兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (12): 3783-3792.doi: 10.12382/bgxb.2023.0349
所属专题: 爆炸冲击与先进防护
王宇, 白舒乐, 王子琪, 刘斌*(), 冯立, 赵文娟, 郝俊辉
收稿日期:
2023-04-18
上线日期:
2023-12-30
通讯作者:
基金资助:
WANG Yu, BAI Shule, WANG Ziqi, LIU Bin*(), FENG Li, ZHAO Wenjuan, HAO Junhui
Received:
2023-04-18
Online:
2023-12-30
摘要:
针对传统贴片式测试精度低、难以检测金属结构内部应力问题,提出一种振膜式层状金属内嵌应力感知结构。从振膜层厚度、振膜材质等方面进行材料选型和结构设计,采用超声波增材制造方式对铜/铝层状振膜结构进行增材制造,研究超声波固结后振膜/基体界面的互扩散、相组成及微观组织,采用有限元冲击仿真对传统贴片式结构和制造获得的层状内嵌应力感知结构进行应变模拟,对层状内嵌应力感知结构进行应变测试,研究层状金属内嵌应力感知结构的应变响应效果。研究结果表明:振膜层设计所得振膜形状为圆形膜,薄膜材料为纯铜,薄膜直径为20mm,薄膜厚度为0.1mm;超声波增材制造铜膜/铝基体之后,铜原子向铝层发生少量扩散但不产生新的金属间化合物,形成机械结合的齿合形貌。冲击仿真和应变测试结果均表明内嵌应力感知结构的应变响应效果比传统贴片式结构的应变响应效果精确。
中图分类号:
王宇, 白舒乐, 王子琪, 刘斌, 冯立, 赵文娟, 郝俊辉. 层状金属内嵌应力感知结构设计及超声波增材制造组织性能测试[J]. 兵工学报, 2023, 44(12): 3783-3792.
WANG Yu, BAI Shule, WANG Ziqi, LIU Bin, FENG Li, ZHAO Wenjuan, HAO Junhui. Design of Layered Metal Embedded Stress Sensing Structure and Testing of Microstructure and Properties in Ultrasonic Additive Manufacturing[J]. Acta Armamentarii, 2023, 44(12): 3783-3792.
名称 | 密度/ (kg·m-3) | 杨氏模 量/GPa | 剪切模 量/GPa | 体积模 量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|---|
1060铝 | 2770 | 71 | 26.692 | 69.608 | 0.33 |
工业纯钛 | 4620 | 120 | 35.294 | 114.29 | 0.36 |
纯铜 | 8900 | 110 | 41.045 | 114.58 | 0.34 |
表1 1060铝、工业纯钛、纯铜的参数
Table 1 Parameters of 1060 aluminum, industrial pure titanium and, pure copper
名称 | 密度/ (kg·m-3) | 杨氏模 量/GPa | 剪切模 量/GPa | 体积模 量/GPa | 泊松比 |
---|---|---|---|---|---|
1060铝 | 2770 | 71 | 26.692 | 69.608 | 0.33 |
工业纯钛 | 4620 | 120 | 35.294 | 114.29 | 0.36 |
纯铜 | 8900 | 110 | 41.045 | 114.58 | 0.34 |
参数 | 数值 |
---|---|
应变片尺寸(长×宽)/mm | 6.9×3.9 |
栅丝尺寸(长×宽) /mm | 3.0×2.0 |
应变片厚度/mm | 0.02 |
应变片阻值/Ω | 120 |
灵敏度/(mV·V-1) | 2.0 |
室温应变最值/(μm·m-1) | 20000 |
应变片材料 | 改性酚醛 |
栅丝材料 | 康铜箔,全封闭结构 |
适应温度/℃ | -30~80 |
表2 BF120-3AA150应变片参数
Table 2 BF120-3AA150 strain gauge parameters
参数 | 数值 |
---|---|
应变片尺寸(长×宽)/mm | 6.9×3.9 |
栅丝尺寸(长×宽) /mm | 3.0×2.0 |
应变片厚度/mm | 0.02 |
应变片阻值/Ω | 120 |
灵敏度/(mV·V-1) | 2.0 |
室温应变最值/(μm·m-1) | 20000 |
应变片材料 | 改性酚醛 |
栅丝材料 | 康铜箔,全封闭结构 |
适应温度/℃ | -30~80 |
材料 | 理论计算值 | 有限元仿真值 |
---|---|---|
1060铝 | 5077 | 5080 |
工业纯钛 | 4637 | 4640 |
纯铜 | 3667 | 3670 |
表3 材料振膜的谐振频率
Table 3 The first-order resonant frequencies of diaphragms of three materials Hz
材料 | 理论计算值 | 有限元仿真值 |
---|---|---|
1060铝 | 5077 | 5080 |
工业纯钛 | 4637 | 4640 |
纯铜 | 3667 | 3670 |
序号 | 名称 | 参数 |
---|---|---|
1 | 形状类型 | 圆形 |
2 | 材料 | 铜 |
3 | 直径/mm | 20 |
4 | 厚度/mm | 0.1 |
表4 振膜形状、材料、规格参数
Table 4 Film shape, material, specification parameters of diaphragm
序号 | 名称 | 参数 |
---|---|---|
1 | 形状类型 | 圆形 |
2 | 材料 | 铜 |
3 | 直径/mm | 20 |
4 | 厚度/mm | 0.1 |
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