典型金屬材料加工工藝數(shù)值計算方法的研究與應(yīng)用.pdf

1、現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展對各種金屬材料加工工藝提出了更高的要求。無論是以“3D打印”為代表的現(xiàn)代增材制造技術(shù)，還是以焊接、軋制為代表的傳統(tǒng)制造技術(shù)，均面臨著重要的機遇和挑戰(zhàn)。在新型和傳統(tǒng)的金屬材料加工過程中均伴隨著許多力學(xué)問題，這些問題對于工藝實施過程和最終產(chǎn)品質(zhì)量有重要的影響。但由于成型工藝復(fù)雜且各具特點，研究和解決方法也具有其專業(yè)特殊性，其中數(shù)值計算技術(shù)為建立定量化的研究模型提供了有力的工具。因此大力發(fā)展相關(guān)金屬材料加工工藝的數(shù)值計算方

2、法，使得對金屬加工工藝的研究走向定量化和精確化，將有助于提高工藝水平和成品質(zhì)量，從而滿足現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展要求。
　　本文主要針對金屬材料加工領(lǐng)域的三種典型工藝，即屬于現(xiàn)代增材制造范疇的金屬構(gòu)件微尺度鑄軋直接成型技術(shù)，屬于傳統(tǒng)制造范疇的大型磨輥類耐磨結(jié)構(gòu)件硬面堆焊技術(shù)和雙溝環(huán)件冷輾成型技術(shù)開展數(shù)值計算方法研究。同時，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和支持向量機等新型數(shù)值計算方法用于焊接領(lǐng)域中若干重要問題的數(shù)值建模，通過建立定量化的分析模型，

3、從大量樣本數(shù)據(jù)中挖掘工藝參數(shù)之間的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)輸入因素和輸出結(jié)果之間的非線性映射和快速響應(yīng)。這不僅可以加深對新型及傳統(tǒng)金屬材料加工工藝的科學(xué)認(rèn)識，還可為實際生產(chǎn)中的工藝規(guī)劃和改進(jìn)提供理論指導(dǎo)。
　　本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　(1)金屬構(gòu)件微尺度鑄軋無模直接成型技術(shù)研究
　　針對一種新型的基于微尺度鑄軋的金屬構(gòu)件直接成型技術(shù)，進(jìn)行了基礎(chǔ)性研究?；谙嘧儌鳠釋W(xué)，建立了微尺度鑄軋的一維凝固相變模型和恒定固液分界面穩(wěn)態(tài)模

4、型，理論上分析了固液相溫度分布、凝固界面隨時間變化規(guī)律以及固液界面的穩(wěn)定存在條件。基于有限體積法和傳熱學(xué)理論，建立了金屬構(gòu)件微尺度鑄軋直接成型的數(shù)值計算模型。重點對金屬熔體在微尺度和高溫度梯度條件下的流動、傳熱和凝固界面演變行為進(jìn)行了研究，分析了各工藝參數(shù)對凝固界面的影響規(guī)律。在理論分析和數(shù)值計算的基礎(chǔ)上搭建了微尺度鑄軋的實驗平臺，提出了一種控制金屬流動的恒壓實施方法，并制造出不同形狀規(guī)格的柱形錫合金件，初步證明了該工藝實施的可行性。<

5、br>　　(2)大型磨輥類耐磨結(jié)構(gòu)件硬面堆焊數(shù)值仿真研究
　　基于SYSWELD/MPA軟件平臺，提出了一種用于實現(xiàn)大型磨輥硬面堆焊的數(shù)值計算方法，可用于考察多道焊接熱循環(huán)對磨輥基體溫度場和應(yīng)力場的影響。根據(jù)磨輥堆焊再制造和復(fù)合制造的技術(shù)特點，分別提出了描述其工藝實施過程的數(shù)值仿真流程，并建立了對應(yīng)的有限元模型。針對高鉻鑄鐵基磨輥的堆焊再制造和ZG20SiMn基磨輥的堆焊復(fù)合制造，采用JMATPRO軟件開發(fā)了不同磨輥母材和堆焊焊絲

6、的SYSWELD專用材料數(shù)據(jù)庫。并以簡單的小型平板堆焊為研究對象，分別建立了適用于打底層、填充層和蓋面層堆焊仿真的熱源模型，并提取出描述不同焊層溫度歷程的熱循環(huán)曲線，將此熱循環(huán)曲線施加到大型耐磨結(jié)構(gòu)件，實現(xiàn)了磨輥堆焊再制造和堆焊復(fù)合制造全過程的數(shù)值仿真。研究成果可為提高硬面堆焊工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量提供理論基礎(chǔ)。
　　(3)基于軟計算的智能算法在焊接領(lǐng)域的數(shù)值建模
　　針對以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法和支持向量機為代表的智能建模算法

7、在焊接領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了研究。采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閥值，建立了TIG焊縫尺寸的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。基于熱彈塑性有限元法，建立了平板堆焊的數(shù)值計算模型，研究了電流、電壓和焊速對于平板堆焊角變形和橫向收縮的耦合影響規(guī)律。通過數(shù)值實驗得到了訓(xùn)練樣本，采用合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練參數(shù)，建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型用于預(yù)測角變形和橫向收縮。基于固有變形理論和熱彈塑性有限元法，建立了T型接頭的焊接仿真模型，并由試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，規(guī)劃了一系

8、列數(shù)值實驗，得到了不同參數(shù)組合下T型接頭的固有變形數(shù)值。以電流、電壓、焊速和板厚為輸入變量，橫向和縱向固有變形為輸出結(jié)果，建立了預(yù)測T型接頭固有變形的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM支持向量機模型，并將其應(yīng)用于典型船體結(jié)構(gòu)焊接變形的預(yù)報。
　　(4)雙溝截面環(huán)件冷輾成型理論及數(shù)值仿真研究
　　針對雙溝環(huán)件冷輾成型的技術(shù)特點，提出了一種從工藝參數(shù)設(shè)計到環(huán)件軋制生產(chǎn)的工藝方案。基于環(huán)件冷軋制理論，提出了適合雙溝環(huán)件的外徑增長公式、導(dǎo)向輥位移