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刘川
教授
焊接及电子封装系
材料科学与工程学院
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chuanliu@just.edu.cn
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  • 科研情况简介

    长期从事焊接应力变形测试及调控、大型复杂结构焊接应力变形高效数值计算、焊接结构安全性评价和失效分析、焊接接头强韧化相关研究

    掌握多种从表层到内部的残余应力测试技术,针对内部应力全貌测试技术的研究处于国内领先水平;研究多种热弹塑性/热弹性有限元高效数值计算技术,实现大型复杂焊接结构应力变形高效数值预测;掌握焊接过程温度循环、动态变形全周期测试技术,结合试验和数值模拟技术研究焊接应力变形的形成机制;研究超声冲击处理焊接残余应力调控技术的机理,并在多行业推广应用;研究焊接接头小区域局部材料的力学性能表征手段,并研制了相关测试设备;研究提高焊接接头强度和韧性的超声冲击处理技术。

    发表科研论文近80篇;以一作和通讯作者发表科研论文近50篇,其中SCI/EI收录30多篇;授权发明专利4项;撰写焊接应力变形数值计算相关专著1(第2/2人)。

    主持国家自然科学基金面上项目1项(51575251,结题)、国家重点实验室开放基金1项(在研)、中国博士后基金面上项目1项(结题);主持横向科研项目多项(近5年主持科研项目到款200余万)。

    2018年国防科学技术进步奖二等奖1项(个人排名第5、获得2014年国家科学技术进步奖特等奖(校排名17)、获得2014年教育部科学技术进步奖二等奖1项(个人排名12)。

    教学情况简介

    担任机械、材料加工、焊接相关本科生专业基础课、专业课以及焊接专业研究生相关课程的教学工作;承担本科生毕业设计指导工作;指导三届本科生参加学科竞赛项目、指导两届校级本科创新项目担任本科生的学业导师工作;近五年来指导硕士研究生10余名,协助指导博士研究生2名。

    分别于2017年、2018年和2019年指导本科生参加第二届、第三届和第四届全国大学生焊接创新大赛获得一等奖省部级,全国赛);分别于2017年、2018年、2019年和2020年指导本科生获得校级优秀本科毕业设计奖励;指导硕士研究生1名获得2017年江苏省研究生科研创新计划资助(KYCX18_2319);获得2016-2017学年、2018-2019学年校级教学优秀奖;发表教研论文多篇。


  • 科研特色

    l从表面/表层到内部应力全貌测试技术研究

    X射线衍射法(XRD)、小孔法、逐层抛光XRD法和轮廓法多种应力测试技术结合,实现构件从表面/表层到内部的应力全貌测试。轮廓法是一种将有限元计算和应力释放测试技术相结合的新颖内部残余应力测试方法。该方法将构件切割并测试因应力释放造成的切割面变形,利用有限元法和切割面变形数据构造内部残余应力全貌。该方法具有以下特点:(1)能测试多个方向的内部应力全貌,误差小于50MPa;测试过程简单高效;(2)适合中小型多种形状构件的内部残余应力测试,特别适合窄小区间大梯度变化残余应力(理论上能测试空间位置无限接近的两点间应力变化);(3)测试结果对材料组织和构件表面质量不敏感,适合各种材料且成本低(优于X射线衍射法和中子衍射法);整个测试过程无辐射。

    完整掌握和成熟应用轮廓法技术,国内最早开展该方法的研究和应用(发表第一篇该方法的中文研究论文(机械工程学报,2012))。与国内航天航空、核电、船舶、石油化工行业多家企业开展了合作,测试了摩擦焊(线性、惯性和搅拌摩擦焊)试件、电弧焊试件、热处理件、爆炸焊件、磁脉冲焊接试样、同种或异种金属焊接件的内部残余应力分布;能测试厚度3~300mm(板和管)、整体尺寸5~500mm的构件内部残余应力分布全貌;发表了相关研究论文10余篇,获国家发明专利授权1项。以该技术为部分内容申报的项目获得了2018年国防科技进步奖二等奖(个人排名第5)。

    目前能实现一个构件多位置、多方向应力从表面到内部全貌测试,并准备撰写轮廓法应力测试技术的专著。

    l焊接残余应力分布特征、形成过程和影响因素分析

    掌握焊接动态温度及动态变形测试技术;熟练使用ANSYS有限元软件进行焊接应力变形数值计算,出版了关于焊接应力变形有限元数值计算的专著。以试验或有限元法研究了4~300mm厚的金属焊接残余应力分布,研究材料包括低合金高强钢、不锈钢、钛合金、铝合金等,焊接方法包括电弧焊、电子束焊接、摩擦焊、爆炸焊等,为焊接结构的应力调控及其服役安全性评价提供理论指导。

    l大型复杂结构焊接应力变形高效预测

    针对大型复杂构件焊接应力变形弹塑性有限元计算效率低下问题,提出两类高效有限元计算方法:(1部件-整体法焊接应力高效预测。在综合多种高效数值计算方法基础上,将大型构件分割成小块部件分开计算残余应力,然后将包含应力的部件组装起来,获得整体应力分布;(2固有变形法焊接变形高效预测。通过小型模拟件弹塑性计算获得的固有变形,然后将固有变形施加在大型结构上进行高效弹性计算获得整体的变形分布。该两类方法可在常规工作站上100小时内获得近100万个自由度大规模计算模型的焊接应力分布,计算和试验之间误差小于20%;在已有固有变形数据库情况下,可在几个小时内获得焊缝总长几百米的复杂焊接结构变形分析,误差小于20%

    采用开发的高效有限元计算技术成功预测了海洋钻井平台轴承座结构的焊接残余应力分布,实现了缓减应力集中的焊接顺序优化2014年国家科技进步奖特等奖部分技术内容);成功预测了海洋钻井平台悬臂梁结构各部件焊接及装配变形;实现了核电安全壳结构的焊接变形高效预测。以该技术为部分内容申报的项目获得2018年国防科技进步奖二等奖。

    现在的研究工作

    l焊接残余应力超声冲击调控

    研究采用超声冲击方法调控焊接残余应力的相关机制。该研究工作获得了国家自然科学基金面上项目资助(51575251)。

    l基于轮廓法的多位置内部应力全貌复合测试技术

    基于叠加原理,结合多次切割轮廓法、X射线衍射法和裂纹柔度法测试构件多个位置多个方向的应力全貌。编写轮廓法的数据处理可视化软件,建立通用性、普适性和易掌握的轮廓法技术;撰写轮廓法应力测试专著。

    l焊接接头强韧化及表面改性研究

    基于氧化物冶金思想,采用逐层超声冲击处理方法在焊缝中诱导有益氧化物夹杂,为后续焊道的熔池凝固提供针状铁素体形核质点,促使焊缝中生成高体积分数针状铁素体,提高接头强度和韧性。与表层超声冲击处理结合,该技术能改善接头强韧性的同时显著提高接头疲劳性能,适合于低合金高强钢大热输入焊接和修补焊场合。

    l基于反向分析法和本征应变的焊接应力重构技术研究

    针对大型复杂焊接结构(包括3D打印构件)或者局部大梯度应力(如喷丸、激光喷丸、超声冲击处理等)计算模型庞大而造成应力预测效率低下的难题,研究基于本征应变反向分析法和少量实验数据构造应力分布全场的方法。该方法以少量试验数据为依据,基于反分析法构造产生应力变形的本征应变函数,结合弹性有限元获得应力全场分布。该方法为大型复杂构件的高效应力计算提供了新思路。研究多焊缝交错的本征应变叠加效应,研究基于少量测试数据构造多焊道复杂构件应力分布方法。