于國內的,而美國的 ADI和 TI 公司幾乎占據了大部分全球市場份額,尤其是在高速高精度數據轉換器方面,ADI幾乎占據了 80%的市場,與此相對應的每款產品,ADI 都會提供相應的 DEMO 板、測試方案和 PC 機上的軟件測試界面。以 ADI 的模數轉換芯片  AD9694 為例,該芯片為四通道  14  位高速模數轉換器,最高可以工作在 500MSPS  的條件下,該芯片采樣 305 MHz,1.80  V  p-p 輸入范圍信號的 SFDR 可達到 82  d BFS,SNR 達到 66.8  d BFS,并支持子類 1 JESD204B 高速串行數字輸出,為通信系統,雷達航天領域提供了高達 1.4  GHz 的寬帶模擬信號采樣。如圖 1.1 所示,為 AD9694 評估板,圖 1.2 為 AD9694 的完整測試系統,圖中左側為測試板,右側連接的為測試基板,總共 6 個信號源,一個提供采樣時鐘、一個參考時鐘、其他四個提供了 4 個通道的輸入信號。該測試系統采用 USB 接口與 PC 機之間相互通信,PC 機通過上位機軟件配置芯片寄存器,FPGA 通過 USB 向 PC 機傳輸AD 采樣數據。同時 ADI 提供 Visual Analog 軟件包用來與器件的硬件部分實現接口,允許用戶下載捕獲的數據并通過用戶友好型圖形界面進行分析。ACE 軟件包也兼容硬件部分,允許用戶使用 AD9694 的 SPI 可編程功能。 
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第 2 章  數據轉換器基礎知識  
 
2.1 ADC 結構與基本參數  
在電子學中,模數轉換器(ADC,A/D,A-D 或 A-to-D)是將模擬信號轉換為離散時間信號的系統,例如麥克風拾取的聲音或進入數碼相機,成為離散時間信號。ADC還可以提供隔離測量,例如將輸入模擬電壓或電流轉換成與電壓或電流的幅度成比例的數字的電子裝置。長期以來,ADC 已廣泛用于數字測試設備。最近,ADC 的應用已經廣泛擴展到許多以前完全是模擬的電子系統并實現使用數字電子。這種應用的實例包括數字電話傳輸,無繩電話,交通和醫療成像。此外,ADC 已經應用于全數字化的系統,而這些數字系統也因此提升到更高的性能水平。常見的 ADC 有 Flash  ADC、二依次逼近 ADC、pipeline 型 ADC、 ???ADC  、積分型 ADC。ADC 需要一個實線范圍并將其分成更小的子范圍。每個子范圍的大小經常稱為步長。這些步長通常大小一致,但不總是一致。用于壓縮編解碼器的 ADC 是具有非均勻步長的 ADC 的一個示例。在這種情況下的步驟大小遵循對數標度,對每個子范圍或步驟分配代碼。然后,在轉換過程中輸入樣本并被映射到該實數線上。ADC 然后決定哪個子范圍對應到樣本,并將適當的數字代碼發送到輸出。通常,模數轉換器的數字輸出是與輸入端信號模擬量大小成比例的二進制補碼,但是還有其他的格式。
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2.2  奈奎斯特準則 
奈奎斯特準則:對連續時間模擬信號以等時間間隔 ts=1/fs 的大小采樣,該采樣時間大小必須精心選擇,確定采樣得到的數據能夠準確描述輸入的連續時間信號。很顯然,采樣時間間隔越小,模擬信號的量化值對模擬信號的表示就越準確。如果采樣時間間隔越大(采樣頻率越小),則小到一定程度時,連續時間信號的重要信息將由于得不到采樣而遺失。在貝爾電話實驗室工作時期,Harry Nyquist 分別在 1928 和 1924 年分別發表了兩篇經典的學術論文,奠定了采樣定律的理論基礎。在這隨后不久,R. V. L. Hartley 在Nyquist 的原始工作基礎上進行了擴充。這些理論形成了上世紀四十年代 PCM 工作的基礎,之后在 1948 年 Claude Shannon 發表了其有關通信理論方面的經典學術論文[13]。 簡而言之,奈奎斯特采樣標準要求采樣頻率必須大于帶限信號中包含的最高頻率M? 的兩倍,才能保證與信號相關的信息不會遺失。如果采樣頻率小于帶限信號中包含的最高頻率M? 的兩倍,將會導致混疊的現象的發生。 奈奎斯特采樣帶寬被定義為從 0~fs/2 的頻譜。整個頻譜被分為無限個奈奎斯特區,每個區具有等于 0.5fs 的采樣寬度。如上圖所示,在實際工程中,理想的采樣器用模數轉換器 ADC 來替換,然后是快速傅里葉分析器。FFT 分析器僅提供 dc~fs/2 的頻率輸出,也就是在第一奈奎斯特區域中的采樣信號以及混疊信號。 對于基帶采樣信號,當理想采樣器的輸入端沒有經過濾波時,對于 Nyquist 帶寬外的任意頻率(包括噪音和雜散信號)都將會混疊到第一奈奎斯特區域中,所以在信號的輸入前端需要添加一個抗混疊濾波器來消除這些不需要的信號。 
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第 3 章 測試系統硬件平臺分析      
3.1 測試系統概述...........12      
3.2 測試系統基板結構..........13      
3.3 測試子板.......17      3.4 小結 .....19 
第 4 章 測試系統高速傳輸模塊設計      
4.1 高速傳輸模塊總體架構.....20      
4.2 ADC 接收模塊 ...........20      
4.3 異步 FIFO 讀寫控制..........24      
4.4 GTH 收發器時鐘和復位.....26     
4.5 數據發送和接收模塊..........30      
4.6 小結..........32 
第 5 章 基于 MICROBLAZE 的系統設計      
5.1 基于 Microblaze 處理器的系統總體架構.......33      
5.2 Microblaze 處理器........34      
5.3 SPI 控制器設計......35      
5.4 AXI 總線.......39      
5.5 Microblaze 外圍模塊設計.......39      
5.6 系統驅動設計...........46 
 
第 6 章  ADC 測試平臺驗證  
 
6.1 ADC 測試概述  
上一章已經完成了 FPGA 上的模塊設計,包括邏輯設計和系統驅動模塊設計,下面將驗證整個測試系統進行軟件自動化測試的流程。整個測試過程需要兩臺信號源,一臺直流穩壓源,測試基板,測試子板,帶通濾波器以及連接線。兩臺信號源分別輸出 125MHz 時鐘信號和 ADC 芯片輸入信號。對于輸入信號,由于信號源本身輸出信號避免不了混入噪聲和一定的直流分量,這些對測試結果都會造成很大的影響,因此必須在信號輸入前端使用對應頻率的帶通濾波器,將那些噪聲等濾掉。測試基板電壓輸入為 6.75V,限流為 2A,測試基板加測試子板功率大概輸出 10W。如圖 6.1 為測試整體框架,待信號源,穩壓源,測試平臺連接好以后,打開電腦上的串口程序和測試平臺上位機軟件,然后設置網絡 IP 地址,燒寫 FPGA 程序開始測試。上位機軟件采用 NI 的 Labwindows cvi 開發平臺,界面美觀并且采用 C 語言編程,不用像 Labview 那樣使用圖形化編輯語言 G 編寫程序。  對于網口程序 xapp026 中提供了 txperf.c 例程,其包含了一個 Txperf 服務器一直發送自己產生的遞增碼數據,直接調用 start_txperf_application()即可創建 tcp 連續發送端口,端口號為 7。PC 機端可以通過 iperf 客戶端測試系統基板發送數據的吞吐量,通過輸入iperf  –c 連接到測試基板設置好的服務器端口,接收并計算其發送的數據吞吐量。此測試程序與 echo 服務器端口不同,對于測試基板來說其發送的數據為連續發送,不需要上位機發送命令,只是用來測試該網口的傳輸速度。
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總結
 
本文主要完成了 ADC 混合信號芯片的測試系統設計,主要工作都在 FPGA 上完成,分為高速傳輸模塊和基于 Microblaze 處理器的控制模塊,兩個模塊分別使用光口和網口與上位機通信。為了保證測試平臺的通用性,本次測試基板采用了 FMC 標準接口模塊,測試子板需要基于這一標準設計夾層卡,對于不同的測試子板只需略微修改 FPGA 程序即可。 
1、分析了測試系統的整體設計目標,以及整個測試系統的主要模塊。介紹了測試基板上的硬件模塊和通用接口,包括主芯片和各種外圍器件的性能。然后介紹了本次設計需要測試的一款 ADC 芯片,并分析了其測試子板的硬件模塊和其測試過程。 
2、FPGA 高速模塊設計。本次設計使用 virtex-7 系列 FPGA,包含了大量的邏輯資源和 serdes 模塊,非常適合高速數據傳輸。通過調用 FPGA 內部的 select IO 資源(IBUFDS、IDDR、BUFG 等)完成數據接收,然后調用 GTH 收發器并設計了時鐘和復位邏輯,并完成 GTH 數據發送和接收邏輯。 
3、基于 Microblaze 處理器的控制模塊。在 vivado 軟件中設計測試系統的邏輯模塊化設計,調用 xilinx 提供的通用 IP 核模塊,并將 ADC 數據轉成基于 AXI4-Stream 標準的總線信號連接到系統中。在生成并導出 bit 文件后,在 SDK 軟件中完成了系統驅動層設計,主要分為:LWIP 協議 tcp 傳輸模塊,SPI 控制器模塊,DMA 控制模塊,中斷啟動和監聽模塊,GPIO 控制模塊。最后,在上位機軟件的配合下測試了一塊高速 ADC 芯片,驗證了該測試平臺的功能是 否正確 。
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參考文獻(略)

工程碩士論文二:重型汽車雙金屬制動鼓的“旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術研究

 
第一章  緒  論 
 
1.1 引言 
伴隨社會經濟的快速發展,汽車在國民經濟生活中起著越來越重要的作用,成為人們日常生活中最重要的交通工具,與此同時交通事故也與日俱增,制動系統失效引發的車禍更為觸目驚心[1]。制動器是車輛制動系統的核心部件和保安件,按照類型分為鼓式和盤式兩種,其中制動鼓作為鼓式制動器的摩擦偶件對行車安全更是至關重要。制動鼓的可靠性質量直接影響行車安全,并給道路活動參與人員帶來隱患,特別是近幾年在高速行駛車輛上發生的開裂、脫落引發的人身傷害事故屢見報端。根據統計,國內的重型汽車制動器維修中,蹄鐵磨損及制動鼓開裂占較大比例,特別是制動鼓壽命較短、更換頻繁且關聯費用較高,直接影響車輛運行收益,帶來很大的用戶抱怨。 現代社會提倡節能環保的,車輛的燃油經濟性指標大受人們追捧,“高速度、高載荷、輕量化、高效率”成為商用車發展的主流。與此同時行車環境卻變得越來越復雜,高速超車、行人穿越等導致的制動,特別是緊急制動變得越來越頻繁,人們對車輛制動效率和舒適性的要求也日益提高。然而在在以鼓式制動器為主流配置的商用車尤其是重型汽車市場上,制動鼓逐漸暴露出諸多問題,主要表現為: ①部分制動鼓材質產品易變形,硬度偏低導致異常磨損引發早期失效。 ②制動鼓材質硬度過高,發生制動打滑及異晌。 ③制動鼓驟冷產生龜裂進而導致脆斷。 
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1.2  制動器的原理與制動鼓受力分析 
在汽車等各種運行車輛的重要組成中,制動系統是不可或缺的部分,其直接關系行車平穩與安全。目前最為常見的車輛制動器按照制動類型可分為“盤式制動”與“鼓式制動”兩種。但無論采用哪種制動方式,發揮制動作用的均為制動盤/轂與摩擦材料(制動片)所組成的摩擦副。鼓式制動器是國內最常見的汽車制動器形式,尤其是在重型汽車領域仍占據主導地位。鼓式制動器在整車位置及總成圖分別如圖 1-1、圖 1-2 所示,其作用是通過制動鼓與摩擦片的摩擦產生制動力以使車輛停止。最常見的鼓式制動器一般由鑲嵌或鉚接摩擦片的蹄鐵、制動底板、制動鼓、防塵罩、回位彈簧、間隙調整臂及連接螺栓等組成。其中制動鼓是旋轉元件,內圓柱面為其工作面,制動底板和制動蹄鐵等固定部分分別設計有固定支承銷及和張開回位結構,在液壓缸和凸輪作用下可使制動蹄張開以與制動鼓接觸產生制動力;制動結束后再利用上端固定的回位彈簧使制動蹄回位,解除與制動鼓的接觸,恢復正常行駛;調整臂用來調整制動蹄鐵與制動鼓的間隙,以保證可靠的制動效果。 
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第二章   復合成型雙金屬制動鼓的整體設計方案 
 
2.1 灰鑄鐵/碳鋼復合鑄造概述  
在現代工業中,多數鑄造零部件作為箱體及支撐體等受力件來使用,服役環境和工作條件非常惡劣,同時部分產品如變速箱、發動機缸體等形狀復雜,完全更換的成本很高。通過優化產品設計并采用新型工藝來增強耐用性就成為企業發展生產、降低成本的主要手段。復合成型方法在此方面具有先天優勢,特別是灰鑄鐵及碳鋼同屬于鐵碳合金,具有相近的元素構成、優異的物理性能及廣泛的應用領域,因此也吸引了國內外研究人員針對鑄鐵/鋼復合鑄造的理論與應用進行了大量的研究。 不同材料之間彼此結合、能起載荷傳遞作用的微小區域稱為界面,從微觀形貌來看其不是一個單純的幾何面,而是不同材料之間的過渡區域并具有多層結構。在外部載荷作用下,材料發生外力傳遞,界面傳遞效應可以有效地將外力傳遞給增強體以降低產品的應力集中。適當的界面設計還可以有效防止基體組織的晶格畸變、滑移,降低缺陷處的裂紋擴散,避免終端材料的破壞。在鑄鐵與碳鋼發生液固結合條件下,碳元素等會由于碳濃度和溫度梯度的存在而發生原子的互擴散,并在降溫凝固過程中因碳含量的差異分別發生共晶、亞共晶和亞共析、共析、過共析等不同反應從而形成反應結合。界面結合的過程機理一般分為兩類。 一是鑄液與芯材接觸處鑄液瞬時凝固,然后凝固層再熔化的鑄液與未凝固鑄液混合,這個過程芯材表層熔化后與鑄液共混,導致熔合線附近的碳及合金元素含量降低,外層鑄液自外向內凝固,稱為融合結合。 
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2.2 灰鑄鐵/碳鋼復合鑄造應用前景
由于雙金屬復合鑄造具有改善產品綜合性能,提高鑄件壽命及合理利用材料來降低成本的優點,成為推動鑄鐵/碳鋼復合鑄造發展的主要動力。國內肖曉峰??9?等人為改進濕式球磨機的服役環境下易磨損的襯板部件壽命,應用了高鉻鑄鐵/碳鋼雙液雙金屬鑄造工藝,耐磨系數達到普通合金襯板的 3 倍。胡祖堯等人也采用采用高鉻鑄鐵和碳鋼的復合鑄造工藝制作了新型顎式破碎機顎板,將其相對耐磨系數提高至傳統高錳鋼顎板的 4-6 倍,使用壽命增加了 2-4 倍。在傳統的汽車零部件領域,通過采用灰鑄鐵/碳鋼復合材料的制動鼓,即剎車鼓內側發揮摩擦的是灰鑄鐵基體,而制動鼓外側采用優質低碳鋼包覆,能夠同時滿足高韌性抗變形及易散熱、高耐磨的產品使用要求,有效提高制動鼓的使用壽命,降低了使用成本。 復合材料具有兩種或以上的不同性質通過物理(和)或化學方法組合而成,具有優良的使用性能,能夠克服單一材料的性能局限,滿足現代工業產品同時具備高強度、高塑性以及高硬度、高韌性的綜合性能要求。當前單一材料或合金已經很難滿足現代化生產對材料綜合性能的需求??2?,雙金屬復合鑄造因其理論成熟、工藝簡潔、成本較低等優點,迅速成為現代工程材料成型方法的必然選擇。雙金屬復合材料的制備有激光熔覆、粉末冶金、氣相沉積、表面堆焊、模壓(沖壓)成型、復合鑄造等多種物理化學方法。在普通灰鑄鐵產品的性能提升中由于其及碳鋼同屬鐵碳合金,有著相近的元素構成、物理性能,因此就性價比而言,復合鑄造方法在制備灰鑄鐵/碳鋼復合材料方面具有明顯的優勢????,也是制備灰鑄鐵/碳鋼復合材料的主要途徑,具有廣泛的應用前景。  
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第三章   復合成型雙金屬制動鼓的外殼旋壓成型 ......... 17 
3.1  旋壓技術介紹 ...... 17 
3.2  旋壓工藝分類 ...... 18 
3.3 復合雙金屬制動鼓外殼的旋壓方案 ...... 18
3.4 本章小結 ........ 24 
第四章   復合成型雙金屬制動鼓的離心澆鑄成型 ......... 25
4.1 離心澆鑄系統 ....... 25 
4.2 復合制動鼓的試驗方案 ..... 27 
4.3  實驗結果 ....... 30
4.4 本章小結 ........ 35 
第五章   復合成型制動鼓的有限元分析及應用檢驗 ..... 36 
5.1  鑄造  CAE  計算方法 ........ 36 
5.2  鑄造  CAE 現狀 .......... 36
5.3 復合雙金屬制動鼓的有限元分析 .......... 37
5.4 雙金屬制動鼓的動平衡控制及改進 ...... 44
5.5 臺架試驗及市場驗證情況 ........ 46 
 
第五章   復合成型制動鼓的有限元分析及應用檢驗 
 
灰鑄鐵/碳鋼復合鑄造是一個復雜的過程,其共融界面的形成包含溫度及碳濃度梯度以及對應的熱傳導及元素擴散過程。制動鼓低碳鋼外殼及其周圍鑄液的溫度變化需要借助鑄造 CAE 軟件來獲得詳細的溫度曲線,同時也可以建立有限元分析模型來開展復合成型制動鼓的應力應變分析,從而找到改進的方向,更加高效地解決問題。 
 
5.1  鑄造  CAE  計算方法
CAE 系統需要離散化的結構,這也是鑄造 CAE 系統的核心。有限元法(FEM)和有限差分法(FDM 是目前比較成熟的建立離散化結構的方法。鑄件通過結構的離散化可建立劃分為有限數目的規則單元組合體的模型,然后對所劃分單元進行計算分析,按照特定的算法,得到近似的結果,從而實現離線模擬和仿真。 有限元法(FEM)是一種連續體問題的求解方法,其通過把研究對象設置為連續體,并將連續體離散化分為若干個有限大小的單元體來實現連續體的問題求解?43?。該方法特別適合負責的產品零件尤其是薄壁件,有限元法不僅求解精度高,而且能夠精確描述模型的幾何形狀并可以隨意疏密不同地網格剖分模型的任意部位。在對研究對象設置好模擬邊界條件、材料物理性能等通過逆向計算模塊進行反算。因此,在我們經常研究中所遇到的數據欠缺問題也能夠得到高效解決。   
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總結 
 
當前國內各汽車主機廠及科研機構持續開展了高性能制動鼓的研究和推廣工作,通過對灰鑄鐵組份的合金化以及產品設計的復合成型,可以提高重型汽車制動鼓的性能和使用壽命。本文正是基于上述理論為基礎,針對“旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術開發的重型汽車雙金屬制動鼓開展了研究,主要完成了以下工作:
1.在開展重型汽車制動鼓工作原理及失效分析工作基礎上,對基于“旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術的重型汽車雙金屬制動鼓的設計、加工原理進行了闡述。 
2. “旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術的重型汽車雙金屬制動鼓的工藝開發中,系統論證了在離心澆鑄型腔的外殼的鋼板材質選擇與確定,重點解決外殼的材料的變形率與強度匹配優化。外殼的旋壓成型設備選擇與模具優化 重點解決旋壓模具的精度以及壽命問題;通過離心澆鑄系統的設計與優化,解決離心澆鑄過程中澆鑄溫度、澆鑄時間控制,提高了產品質量的穩定性。 
3.針對復合成型雙金屬制動鼓因材質差異帶來的金切性能差異,優化刀具、工裝及加工參數,實現加工尺寸的穩定性;改進產品的動平衡量控制從焊接配重塊改進為在加強外圈上銑外圓實現平衡量控制,解決了產品的平衡量超差問題。 
4、完成了“旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術重型汽車雙金屬制動鼓的臺架性能試驗及整車用戶驗證,實現了課題設計的初始目標。 本研究最終認為:在制動鼓的產品設計中應用“高強度灰鑄鐵+優質低碳鋼”復合成型模型,實現異形截面設計降低重量的同時,有效改善了制動鼓的對流換熱條件和效率,進一步提高了產品的耐用性。重型汽車制動鼓的“旋壓成型與離心澆鑄”復合成型技術具有廣闊的應用空間和市場前景。
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參考文獻(略) 
 

工程碩士論文三:激光高速沖擊焊接異種金屬箔板研究

 
第一章  緒論 
 
1.1 引言 
隨著航空、航天、汽車、電子、船舶等現代工業的飛速發展及科學技術的日新月異,構件不僅要滿足一般的力學性能要求,還需滿足導電性、導熱性、耐磨性、耐腐蝕性等多方面的性能要求。同時,在能源供給和環境負荷的雙重壓力下,結構的輕量化設計在現代工業中已經成為一種趨勢。在這種情形下,任何一種單一的材料都難以同時滿足各項性能要求,將具有不同性能的異種材料焊接起來制造異種材料復合結構是解決這一問題的一種有效途徑[1,2]。 由于異種金屬材料在熔點、熱膨脹系數、導熱性和電磁性等物理和化學性能方面存在顯著的差異,因此相對于同種金屬材料的焊接,異種金屬材料的焊接對焊接技術提出了更高的要求[1,2]。作為一種固態焊接工藝,高速沖擊焊接技術最顯著的技術優勢在于幾乎能夠實現任意組合的異種金屬材料的焊接,并且可以有效地減小或者抑制結合區域熱影響區的形成,保證了結合區域材料的性能[2,3],因而備受關注。特別地,在最近 30 年中,國內外學者針對高速沖擊焊接技術開展了大量有價值的研究,極大地推動了這項技術的發展。爆炸焊接技術作為一種最成熟、應用最廣泛的高速沖擊焊接技術,已經實現了 200 多種材料組合的焊接,極大地滿足了航空、航天、化工、船舶等各行各業的需求[4,5]。起源于上世紀 60年代的電磁脈沖焊接技術,在理論研究和實踐方面也取得了較大的進展,在汽車工業中潛在著廣泛的應用前景[6-8]。 近年來,隨著微電子、醫療器械、電池等產業的迅速發展,與之相關的具有輕、薄、短、小特征的微型材料的焊接在微器件制造中的需求日益增加,且對焊接精度要求很高[9-11]。然而上述兩種高速沖擊焊接技術均難以適用[3,12]。因此,關于高速沖擊微焊接技術的研究也成為了一個熱點。 
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1.2 異種金屬高速沖擊焊接技術及其研究現狀
目前,異種金屬高速沖擊焊接技術主要有爆炸焊接、電磁脈沖焊接和激光高速沖擊焊接。 爆炸焊接的工藝裝置一般包括平行式和傾斜式兩種。以圖 1.1 所示的傾斜式的工藝裝置為例,爆炸焊接的過程可以這樣描述:隨著爆炸化學反應以爆速dV 向前傳遞,復板在爆轟波以及爆炸產物的驅動下以速度pV 與基板高速碰撞。在碰撞界面上,沖擊能量以多種形式多次傳遞、吸收、轉換及分配,引起結合面上一薄層金屬的塑性變形,使復板和基板牢固地結合在一起。碰撞點 S 以速度cpV 向前移動就是爆炸焊接過程的進行[13]。爆炸焊接是第一種高速沖擊焊接方法,以文獻形式保存下來的最早的金屬爆炸焊接試驗是由美國人Carl于1944年開展的。直到1962年,美國的Phillipchuk等人[14]申請了第一個關于爆炸焊接的專利,爆炸焊接技術才達到商業化生產水平。1963年,我國學者開始對爆炸焊接開展研究。20世紀70年代以來,學者們在爆炸焊接理論和實踐等方面取得了豐碩的成果。 
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第二章  激光高速沖擊焊接 Al/Cu 實驗研究 
 
鋁箔和銅箔具有良好的導電性,在微電子、醫療器械和電池等產業中均有著廣泛的應用,與之相關的異種金屬箔板 Al/Cu 的可靠連接也顯得尤為關鍵。然而,鋁和銅這兩種異種金屬材料在熔點和導熱性等方面存在著巨大差異,因此焊接難度較大。激光高速沖擊焊接技術為解決這個難題提供了一種新的途徑。 本章實驗利用脈沖能量在 80-1900m J 的 Spitlight 2000 Nd-YAG 型激光器,搭建激光高速沖擊焊接實驗平臺,實現了厚度為 30μm 的鋁箔和 100μm 的銅箔的焊接。利用 SEM 和 EDS 觀測了結合界面的微觀結構。并利用電子萬能試驗機對焊接試樣進行拉伸剪切測試和剝離測試。此外,利用 NHT 測試和分析了結合區域材料的納米硬度。 
 
2.1 實驗系統介紹
激光高速沖擊焊接實驗系統主要由激光發生裝置、焊接裝置和計算機控制裝置組成,如圖 2.1 所示。其中,激光器設備選用德國 INNOLAS 公司生產的 Spitlight 2000 Nd-YAG 型激光器,外形如圖 2.2 所示,主要技術參數如表 2.1 所示。焊接裝置由約束層、吸收層、復板、基板、墊板,支撐板和燕尾夾組成,如圖 2.3 所示。約束層選用厚度為 3mm 的透光性良好的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),相對于 K9 玻璃,PMMA 具有耐沖擊性良好和價格低廉的優勢。將黑漆噴涂約束層表面,形成厚度約為 20μm 的涂層作為吸收層,以增加對激光的吸收率。實驗中為防止等離子體泄露,采用腈基丙烯酸酯粘合劑(樂泰 380)將復板緊密粘貼到PMMA 上[76]。 
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2.2 實驗參數設計
在實驗中,通過調節聚焦透鏡和復板之間的距離,控制光斑直徑為 1.5mm;激光能量分別選擇 565m J、835m J、1200m J 和 1550m J;通過改變復板和基板之間墊板的厚度,控制復板的飛行距離分別為0.15mm、0.25mm、0.35mm和0.45mm。具體的實驗條件和試樣參數設計如表 2.4 所示。實驗中需要觀測和分析結合界面的微觀結構和結合區域材料的納米硬度,由于焊接試樣很薄且易變形,因此本文采用冷鑲嵌技術對焊接試樣進行鑲嵌處理,鑲嵌后的樣品如圖 2.8 所示。相比較于熱鑲嵌技術,冷鑲嵌過程中釋放的熱量較少,不會對材料的物理化學屬性帶來影響。 樣品的制備步驟如下:(1)在焊接試樣的焊點中心劃線標記,接著用試樣夾將其固定住放置在鑲嵌模具中,要求試樣與模具底面垂直。(2)將固化劑和低粘度環氧樹脂以 1:3.5 的質量比進行調配,攪拌均勻后倒入模具中等待其凝固。(3)依次選擇牌號為#180、#400、#800、#1200、#2000 和#3000 的砂紙將樣品打磨至劃線標記處。(4)采用粒度為 0.5μm 的金剛石拋光劑,尼龍和真絲拋光布對鑲嵌試樣分別進行粗拋和精拋處理。 
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第三章  激光高速沖擊焊接 Ti/Cu 實驗研究 .......... 31 
3.1 激光高速沖擊焊接實驗原理 ...... 31 
3.2 實驗方案設計 ......... 32 
3.3 實驗結果與討論 ..... 34 
3.4 本章小結 .......... 49 
第四章  激光高速沖擊焊接異種金屬箔板數值模擬研究 .... 50 
4.1 模擬軟件及 SPH 方法 .......... 50 
4.2 材料狀態方程和強度模型 .......... 50
4.2.1 材料狀態方程 .......... 50 
4.2.2 強度模型 .... 52 
4.3 模型的建立 ...... 52 
4.4 數值模擬結果與討論 .... 53 
第五章  總結與展望 ........ 67 
5.1 研究內容總結 ......... 67 
5.2 展望 .... 68
 
第四章  激光高速沖擊焊接異種金屬箔板數值模擬研究 
 
激光高速沖擊焊接過程是一個非常復雜的過程,涉及激光、沖擊動力學、焊接科學和計算機數值模擬等多門學科,是跨學科的研究。為了更深入的揭示激光高速沖擊焊接機制及高速沖擊焊接過程中復板和基板的動態響應,采用數值模擬研究是一種有效的途徑。本章采用光滑粒子流體動力學(SPH)方法對激光高速沖擊焊接異種金屬箔板進行數值模擬,對沖擊焊接過程、沖擊射流現象、復板和基板的結合機理、結合界面形貌、結合界面的有效塑性應變和溫度分布、焊點中心復板的回彈和高速沖擊下基板的層裂行為進行了探究。 
 
4.1 模擬軟件及 SPH 方法 
本章利用集成在 ANSYS14.0 下的 AUTODYN 軟件對激光高速沖擊焊接異種金屬箔板進行數值模擬。該軟件在爆炸、沖擊、非線性動力學、流體和氣體動力學、大應力和大變形等問題上有強大的分析能力[88]。它擁有拉格朗日、歐拉、任意拉格朗日歐拉、光滑粒子流體動力學(SPH)方法等多種求解器。同時,AUTODYN 還自帶了供用戶選擇的金屬、陶瓷、炸藥等材料的材料庫。這些材料擁有包括 Shock 方程在內的十多種狀態方程以及 Johnson-Cook 模型在內的九種強度模型。因此,AUTODYN 軟件在激光高速沖擊焊接模擬中具有獨特的優勢。
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總結
 
本文通過實驗研究和數值模擬研究相結合的方法,研究了激光高速沖擊焊接異種金屬箔板結合界面微觀結構及其形成的機理、復板和基板的結合機理,揭示高速沖擊焊接過程中復板和基板的動態響應。同時,探究了一種更適用于金屬箔板焊接的激光高速沖擊焊接方法。本文的主要研究內容和成果如下:利用激光高速沖擊焊接技術實現了厚度為30μm的鋁箔和100μm的銅箔的固態焊接。對焊接試樣的表面形貌、結合界面的微觀結構、接頭的連接強度和結合界面的納米硬度進行了觀測與分析。研究發現,當激光能量較低時(≤835m J),焊點表面質量良好;而當激光能量過高時(≥1200m J),焊點表面出現熔融和燒蝕現象。激光能量對 Al/Cu 結合界面形貌有顯著的影響,其中,微波狀的結合界面是一種較為理想的結合界面,且界面波的波長和振幅沿著焊接的方向呈先增大后減小的趨勢。當激光能量在 1200m J 以下時,結合界面處未形成明顯的熱影響區,鋁箔和銅箔形成良好的固態焊接;當激光能量達到 1550m J 時,結合界面處形成局部的熔化層和熔化塊,熔化層的厚度約為 2~3μm。EDS 分析顯示結合界面處 Al 元素和 Cu 元素之間發生了微弱的相互擴散,擴散層的厚度約為 1.5μm。這是激光高速沖擊焊接 Al/Cu 過程中結合界面瞬間高溫高壓的結果,而不是復板和基板結合的重要原因。結合區域金屬材料的納米硬度較原材有一定程度的升高,在結合界面的法線方向,結合界面處的硬度值最高,隨著與結合界面距離的增加硬度值逐漸降低。  
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參考文獻(略)


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