皮革检测论文

皮革检测论文

1 绪论近年来，对皮革中甲醛的限量要求越来越普遍，尤其是给品牌商供应原料的制革厂都意识到了这一点。这些限量要求主要来自以下几个方面：政府制定的法律法规；欧盟生态标志或其它相似的生态规划；个别公司对甲醛的限量要求。由于这些限定要求出自不同的机构，过去几年已出台了不同类型的限定标准，所以对制革厂来说形式越来越严峻，同时也导致多种甲醛测定方法的应运而生。 由于甲醛对人体具有潜在的致癌性，所以生产低游离甲醛皮革刻不容缓，由此也推动了低浓度甲醛测定方法的发展。皮革工业（包括制革厂、化料供应厂和皮件生产厂）已经适应了这种限定要求，生产出的皮革已经达到权威机构和客户的要求。作为皮革行业可信赖的皮化供应商科莱恩，在开发低游离甲醛复鞣材料方面，一直走在行业的最前端。在此过程中我们也尝试了多种甲醛测定方法，在此希望与更多人分享经验，达到以下的目的：与同行业研究者交流经验；帮助制革者或其他生产商选择适当的测定方法；帮助法律法规的制定者指定合适的测定方法；甲醛是工业中产量最大的化学品之一，通常市售的甲醛是浓度为35-50%（质量分数）的溶液。然而为了保护环境，对化工厂里的高浓度甲醛需小心处理。本论文只针对化学品、皮革和皮革制品中痕量甲醛的测定方法进行了探讨。甲醛测定本身并不难操作，但在测定过程中还存在以下难题：甲醛的萃取分离；在无甲醛化合物干扰的条件下测定萃取液中的甲醛含量。我们可根据萃取方式将甲醛测定方法分为以下四类：（1）完全萃取法：将产品进行彻底粉碎，以收集生产过程中所加入的所有甲醛。较典型的是BS6806第一部分中所述的方法。（2）水萃取法：将样品浸泡在含有表面活性剂或不含表面活性剂的水中，使水溶性物质（包括甲醛）从底物中萃取出来。此法已被广泛用于测定鞋面革、皮件和皮玩具中的甲醛含量，但也存在一些问题，主要是萃取出的物质含有大量的甲醛化合物，影响测定结果。在测定合成鞣剂中的甲醛含量时，几乎100%的合成鞣剂都被溶解，在测定过程中这些甲醛化合物可能会分解产生甲醛，所以采用此法所得到的实验结果是“游离甲醛和水解甲醛的总量”。这种测定方法的特征决定了测定结果可能会随着测定条件的改变而改变。采用这种方法的有日本法规112，JIS1041, BS6806第二部分, IUC19, ISO/TS17226:2003。采用此种萃取方法时，值得注意的一点是所得到的萃取液可以用以下两种方法来测定：比色法：在缓冲条件下（pH为7左右）乙酰丙酮能与甲醛反应生成一种黄色物质，然后用紫外-可见分光光度计测定吸光度。高效液相色谱法（HPLC）：2，4—二硝基苯肼（DNPH）可与醛类（包括甲醛）和酮类物质反应生成络合物，同样采用紫外-可见光分光光度计来测定。经HPLC分离，可定量测定醛类和酮类物质的含量。这类反应可在含磷酸或盐酸的有机介质（溶剂）中进行，而且反应条件不同，测得的甲醛表观浓度也不同。（3）饱和蒸汽萃取法：将样品悬挂于盛有蒸馏水的密封瓶中，升高温度，利用饱和水蒸汽将挥发性物质带入水中。在纺织业和汽车行业此法备受青睐。较典型的方法有JIS1041, AATCC-112, BS6806第三部分, ISO14184-2和个别企业标准（例如大众汽车公司）。蒸汽萃取法具有明显的优势，即只有挥发性物质能被萃取出来，而且将甲醛化合物和底物颜色的干扰降到了最低。但是测定条件较苛刻，而且在此条件下易使一些化学物质分解，从而导致实验的表观结果偏高。（4）气体萃取法：此法是某些领域中的一个发展趋势。为便于处理，将产品制成粉末状。对于国内的建筑业和汽车行业，在测定过程中不可能将皮革完全浸湿。通常采用氮气流或空气流在高温条件下萃取底物（皮革或化料）。较典型的包括用于皮革助剂中甲醛含量测定的TEGEWA法、最近被采纳的车内挥发物测定方法JAMA和某些企业常用的方法（例如丰田汽车公司）。测定方法的多样化不可避免地会使人引起混淆。在这些方法中，最关键的两点就是萃取法和检测法。不管采用哪种检测方法，我们都可以得到相当精确的、重现性良好的结果。近几年在检测方法上作了大量的研究工作，其中乙酰丙酮比色法和DNPH-HPLC法备受青睐，而对萃取方法的研究却相当有限，因此对萃取方法的研究也就显得尤为重要。本文以实际产品和模拟化合物为底物，对比了几种萃取方法的应用效果。由于所有的实验结果都是从我们日常工作中选出的，所以结果并不系统。下面是三种测定方法的实验过程概述：水萃取法：将研磨后的革样浸泡在含有表面活性剂的水中，于40°C下保持1h，过滤后采用乙酰丙酮法测定滤液中的甲醛含量。蒸汽萃取法：将试样悬挂于盛有水的密封瓶中，在一定温度下保持一定的时间，然后采用乙酰丙酮比色法测定液体中的甲醛含量。气体萃取法：在高温下用氮气流萃取试样，并将萃取出的甲醛收集到含DNPH的萃取柱内，最后用高效液相分离、紫外检测法分析。 2 实验 商品革样为了检验水萃取法和蒸汽萃取法的适用性，本实验选择了七种革样（甲醛含量较低、中等和较高的革样各一块，四块甲醛含量特别高的革样）进行对比研究。这些革样只是经过简单的中和、复鞣和加脂处理，没有进行染色。在以前的实验中我们注意到水萃取法和蒸汽萃取法的测定结果之间存在差异，所以本实验中我们选择了更多的高甲醛浓度的试样进行对比研究。采用不同萃取方法（在两种条件下的蒸汽萃取法）所得到的甲醛含量如下表所示，每个实验重复两次，取两次测定结果的平均值。从表中可以看出，在饱和蒸汽下长时间萃取将会使合成鞣剂分解出甲醛，从而使得测定结果偏高。本实验主要探讨了在两种最常用的萃取条件下所得到的实验结果：即40°C水中浸提1h和60°C的饱和水蒸汽中悬浮3h。在低甲醛含量或中等甲醛含量的条件下，这两种萃取方法得到的实验结果较一致。但当甲醛含量较高时，两种萃取方法得到的结果却截然不同。从表中可以得知，采用蒸汽法萃取时，四号样的测定结果偏高，而采用水萃取法时3、6和7号样的测定结果偏高，因此我们可以得出结论：采用水萃取法会使测定结果偏高。表1 不同萃取方法得到的皮革甲醛含量（ppm，以标准革样的质量计）革样 溶有表面活性剂的水萃取法，40°C 1h 蒸汽萃取法60°C 3h 蒸汽萃取法49°C 20h 1 2 37 36 131 3 90 61 174 4 204 265 660 5 6 143 71 409 7 .2 萃取率水萃取法实验结果偏高的原因可能是因为其萃取率比蒸汽萃取法高，为了验证这种可能性，我们安排了如下实验。首先用不含甲醛的化料处理坯革，然后分别采用这两种萃取方法测定蓝湿革和坯革的甲醛含量，实验结果证实甲醛含量均低于5ppm。试样中加入的甲醛量是已知的，然后分别采用两种萃取方法对其进行处理，测定甲醛含量并计算萃取率，结果如下表所示。表2 甲醛萃取率（坯革）编号 加入的甲醛量mg 萃取出的甲醛量（水萃取法）/mg 萃取率(%) 萃取出的甲醛量（蒸汽法）/mg 萃取率(%) 1 117 117 2 96 106 3 60 87 4 60 90 平均值83 100上述实验结果清楚地表明，在萃取革样中的游离甲醛和可逆键合甲醛方面，蒸汽萃取法的效率较高，水萃取法的效率较低可能是与样品的制备过程有关。采用蒸汽萃取法不需要对革样进行特殊的处理，但对于水萃取法，则需要对其进行研磨等处理，在研磨的过程中可能会造成游离甲醛或可逆键合甲醛的挥发，造成损失。 水解类脲醛树脂众所周知，在较低pH值下，脲醛树脂易发生分解，因此选择此类树脂（工业品）作为几种标准测定方法的对比试样。表3 脲醛树脂样品中的甲醛含量（ppm，以试样的质量计）测定方法 甲醛含量 水萃取法 35000 蒸汽萃取法 12000 气体萃取法 450从表中可以清楚地看出，水萃取法和水蒸汽萃取法的测定结果明显高于气体萃取法，这是因为产品在水中发生分解的原因。 化学研究为了探讨两种测定方法（水萃取法和水蒸汽萃取法）的不同，我们做了进一步的研究。首先对比了两种萃取方法对模拟分子的作用，在研究减少合成鞣剂中的甲醛含量过程中，我们也研究出大量能与甲醛反应的活性分子（又叫“甲醛捕获剂”）。在本实验中我们首选的甲醛捕获剂是含有三个或三个以上活泼氢原子的小分子化合物，但是我们希望下面的实验能够适用于任何种类的甲醛捕获剂。出于商业原因考虑，以下我们将这种小分子物质简称为PLX。此外，甲醛捕获剂的反应活性不同，它的用量也不同，但在理论上分析，实验结果不会受到影响。模拟分子的合成：首先将5mol PLX、1mol甲醛和10mol水混合，然后在40°C下反应4h。反应结束后，将得到的悬浮液在室温下至少放置48h，然后过滤得滤液，干燥后得到浅黄色结晶物质，即为PLX和甲醛的反应产物，也就是实验用的模拟分子。甲醛分析：将上述产物溶于水中，分别配制成浓度为2%，1% ， 和的溶液，然后采用以下两种方法检测溶液中的甲醛含量。第一种方法是将浓度为的溶液过滤后，采用蒸汽萃取法萃取出滤纸上的甲醛；第二种方法使溶液直接和乙酰丙酮反应，然后计算甲醛含量。实验结果如下表所示，同时计算出了甲醛的理论去除率。表4 PLX和甲醛的反应产物的甲醛表观浓度（以革样的干重计）溶液浓度 直接测定 (ppm) 蒸汽萃取(ppm) 2% 303 441 1% 1075 432 3112 280 15367 125从表中可以看出，随着溶液浓度的改变，采用蒸汽萃取法得到的甲醛表观浓度变化不大，这表明在此条件下（饱和水蒸汽）放置较长时间（3h），PLX和甲醛的反应产物也是相当稳定的。相反地，随着溶液浓度的减小，采用水萃取法得到的甲醛表观浓度不断增加。当初始浓度相对较高（2%）时，这两种方法所得到的结果相差不大；当初始浓度相对较低时（），采用水萃取法得到的甲醛表观浓度明显高于（大约50倍）蒸汽萃取法的结果。我们采用下面的方法来研究误差来源。在通常情况下，PLX和甲醛的反应产物是很稳定的，但不可避免地还是有少量的游离甲醛释放出来，如方程式1所示。反应产物分解产生游离甲醛，所以测定介质中的水以一定的速率吸收甲醛，当达到平衡后，使得反应向左进行，因此可以说这种反应产物是稳定的。而在蒸汽萃取法中没有这种现象产生，不管初始浓度高低，对此反应没有影响。对于水萃取法来说（等价物），情况更加复杂。同时将PLX与甲醛的反应产物和乙酰丙酮加入水中，反应产物分解出的游离甲醛与乙酰丙酮发生反应，如方程式2所示。由于另一种反应活性分子的存在，使得分解反应的平衡向右移动。PLX-form « PLX + Formaldehyde (1)PLX-form + Ac-Ac « PLX + Form +Ac-Ac« PLX + AC-Ac-form (2)从方程式可以看出，与乙酰丙酮反应的甲醛的量与乙酰丙酮和PLX产物的比例有关。在测定过程中，乙酰丙酮的浓度是固定的，因此所测得的甲醛表观浓度与测定过程中用的PLX-甲醛的浓度是成反比的，下面的图表可证明此论证。从下图可看出两者并不是呈线性关系，这也表明反应并不是简单的一级反应。本实验没有涉及到具体的反应机理研究，但值得注意的是当PLX-甲醛的浓度较低时，测得的甲醛表观浓度增加很快。3 讨论众所周知，在测定皮革中的甲醛含量时，采用不同萃取方法，得到的实验结果也有所不同。萃取率的实验结果也表明蒸汽萃取法的效率较高，而水萃取法的效率较低，这主要是由以下两个原因造成的。首先，水萃取法需将样品研磨成细小的颗粒，在研磨的过程中可能会造成游离甲醛的损失，从而使甲醛的表观浓度偏低；其次是因为皮革能够有效地吸收甲醛，所以在这个平衡反应中，不可能完全将甲醛萃取出来。因此，从理论上分析，在萃取游离甲醛或可逆键合甲醛时，水萃取法的效率比蒸汽萃取法低。蒸汽萃取法只能将甲醛等具有较高蒸汽压的小分子物质萃取出，而水萃取法可将任何溶于水的物质萃取出。在标准水萃取实验中，不仅能够将甲醛萃取出，像不稳定的合成鞣剂、甲醛与甲醛捕获剂的反应产物等物质也会被萃取出。因此，反应试剂、乙酰丙酮或DNPH不仅与甲醛反应，也能从一些低聚物中（合成鞣剂）夺取甲醛分子。很明显后者不是甲醛，而是一种在正常条件下，甚至更强烈的条件下都稳定的物质，所以在这种条件下测得的甲醛含量不是真实值，没有实际应用价值。在实际应用中，皮革中甲醛的释放通常也与水蒸汽有关。对鞋面革来说，鞋内温暖潮湿的环境就可能导致甲醛的释放，尽管这种作用并不是饱和水蒸汽（条件较温和），而是一个开放的体系，但在理论上看它与蒸汽萃取法的条件极为相似。表带的情况也是如此。而在服装革、装饰用革及其他种类的革中，甲醛的释放与气相萃取法的条件极为相似。另一方面，蒸汽萃取法的作用较强烈，尤其是温度较高或处理时间较长时，饱和水蒸汽易使相对稳定的分子发生分解，所以我们需要根据成品的应用目的来确定合适的条件。 本实验中采用的是乙酰丙酮显色法，也有人希望采用DNPH/HPLC法来改善这种情况，但是结果表明DNPH/HPLC法只能减少颜色或其它相似因素造成的实验误差。DNPH与甲醛的反应活性很高，也能够从甲醛化合物中夺取甲醛（如方程式2所示），与乙酰丙酮一样造成误差。所以，采用HPLC法也不能将反应产物分离出来。4 结论当皮革中的甲醛含量在100ppm左右时，水萃取法和蒸汽萃取法都是有效的。而浓度较高时，蒸汽萃取法的效率无变化，而水萃取法的效率有所下降，这可能与样品的制备过程有关。气体萃取法只能萃取游离的甲醛，具有潜在的应用前景。水萃取法不仅能萃取出游离甲醛和可逆键合甲醛，而且还能萃取出水溶性的合成鞣剂、树脂或其它甲醛化合物（与其它物质反应生成的一种稳定物质，在一定条件下又能发生分解，即为这种条件下的甲醛化合物）。模拟分子实验已经表明在甲醛检测方法中使用的甲醛检测试剂能够使稳定的甲醛化合物发生分解，从而导致测得的甲醛表观浓度较高，这也可以用来解释分别采用两种不同萃取方法处理相同的皮革试样，而所得实验结果却存在如此大差异的原因。此外，为了给法律法规的制订者和检测专家提供更多的参考依据，我们还有很多具体的工作需要完成。注释本文章中没有列出正式的参考文献，但是下面的信息应该对有关人士有所帮助，同时也将一些标准列于下面。由于本文章只是讨论了一些测定方法，所以没有过多的注意这些测定方法在当前的有效性。皮革甲醛含量的限定标准和贸易要求：·请参考日本法律112；·有关鞋类、SG商标和Oko Tex的欧盟生态标志·个别公司的要求（大众、丰田和耐克等）甲醛的致癌性：·法国里昂国际癌症组织的甲醛IARC专论。一些典型的测定方法：·国内标准/国际标准：BS6806, JIS1041, ISO/TS17226:2003, ISO14184；·协会：IUC19, AATCC-112, JAMA 2005年2月14号发布的新闻稿；·贸易组织：大众汽车公司的PV3925，丰田公司的TSM0508G-a，TEGEWA拟定的测定方法。

皮革出口现状及问题分析论文提纲写论文题目不宜过大，否则把握不住，方方面面都论述不清楚，一定要写小题目，把问题论述透彻。我学这个专业 可以留言 或者摆渡HI我 随叫随到....

用甲醛检测盒检测一下就好了，甲醛的释放是个缓慢的过程，所以要要尽可能的多开窗通风， 车里有皮革坐垫鞋垫还有皮沙发等皮质用品可以用些皮革除甲醛护理液能很快分解掉甲醛，没有二次污染。最好在车里各个角落放一些玛雅蓝除甲醛材料，是利用其纳米级的孔隙来吸附有害气体。

氧化皮检测论文

加稀盐酸,如果反应后溶液呈绿色,则成分为氧化亚铁(FeO);如果溶液呈黄色,则为三氧化二铁(Fe2O3).

不锈钢点焊技术是是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,这是我为大家整理的不锈钢点焊技术论文，仅供参考!

不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺探讨

摘要：文章对不锈钢车体试制项目原有除黑工艺进行介绍，重点描述原工艺方法造成的缺陷;利用实验手段对原工艺方法造成的缺陷进行重现和分析，确定解决方案;对原有工艺进行改进，确定出一套完整的不锈钢车体点焊表面化学除黑工艺规程。

关键词：不锈钢点焊;除黑工艺;不锈钢车体点焊;表面化学

中图分类号：U271 文献标识码：A 文章编号：1009-2374(2014)09-0047-02

上世纪60年代初，为了车辆的轻量化与免维修，日本对车辆结构使用不锈钢问题进行了研究分析。同时，研究了以点焊方法进行不锈钢结构制造，于1962年完成了除底架的一部分(端底架)之外，其他结构或外板等均采用不锈钢制造的东急电铁7000系，这就是当今称为全不锈钢车的首辆车。

不锈钢车辆的特征有：免维修、轻量化与车体结构的无涂装，但是这就对车体外板的表面状态提出了要求。电阻点焊结束后会在不锈钢外板表面造成黑色或淡黄色的氧化皮，严重影响车体美观，同时由于氧化导致基材结构发生改变，焊点位置可能会发生电化学腐蚀，因此需要对不锈钢外板表面焊点位置进行除黑处理。

1 电化学除黑基本原理

焊点位置的氧化皮即过烧现象主要是由于焊接时间太长、焊后冷却时间过短造成的。过高的温度导致在焊钳电极与外墙板接触位置发生氧化反应，形成一层黑色或淡黄色的氧化皮。

电化学除黑主要是利用电解池原理分解氧化皮来达到除黑效果，同时在表面形成一层钝化膜，起到美观、提升防腐性能的作用。

2 原有工艺介绍

设备介绍

由于电解池反应需要在通电形成闭合回路且有电解液存在的条件下才可进行，所以在实际操作中需要通过设备来满足这一要求。

现使用设备为进口除黑机，该设备由除黑机主体、接地线、电源线、电极棒、棉布及可适用不同部位的电极头组成，同时操作过程中，需要配合专用的清洗液和中和液使用。

原有工艺介绍

根据设备厂家培训内容，以及验证性实验确定了最初的工艺方法。主要对设备使用方法与输出电流强度进行要求，其他方面没有具体规范，处理效果一般。

3 原有工艺不足之处及改进方法

原有工艺不足之处

在按照原有工艺对第一个端墙进行除黑之后，发现除黑效果很不理想主要表现在以下几点：(1)部分焊点位置出现与原氧化皮不同色泽的黑色印记，继续重复除黑操作也无法清除;(2)部分焊点经过除黑操作后出现过蚀现象，与周围焊点色差较大，极不美观;(3)焊点位置周围出现大面积水印，反复清洗也无法清除;(4)整体清洁后将端墙板挂起远观，墙板光泽度不佳。

缺陷分析及改进方法

(1)布料的影响。经过反复实验，发现部分焊点位置出现的与原氧化皮不同色泽的黑色印记是由于裹在电极头上的布料过脏导致的。重复除黑操作无法清除，由于现阶段缺少实验设备，无法确定该黑色印记的组成以及表层是否还有其他膜，对于该缺陷，目前最有效的处理手段为物理打磨，但不锈钢外墙板为机械拉丝板，整体纹路一致，打磨后影响外观效果，因此目前对于该缺陷，最好的处理手段为经常更换裹电极头的布料，杜绝此缺陷的出现。

原电池反应需要在电解液环境中进行。除黑操作中的棉布就是电解液的载体，电解液过少导致被清除下来的氧化皮没有被完全分解而直接粘附在棉布表面，造成布料污染，棉布的吸水量是一定的。因此在不影响除黑效果的前提下尝试多层布料充分蘸取清洗液，经过多次实验，最终确定双层布料既可以保存足够量的清洗液又不影响除黑效果，同时要求经常观察布料污染情况，布料表面完全变黑后进行更换。

实验证明，通过这种方式可以有效杜绝黑色印记的出现。

(2)电流的影响。按照设备厂家的建议，在输出电流为7的情况下进行除黑作业，颜色较深的焊点位置清除效果比较理想，但是颜色较浅的部位清除结束后出现由于过蚀导致的焊点位置发白的现象，与周围焊点色差较大，极不美观。同时原操作方法中对电极棒与墙板的接触时间没有做具体规定，这也是造成这一现象的原因之一。

在实验过程中，将电流的输出强度调节为5，同时控制电极棒与墙板的接触时间在2秒以内。

实验证明，降低后的电流强度对除黑效果没有影响，同时不再出现过蚀现象。

(3)清洗液使用方法的影响。在原操作过程中，发现起初几个点的除黑效果很不好，在电极棒与墙板接触5秒以上才可完全去除氧化皮颜色，但接触时间过长又会出现过蚀现象，因此在实验过程中对于清洗液的使用方法进行着重研究。

在除黑作业中，由于通电，在操作时间过长的情况下电极棒会发热，造成布料上蘸取的清洗液蒸发过快，严重影响除黑效果。因此在实验中尝试让电极棒充分蘸取清洗液，然后进行除黑，除黑效果显著，但是由于清洗液蘸取过多，在墙板上接触面积过大，造成除黑后焊点周围有明显水印，与周围墙板色差过大，极不美观。

因此，最终调整操作方法为：将裹好布料的电极棒放入盛有清洗液的烧杯中充分浸润棉布，然后在烧杯壁沥干至不再滴水;对于一次清洁不彻底的焊点可以在重新蘸取清洗液后进行二次操作。

(4)中和液使用方法的影响。中和液的作用是清除残留的清洗液。残留中和液清洁不彻底会严重影响墙板的光泽度，原操作中使用的中和液为原液，由于浓度过高，造成残留中和液清洁困难，因此需降低中和液

浓度。

为了在中和液的使用浓度和清洗效果上找到一个平衡点，经过多次实验，最终确定了中和液：水=1：4的稀释比例;同时为了便于对残留中和液进行清洁，在操作过程中，在使用清洗液清洗后立即用蘸取稀释后的中和液的无纺布清洁残留的清洗液，然后用蘸取清水的无纺布擦掉残留的中和液;在整个墙板除黑操作结束后再用清水整体清洁墙板。

4 结语

在通过实验方法对缺陷进行分析后，最终确定出一套完整的除黑工艺。新的工艺中对电流强度、棉布用法、清洗液以及中和液的用法进行了重新规定。

按照新版工艺方法处理后的墙板整体光泽度良好，焊点位置无过蚀、水印、无法去除的黑色印记等缺陷，满足对除黑效果的要求。

参考文献

[1] 赵明花，刘玉民.城市轨道车辆不锈钢车体的研发

[J].城市轨道交通研究，2004，(1).

[2] 刘永刚，韩晓辉，马明菊，王素环.轨道车辆不锈

钢车体电阻点焊缺陷产生及预防工艺[J].点焊

机，2012，42(4).

[3] 张淼玲.原电池电解池的区别与判断[J].教育教

学论坛，2011年，(7).

作者简介：韩鹏程，男，天津北车轨道装备有限公司助理工程师，研究方向：轨道车辆涂装体系与涂装

不锈钢点焊结构车体FEA建模方法

摘要:针对不锈钢车体点焊结构的“点传力”特性,提出了位移主-从约束关系建模思想,并通过数值试验验证了采用位移主-从约束关系来模拟焊核比现有其它的模拟 方法 具有更高的精度.以城市轻轨动车组不锈钢点焊车体为 应用 对象,基于位移主-从约束关系建立了该车车体的有限元模型, 计算 结果与试验测试结果基本一致,证明了模型的正确性,为今后该类车型的设计与开发打下了良好的技术基础.

关键词:FEA,位移耦合,点焊结构

点焊是地铁车辆、城市轻轨车辆、甚至高速动车组的不锈钢车体结构大量金属板构件间的主要连接形式,分布于车身各部位,数量达上万个.点焊结构主要特点是:结构紧凑、重量轻、强度高、耐腐蚀.同时,它的制造工艺比较复杂,技术要求高,因此,尽管点焊结构车辆在国外已经获得了广泛应用,在国内则刚刚开始研制[1-2].如何把握点焊结构的力学特性,建立高精度的车体FEA计算模型已成为不锈钢点焊车研制过程中计算人员极为关注的 问题 .

当前点焊结构常采用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)来模拟焊核[3-4].从 理论 上说,点焊结构用适当高度的块体元模拟时,则可获得较高的精度,但对于大量均布、密集排列的焊点的不锈钢车体结构来说这将导致单元/结点数量急剧增加而不可行,因此,必须抓住不锈钢点焊车传力的主要特征创建FEA模型.

与车辆结构尺寸相比,点焊焊核自身的尺寸可以忽略不计,在有限元模型中,可以将它们视为仅是整体坐标系下的一个“点”,在外载荷作用下,结构依靠这些“点”传递内力,这类结构可称为“点传力结构”.基于位移主-从控制关系原理[5],本文认为对于不锈钢点焊车体这类典型的“点传力结构”,用位移的主-从约束关系来模拟焊核(即等价于在计算模型中被焊接连接的两点之间位移完全一致)是更为合理的,并通过数值试验证明了主-从约束关系比其它建模方法具有更高的精度.基于位移主-从约束关系建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型,根据相关标准进行加载计算,通过与物理试验的比较,验证了计算模型的合理性和有效性.

1 主-从控制关系的正则方程

主-从关系(位移耦合),指的是当一个结点被定义为另一个结点的从结点后,该从结点就失去了位移的独立性,它的位移只能且必须从属于主结点.主结点上的位移处理为独立位移,从结点上的位移为相关位移.

在应用最小总势能原理求基于位移法的结构正则方程时,相关位移对总势能的贡献是通过与之有关的独立位移和指定位移表达的.结构的总势能为

2 各种方法对比 分析

本文提出用位移主—从约束关系描写不锈钢点焊车体的点焊传力,这意味着模型中的每一点焊的焊核均被凝聚成一点,那么,这种简化与其它建模方法相比精度到底多高?以下用实体单元、梁单元、刚性单元和主-从关系(即位移耦合)为点焊结构建模来讨论各种方法的精确性.

假设薄板A与B用点焊方式焊接,其厚度分别为t1与t2,t1薄板右端均匀作用有F吨拉力,t2薄板左端被约束住.焊核为三维椭球,其最大剖面的直径为d.在各方法的计算模型中,板的中心为焊点位置,也为坐标原点,梁单元的物理属性取决于板材,单元直径为d,单元长度为(t1+t2)/2;刚性单元,无物理属性,单元长度为(t1+t2)/2;实体单元物理属性取决于板材,单元尺寸取决于t1,t2;位移主-从约束不需要定义材料属性,只需指定六个自由度之间位移主-从约束关系.

以实体元计算结果为标准,t1薄板上载荷方向的应力误差比列入附表.表中方法1为采用梁单元;方法2为采用刚性单元;方法3为采用位移耦合.表中位置点1至点8依次为t1薄板上过原点与载荷方向一致的坐标轴上等距离的点;位置点9至点16依次为t1薄板上过原点与载荷方向垂直的坐标轴上等距离的点.表中应力误差比的定义为(σ-σ0)/σ0,其中σ0为实体元计算结果.由附表可以看出:位移主—从约束建模方法的误差较小,刚性单元和梁元的较大.

实体单元和位移耦合的两个模型沿外载荷方向的应力值比较如图1所示.结果表明:两种模型高应力区域一致;焊核附近,位移耦合模型的应力值要大于实体单元模型的,稍离开焊核,两种模型应力值几乎相同.

3 工程验证

城市轻轨动车组不锈钢点焊车体是典型的点传力结构,全部采用高强度车辆专用的冷弯或轧压工艺制造的不锈钢型材.除车顶、地板的波纹板之间的连接采用缝焊,其余板与梁、柱及部件与部件之间的连接均采用接触点焊.由于板薄,板与板、板与梁(柱)和柱与柱之间只能采用搭接接头,除2层、3层搭接外,最多还有5层板搭接.该不锈钢车体大约有4万个焊点,该车典型的焊接示意图如图2所示.

不锈钢点焊车体在承受外载后,载荷通过数万焊点将力传递到车体各部,并由此产生车体各处的变形与应力,这一特点,在建模时必须真实体现,否则, 计算 模型将会失真,并将导致计算结果失真.假定车体构件的每一“点对”之间,一旦形成点焊,尽管这一点焊事实上占有一很小的面积,但相对车体构件尺寸而言,有理由视这两点被“焊成一点”,因此,在变形的过程中,点焊可以用位移主—从关系来描述.

城市轻轨动车组不锈钢点焊车体有限元建模的关键 问题 是每一个焊点位置处必须要有结点生成.因此,在I-DEAS软件()中创建真实地反映不锈钢车体构件之间的相互关系的、用于划分有限元网格的三维几何时,根据点焊位置,要一一创建“锚点”[6],因为“锚点”一经生成,在随后的单元网格生成过程中,“锚点”将自动转化为单元的结点,这样就为点焊的“点对”准确位置的确定创造了条件.不锈钢点焊车体四分之一的局部放大网格如图3所示.四分之一模型的求解规模为:单元总数132309;节点总数134659;焊点数8824.

依据 文献 [7]进行加载计算,垂直总静载荷工况作用下车体和部件的应力云图如图4所示.该车FEA计算结果与强度试验测试结果[8]的对比如图5所示,由图5可以看出两者基本一致,因此,该计算模型质量很高.

事实上,正是由于该性能仿真模型的高可靠性,设计人员才有可能进行一次又一次的方案对比.而相对最优方案也正是在这种一次又一次对比中逐步形成的,其重要意义不言而喻.

5 结语

FEA的置信度关键在于计算模型的质量,而创建一个计算模型的必备条件是计算机、仿真软件和使用者.事实上,功能再好的仿真软件,速度再快的计算机,也只能辅助建模者提高建模的效率而不提供建模的原则与技巧,计算模型的质量主要还是取决于使用者的 理论 素养和建模经验.只有具有良好的理论素养和厚实的建模经验才能够很好地消化吸收仿真软件中的精髓,并将其融化在仿真模型的建立过程之中,使仿真模型合理和 科学 .

本文基于位移主-从约束关系(位移耦合)原理模拟不锈钢点焊车体的点焊,并利用I-DEAS仿真软件高级建模功能,建立了城市轻轨动车组不锈钢点焊车体的FEA模型.通过FEA计算结果与物理试验结果的对比,证明本文的建模思想 方法 是切实可行的.

参考 文献:

[1]内田,博行.日本不锈钢车辆技术,国外铁道车辆[J],2001,38(4):1-4.

[2]孙双进.开发生产不锈钢客车提高我国客车制造水平[J].铁道车辆,1998,36(6):18-21.

[3]周长路,范子杰,陈宗渝,等,微型客车白车身模态 分析 [J].汽车工程,2004,26(1):78-80.

[4]王宏雁,徐少英.有限元法在客车车身结构模态分析中的 应用 [J].北京汽车,2002,(1):13-15.

[5]钟万勰.计算结构力学微机程序设计[M].北京:水利电力出版社,1984.

[6]I-DEASMasterSeriesTMStudentGuide[M].StructuralDynamicsResearchCorporation,1998.

[7]JISE7105-1989.铁道车辆车体结构强度试验方法()[S].日本标准协会,1989.

[8]天津滨海快速轨道 交通 不锈钢车体静强度试验报告[R].青岛: 中国 北车集团四方车辆 研究 所,2003.

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7、测评量化：测评已经以做到量化，并不是大概的范围。

参考资料来源：百度百科-皮纹测试

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