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重庆大学本科生团队斩获中国国际大学生创新大赛金奖!看他们如何“玩转”钛合金

   2024-10-29 IP属地 陕西新重庆/重庆日报李志峰/郑宇770

  你知道钛合金吗?

  其实,它离我们并不遥远。比如,近期多款热门智能手机产品均有合金材料应用。和传统金属材料相比,钛合金材料具有更轻的重量、更好的性能,能长期服役于高温、高压以及腐蚀环境中。

▲钛合金材料。记者郑宇摄

  前不久,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”团队就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,记者采访了“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

  10月25日中午,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着电磁成形实验。

  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,熊家露就像海绵一样,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。

▲重庆大学A区电气工程学院先进电磁制造实验室,团队正在做实验。记者郑宇摄

  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记者展示。

  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,她就萌发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其他本科生们组建起“磁钛科技”团队。

经历无数次测试,曾发生过局部爆炸、烧坏门卫的电视

  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。”

▲团队正在做实验。记者郑宇摄

  马钦仕还给记者讲了一个故事: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,还打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,让团队成员很是低落。“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,一起制定改进计划。”

  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。


 
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