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高围压下磨料水射流切割的模糊建模和实验研究

廖勇

  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。……   
[关键词]:高围压;磨料水射流;模糊建模
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:重庆大学2004年