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重庆大学本科生团队“玩转”钛合金

   2024-11-04 中国有色金属报
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核心提示:日前,在上海举行的中国国际大学生创新大赛(2024)总决赛中,重庆大学磁钛科技团队凭借在微秒级钛合金电磁成形设备方面的领先研

日前,在上海举行的中国国际大学生创新大赛(2024)总决赛中,重庆大学“磁钛科技”团队凭借在微秒级钛合金电磁成形设备方面的领先研究,斩获高教主赛道金奖。这个团队是如何“玩转”钛合金的?近日,笔者采访了“磁钛科技”项目团队负责人、重庆大学电气工程学院大四学生熊家露和她的队员们。

  15名跨专业本科生组队

  攻克钛合金电磁成形难题

在重庆大学A区电气工程学院先进电磁制造实验室,戴着眼镜、扎着马尾辫的熊家露正在做电磁成形实验。

虽然实验室不足20平方米,摆放其间的实验设备器材,却是她和团队成员们的“宝贝”。

为何选电气工程?“可能是因为我爱折腾吧,从小就喜欢‘霍霍’家里的遥控汽车、遥控器,把它们一次次完全拆解又安装回去。”熊家露说,当然,大部分时候都装不回去,或者装回去了也用不了了。于是,在高考填报专业志愿时,她选择了电气工程。

“我们学院有3个国家级科研平台,大一时,我就对输变电装备技术全国重点实验室研究的电磁力产生了兴趣。”熊家露说,幸运的是,为推进新工科建设,学校向全校学生开放了国家级科研平台和教学平台,于是,她就抱着试一试的心态,进入了输变电装备技术全国重点实验室先进电磁制造团队学习。

此后,熊家露不仅学习电磁成形技术相关知识,还跟着老师和师兄师姐们开展铝合金等导电性好、易变形金属的电磁成形实验。

到底什么是电磁成形?“电磁成形就是利用瞬间的高压脉冲磁场,迫使坯料在电磁力作用下,高速成形的一种方法。”熊家露拿起桌子上一块前不久才成形的钛合金片向笔者展示。

在实验过程中,熊家露发现对于导电性较差的钛合金来讲,电磁成形非常困难,她就萌生了攻克钛合金电磁成形这一难题的想法。

在一次讨论中,她勇敢地提出了自己的这一想法,没想到得到老师和师兄师姐们的肯定。在指导老师周言的鼓励下,她和机械与运载工程学院马钦仕、电气工程学院汤靖、环境与生态学院李颖、经济与工商管理学院赵婉妤等本科生们组建起“磁钛科技”团队。

  经历无数次测试

  曾发生过局部爆炸

但做科研并非一帆风顺,尤其是对一个本科生团队来说,更难。

“由于钛合金通常是六方最密堆积结构、原子排列紧密,其变形抗力大,成形并非易事。”周言说,比如,钛合金就难以在电磁场中感应足够使其成形的电磁力。

如果要产生足够的电磁力,需要在眨一次眼睛的万分之一左右的时间内,对脉冲波形进行控制,让脉冲波形更为陡峭。这就需要团队的研究从电路结构、电磁力机构、连接装置等从头开始设计,同时,配合所需绝缘强度开展仿真与实验研究,逐步攻克电路优化降低杂散参数、电磁成形过程仿真模型精准计算、组合式线圈间的绝缘与电磁力分布优化等难题,最终才能研制出微秒级钛合金电磁脉冲成形设备。

以组合式线圈间的绝缘与电磁力分布优化为例,熊家露和队员们需要合理地设计线圈之间的间距与绝缘,线圈之间隔得太远无法将电磁力有效叠加,导致能量损耗;当间距太近又容易造成绝缘材料电击穿,导致设备损坏。

“为得到这个平衡值,我们做了无数次测试。”熊家露说,去年夏天,为了实现电磁力更好叠加,减少能量损耗,团队中的一位小伙伴将线圈之间的距离设置得太近,而熊家露为了提高电磁力,又将工作电压设置得较高,导致线圈间的绝缘材料瞬间被击穿,造成局部爆炸并发出巨大的声响,让他们瞬间耳鸣,就连实验室窗户玻璃都被震得哐哐作响,“有个女生直接被吓哭了。”

马钦仕说,还有一次,他们触发源的导线外皮由于经常弯折,破了个小口,接线时都没留意。大家并没有在意,在实验中导线破口处与触发源的金属外壳直接接触发生了短路放电,瞬时的短路大电流通过电源线造成了实验室跳闸,还烧坏了门卫师傅的电视。

在攻克线圈绝缘强度与工作电压的配合难题时,实验总是失败,停滞的进度和屡屡击穿破损的线圈,使团队成员的情绪很是低落。“受挫感肯定有,但哪有随随便便的成功,我很快调整了自己的心态,并第一时间与团队成员沟通,一起改进方案。”

在设计钛合金管件电磁力机构时,要先通过有限元仿真软件进行模拟,但仿真模型一直难以收敛。于是,那段时间,熊家露便泡在实验室两个周期,反复学习调试模型参数。在仿真完成确定具体结构后,为了节约时间以及方便沟通,熊家露又与团队成员跑去机械加工厂陪师傅一起加工。

  找准企业需求

  解决实际问题

“这次能拿下国赛金奖和重庆赛区冠军,与我们这个项目既攻克技术,又契合企业实际需求有关。”获奖后,熊家露在与团队成员总结时分析道。

她说,团队一开始只是聚焦于技术的突破,但该技术是否契合企业需求?是否能真正解决企业遇到的实际难题?他们并未多想。

在此次参赛过程中,另一位项目指导老师、市教委就业创业专家库导师王鹏飞就带他们走进赛力斯、长安等企业生产一线进行调研实践,了解企业生产中的实际问题,更精确地找准企业的需求。

“钛合金具有强度高、耐性好等优势,现在已经广泛应用于汽车产业、航空航天与生物医疗等领域。”熊家露说,未来,她将继续带领团队深耕钛合金电磁成形领域,不断升级迭代技术,继续开发智能化、数字化钛合金电磁成形设备,助力钛合金等低电导率、难变形金属的应用推广,帮助企业解决实际生产问题。(郑宇)


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