[博士后基金]清华大学龚科家博士：钢丝帘线拉弯变幅疲劳研究及试验设备研制(2007年)

是否涉密： 是 □ 否 eq \o\ac(□,√) 中 国 博 士 后 科 学 基 金 面 上 资 助 申 请 书 （第 41 批） 申请者 ： 龚科家 博士后全国统一编号： 36424 设站单位： 清华大学 项目名称： 钢丝帘线拉弯变幅疲劳研究及试验设备研制 研究方向： 轮胎力学与 材料 关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料 、工程力学 通讯地址： 北京市清华大学汽车工程系 邮政编码： 100084 E－mail：gkj@mail.tsinghua.edu.cn 固定电话： (010)62797400－5043移动电话： 申请日期： 2007 年 4 月 23 日 中国博士后科学基金会 填 报　须　知 1.申请者应认真阅读《中国博士后科学基金资助规定》和《中国博士后科学基金面上资助实施办法》，按有关要求逐项填写《中国博士后科学基金面上资助申请书》（以下简称《申请书》）。 2.申请者首先在中国博士后网上(www.chinapostdoctor.org.cn)填写《申请书》，并在网上提交到设站单位，然后下载打印一式3份（A4纸双面打印，左侧装订），报送到设站单位进行审核。 如申请项目涉密，不得在网上填报。需下载空白《申请书》后填写纸质一式8份，与电子版同时报送到设站单位进行审核。 3.设站单位在规定的时间内，将审核后的《申请书》统一从网上提交到中国博士后科学基金会，纸质材料加盖设站单位博士后管理部门公章后一并报送。 4.本《申请书》封面上的 “投送学科”系指申请者所报项目所属的学科，若是学科交叉研究项目，则应填写所涉及的学科名称。学科名称须按照一九九七年国务院学位委员会公布的《<授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录>修订前后对照表》的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 名称填写。“研究方向”系指申请者所报项目的研究方向。 5.填表必须实事求是，认真翔实，不得弄虚作假。 一、个 人 信 息 姓 名 龚科家 性 别 男 出 生 日 期 身份证号 国 籍 中国 民 族 汉族 进站时间 2006 年 7 月 预计出站时间 2008 年 7 月 博士后 招收类型 流动站 eq \o\ac(□,√) 设站单位名称：清华大学 工作站 □ 设站单位名称： 联合招收单位名称： 学 位 情 况 学位 获得年月 授予学位单位 专 业 导 师 学士 2000年6月 吉林大学 计算数学 褚铭 硕士 2003年3月 吉林大学 应用数学 杨光 博士 2006年6月 吉林大学 固体力学 胡平 主 要研究工作经历 起 止 年 月 单 位 研 究 内 容 项 目 分 工 1999.9-2000.6 吉林大学计算数学系 面向PDA的程序设计与实现 独立完成 2000.9-2003.4 吉林大学数学研究所 曲面有限元网格自动生成算法研究 主要参加人 2003.9-2004.6 吉林大学车身与模具工程研究所 汽车覆盖件成形模拟与精细碰撞分析无缝连接技术的研究 负责核心算法研究 2004.6-2006.6 吉林大学车身与模具工程研究所 CAE驱动的车身覆盖件模面设计软件中关键技术的研究 主要参加人 2006.7至今 清华大学汽车工程系 载重子午线轮胎及钢丝帘线的有限元建模 主要参加人 曾 获 得 的 研 究 成 果 内容包括: 曾参加过何种重要科学研究活动，有哪些发明和创造，曾获得何种专利，曾获得何种科技奖励及在获奖人中的排名，已在国内外核心刊物上的发表 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 等等。 作为参加人参与的科研项目 1、国家自然科学基金重点项目：冲压成形与模具设计的基础理论、计算方法和关键技术，项目号：19832020 2、国家杰出青年科学基金：基于KBE的冲压模具CAD专家系统理论以及聚合物板材成形理论与计算方法研究，项目号：10125208 3、国际合作课题：比利时BEKAERT公司，载重子午线轮胎及钢丝帘线有限元建模 近三年内发表和完成的主要学术论文 [1] Hu Ping，Gong Kejia，Bao Yidong. Physical Value Mapping Algorithm of Mesh in Fine CAE Analysis of Automobile Body Structure. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2005,18(3):338-341（EI） [2] 龚科家，杨光，赵东旭。基于CAD曲面有限元网格的数据修复。第五届中国计算机图形学大会论文集，2004.9: 433-436 [3] 龚科家，胡平。汽车覆盖件模面设计中补充曲面的生成方法。吉林大学学报（工学版）。2006, 36(1): 63-66（EI） [4] 胡平，龚科家，杨光。一种基于有限元网格的车身CAD曲面数据修复方法。计算力学学报。2006, 23(2):142-145（EI） [5] 龚科家，李运兴，郭威，胡平。面向CAE的汽车覆盖件模面设计中零件边界光顺技术。吉林大学学报（工学版）36卷增刊, 2006, 36:75-78（EI） [6] 龚科家，杨光，胡平。汽车覆盖件工具曲面有限元网格自适应转换方法。计算力学学报。2006, 23(3): 338-343（EI） [7] 龚科家，胡平。基于产品件展开后毛坯网格的边界外延方法。塑性工程学报。2006,13(5):61-64（EI） [8] Gong Kejia, Guo Wei, Hu Ping. Smoothing method of auto-body part contour based on the CAE-driving die-face design. Int. J. Auto Tech., 2006, 7(7):853-858（SCI） [9] Kejia Gong, Yun Wen, Yulin Liu, Ping Hu. Research on the boundary extension for blank estimates of product part, CMESM 2006, August 2006: 197-202 [10] 龚科家, 叶进雄, 危银涛. 基于ABAQUS/CAE的轮胎有限元建模. ABAQUS 2006年度中国区用户论文集. 117-120 [11] 闻蕴, 龚科家, 郭威, 胡平. 坯料网格边界延展及规则化算法. 中国机械工程. （EI源，已录用） [13] Zhong Yan, Gong Ke-Jia, Guo Wei, Fast template method of mesh generator in KMAS, Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), v 36, n SUPPL. 1, July, 2006:74-78（EI） [12] 刘玉琳, 龚科家, 郭威, 胡平. 汽车覆盖件工艺补充面参数化设计方法. 计算力学学报。(EI源，已录用) [13] Zhong Yan, Gong Ke-Jia, Guo Wei, Fast template method of mesh generator in KMAS, Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), v 36, n SUPPL. 1, July, 2006:74-78（EI） [14] Yongcai Liu, Gong Ke-Jia, Guo Wei, Hu Ping, Quadratic mapping method for surfaces mesh generation, Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), v 36, n SUPPL. 1, July, 2006:123-126（EI） [15] Yun Wen, Kejia Gong, Wei Guo, Ping Hu. Research on the extension and regularization method of blank boundary for the blank indication of product part, CMESM 2006, August 2006:270-274 [16] Yulin Liu, Kejia Gong, Wei Guo, Ping Hu. A new parametric method of addendum surface design for automotive panel, CMESM 2006, August 2006:134-139 [17] 叶进雄，龚科家，危银涛. 全钢载重子午线轮胎滚动阻力分析与试验. 橡胶工业.(中文核心刊物，已录用) [18] Jinxiong Ye，Kejia Gong, Yintao Wei, EXPERIMENTAL AND FE INVESTIGATIONS ON ROLLING RESISTANCE IN TRUCK TIRES，5th European Conference On Constitutive Models for Rubber,2007.9 (已接收) 二、申报项目审核与评审结果 名 称 中文 钢丝帘线拉弯变幅疲劳研究及试验设备研制 英文 Research on variable amplitude tension-bending fatigue mechanism and test device of steel wire 研究类别 基础研究 □ 应用基础 eq \o\ac(□,√) 技术开发 □ 项目来源 自选项目□ 国家自然科学基金项目□ 863高技术研究项目 □ 973计划项目□ 国家社科基金项目□ 其它国家级重点项目 □ 省市或部门重大项目 □ 其它项目 eq \o\ac(□,√) 研究经费来源及数额 除清华大学博士后日常经费5000元外，目前尚无其他专门经费资助 申 请 者 承 诺 我保证填报内容真实、准确。如果获得资助，我将严格遵守中国博士后科学基金资助的有关规定，按计划认真开展研究工作，切实保证完成研究工作任务。 申请者（签章）： 年 月 日 申报单位审核意见 我单位已对申请人的资格和《申请书》内容进行了认真审核，本表各项内容属实，符合申请条件。 负责人（签章）： 单位（盖章）： 年 月 日 评 定 结 果 经专家评审， 决定： 给予 博士后中国博士后科学基金面上资助 等资助，金额为人民币 万元。 中国博士后科学基金会（盖章） 年 月 日 三、专家推荐意见 合 作 导 师 对 申 报 人 和 申 报 项 目 的 评 价 内容包括： 对申报项目内容的真实性和知识产权问题等提出审核意见，并对申请者的研究方法和创新能力，对申报项目的科学价值和应用价值以及预期成果提出评价意见。 申请项目共涉及两个目前钢丝力学研究的难点问题：超细钢丝帘线的损伤机理及试验验证和可变幅加载试验机的研发。申请人龚科家博士针对目前这些研究的热点，将这二者有机地结合起来确立了该项研究工作，课题的选择具有前沿性，制定的技术路线也是可行的，正是目前实验研究者探索的领域，因此本项选题不论从内容， 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，技术路线，设备条件，整个工作具有挑战性。申请者具备了比较高的理论知识和科研能力，以及多年来从事数学、力学、材料、机械等交叉学科的研究工作所积累了丰富的研究经验。作为第一作者已经在国内、国际学术刊物上发表了十多篇自己的研究成果，得到了国内外专家的好评，表明作者具备了一个科研人员独立工作的素质，学术水平和研究能力都可以胜任该项课题的研究。因此我推荐该同志申报中国博士后基金，希望大力资助，为他以后的研究打下良好的基础。 推 荐 意 见 本人同意推荐该博士后申请中国博士后科学基金资助。 推荐人姓名： 职称： 专业： 推荐人单位： 专家签章： 年 月 日 同 行 专 家 对 申 报 人 和 申 报 项 目 的 评 价 内容包括： 对申报项目内容的真实性和知识产权问题等提出审核意见，并对申请者的研究方法和创新能力，对申报项目的科学价值和应用价值以及预期成果提出评价意见。 申请人在力学和机械科学的交叉学科领域，通过研究超细钢丝帘线的疲劳机理，并研制相应的模拟真实工况的试验设备，将理论和实践有机的结合起来。选题目标明确，课题的选择有创新性，实验设计合理，方法可靠，具有重要的理论意义和潜在的应用价值。 申请人多年从事汽车相关领域工程问题的计算机模拟算法及试验验证方面的研究，具有丰富的经验，部分研究成果发表在国内、国际著名刊物上，表明作者具有扎实的理论基础和良好的科研能力。具有较高的学术水平和独立科学研究能力，可以胜任该项课题的研究。 因此我推荐该同志申报中国博士后基金的申请，希望可以得到大力资助，为其以后的工作奠定基础。 推 荐 意 见 本人同意推荐该博士后申请中国博士后科学基金资助。 推荐人姓名： 职称： 专业： 推荐人单位： 专家签章： 年 月 日 四、申报项目简介 内容包括： 概括项目主要内容、项目的预期目标、科学意义、应用前景、创新与发展。 1、 项目的主要内容 以应用于子午线轮胎中的钢丝帘线为研究对象，采用计算机仿真精细分析和实际工况疲劳试验相结合的方法，探讨钢丝帘线所受复杂应力状态和构成钢丝帘线的钢丝股及单丝之间的微动磨损对其疲劳极限的影响，并研制一套可实现变幅多轴加载的钢丝帘线疲劳试验机，最后建立一个科学的疲劳寿命预报模型。具体的研究内容为： (1)子午线轮胎钢丝帘线疲劳载荷及测量方法研究 a)考虑子午线轮胎钢丝帘线细观结构，进行动态受力分析； b)钢丝帘线所受动态拉伸、弯曲的应力应变测定方法； c)单丝之间、单股之间微动摩擦受力分析； (2)变幅多轴钢丝帘线疲劳试验机研制与开发 a)可变幅多轴加载疲劳试验机系统设计方案； b)可变幅多轴加载疲劳试验机的研制。 (3)子午线轮胎变幅多轴疲劳试验研究 a)钢丝帘线的疲劳机制 b)帘线结构（直径、结构等）和操作条件（频率、弯曲、拉伸）的影响 c)帘线疲劳寿命预测方法 d)帘线抗疲劳设计理论研究 2、 项目的预期目标 (1)建立子午线轮胎和钢丝帘线的计算机仿真精细分析模型，得到测量轮胎内部钢丝帘线实际工况下载荷的方案； (2)研制出一台可以实现 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 模拟钢丝帘线实际工况并满足市场化需求的变幅多轴加载疲劳试验机； (3)明确影响钢丝疲劳性能主要因素，建立疲劳寿命预报理论模型。 (4)结合并课题研究，预计在国内外重要学术刊物上发表4~5篇科技论文 (5)结合可变幅加载疲劳试验机的设计，申请发明专利一项 3、 科学意义与应用前景 钢丝帘线被誉为钢铁产品中“皇冠上的明珠”，是子午线轮胎最重要的骨架材料。在全钢子午胎中，其重量占轮胎总重量的17%～23%，成本占轮胎总材料成本的25%～30%。钢丝帘线强度的提高一方面可减小钢丝帘线的用量，从而减小轮胎质量，降低成本，另一方面还可以提高胎体的耐疲劳性能，减少轮胎的早期损坏量，从而增加轮胎的可翻新能力，减少废弃胎体对环境的污染。目前，影响子午线轮胎钢丝帘线疲劳寿命的主要机理尚不清楚，缺乏相关理论与试验结果，也没有可用于模拟真实工况的多轴和变幅疲劳试验机，钢帘线的疲劳机制研究和疲劳寿命预测还处在初级阶段。 钢丝帘线使用中一个重要问题是其疲劳寿命。由于钢帘线在拉拔成丝后直径只有0.12～0.25mm，相对于应用在其它领域的钢丝绳来说，在尺寸上相比要小的多。因此，了解钢丝帘线疲劳的发生机理，以及如何根据实验室数据推断钢帘线在轮胎中的性能，也比普通钢丝绳要困难的多，这对研究者提出了巨大的挑战。目前还没有见到考虑了钢丝帘线微动磨损条件下所受复杂应力状态的疲劳极限估算研究成果发表。实验室对钢丝帘线的试验验证设备也只有等应力振幅的疲劳试验机，这并不能反映真实工况下钢丝帘线的疲劳情况。因此进行钢丝帘线疲劳机理和实验室疲劳试验设备的研究，不仅对深入揭示实际工况下影响钢丝帘线疲劳的主要因素，而且对轮胎行业及其上游钢丝帘线行业都有重要的科学意义和应用价值。其研究结果对研究轻量化环保型轮胎有广阔的应用前景和社会价值。 4、 创新与发展 (1)本课题将钢丝帘线所受的包括拉伸、弯曲在内的组合应力状态和构成钢丝帘线的钢丝股及单丝之间的微动磨损同时应用于钢丝帘线疲劳机理的研究中, 这是既往的研究少有涉足的。 (2)针对目前实验室用于分析钢丝帘线疲劳机理的等幅疲劳试验机不能很好的反映实际工况的现状，研制五辊联动组合多轴变幅钢帘线试验机，是设备上的创新。 (3)通过研究钢丝帘线的疲劳机制和寿命预测理论，建立科学的疲劳寿命预报模型，可以优化轮胎设计、革新传统的设计模式。 五、申报项目的内容 根据“十一五”规划，预测到2010年我国轮胎总需求量为3亿条。轮胎工业的目标是在“十一五”期间将轮胎总产量控制在3～3.2亿条，其中子午化率不低于70％，全钢载重子午线轮胎占20％～25％[1]。我国的子午线轮胎仍处于高速增长期，子午线轮胎的产量增长决定了未来几年钢帘线的需求将会逐年增加[2]。钢丝帘线因其具有强度高、变形小、耐疲劳性能好等优点而被大量应用于子午线轮胎，主要用于全钢载重子午线轮胎的胎体和带束层，用于轻载子午线轮胎和轿车子午线轮胎的带束层。同时，汽车工业的迅猛发展对子午线轮胎的安全性、舒适性、经济性和环保性等方面的要求不断提高，进而对钢丝帘线也提出了更高的要求。对于全钢子午胎，钢帘线的重量占轮胎总重量的20%左右，占总材料的成本接近30%。所以，钢丝帘线强度的提高可减小钢丝帘线的用量，从而有效减小轮胎质量，降低成本。另外，钢丝帘线强度的提高还可以提高胎体的耐疲劳性能，从而减少轮胎的早期损坏量。根据对北美中型和重型载重轮胎市场的调查，轮胎的平均翻新次数为2～3次，从而对胎体帘线的耐疲劳性能提出了更高的要求。轮胎的可翻新能力对环境有很大影响，翻新次数多就可以大大减少大部分可见污染源，即没有任何使用价值的或使用价值很小的废弃胎体。 目前对广泛应用于起重运输机械中钢丝绳的疲劳寿命影响因素的研究已经有一些成果，Waterhouse等[3~4]考察了垂直正压力等参数对钢丝绳微动磨损行为的影响。Ridge、Chaplin等人[5~11]从微观角度在钢丝绳的疲劳强度、破坏机理等方向展开研究并发表了相关的论文。张德坤等[12]分析了矿井提升钢丝绳内部钢丝的微动磨损机理。Hobbs等[13~17]研究了钢丝的疲劳强度与表面质量的关系。Suh等[18~20]通过钢丝绳轴向疲劳试验发现平均应力、应力幅和试样长度是影响钢丝绳疲劳强度的3个重要参数。Schrems等人[21~23]从宏观角度研究了钢丝绳的受力特性及对疲劳寿命的影响，以钢丝绳的弯曲应力和接触挤压应力为主要研究对象，根据尼曼公式对钢丝绳破断次数进行计算。 虽然子午线轮胎中使用的钢丝帘线和用于起重运输机械中的钢丝绳有类似的结构，但由于钢帘线相对于钢丝绳在尺寸上要小的多，拉拔成丝后直径只有0.12～0.25mm，而且其应用过程中是被埋在轮胎橡胶内部，无法直接对钢丝帘线进行观察测量。因此，针对钢帘线的动态受力分析和微动磨损疲劳损伤机理的相关研究还很少见。目前可以见到公开发表的相关内容只有Zhibin Zhang等人[24]对钢帘线在不同弯曲疲劳条件下的疲劳极限估算做了些研究。 要明确钢帘线疲劳的发生机理，建立正确的疲劳极限预报模型，就对疲劳试验机的功能提出了新的要求。目前可用于钢帘线疲劳试验的试验机主要分两类，一类是高频疲劳试验机，可以做等应力幅值的标准金属试件及小型结构件的拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验和断裂试验。另一类是可用于测试细观材料力学特性的显微疲劳试验机，用于实时观察材料细观尺度下的表面变化。这两类试验机都只能实现等应力幅值加载的疲劳试验，这并不能反映真实工况下钢丝帘线的疲劳情况，因此研制可变幅加载疲劳试验设备是必不可少的工作。 本课题以应用于子午线轮胎中的钢丝帘线为研究对象，针对轮胎使用过程中钢丝帘线发生疲劳损伤造成轮胎过早损坏现象，采用计算机精细建模仿真和实际使用工况疲劳试验相结合的方法，综合研究宏观的钢帘线动态受力情况和微观的微动摩擦受力情况，评价钢帘线所受的包括拉伸、弯曲在内的组合应力状态和构成钢丝帘线的钢丝股及单丝之间的微动磨损对其疲劳损伤的影响，并确定影响因子。通过自行研制一套可实现变幅（试验过程中应力振幅可变）加载的5辊钢丝帘线疲劳试验机，使实验室具备模拟轮胎使用工况测试材料的疲劳性能的能力。通过对比计算机仿真结果和疲劳试验结果，揭示影响钢帘线疲劳寿命的主要因素，建立疲劳寿命预报模型。 要研究钢帘线的疲劳机理，必须攻克的主要关键技术有钢帘线在实际工况中所受载荷的测试、计算机精细仿真模型的构建[25~28]、理论模型的实验室验证。针对上述关键技术，本课题将分别在这三个方面展开研究。为了能够准确测得钢丝帘线在轮胎实际工况中的载荷，将有针对性的调研测量细观钢丝的测量设备，设计试验方法，以保证在经过轮胎高温硫化加工过程之后测量设备的有效性。本课题组成员在计算机精细仿真建模方面有多年的研究经验[29~30]，曾经从事多个汽车相关领域的计算机仿真建模的研究工作，掌握了部分精细仿真建模的关键技术，因此在构建钢帘线仿真模型过程中有相对优势。课题组已经开始初步的建模工作，并取得了一定的进展。 参考文献 [1] 鞠洪振，中国橡胶工业发展战略研究（轮胎篇），中国橡胶工业协会技术经济委员会，2005，41-43 [2] 谈玉坤. 我国轮胎工业的发展变化及对钢丝帘线需求预测. 轮胎工业, 2006,26:74-78 [3] Waterhouse R B, McColl I R, Harris S J, Fretting wear of a high-strength heavily work-hardened eutectoid steel， Wear, 1994,175:51-57 [4] Basaran, Murat. 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