典型金属材料加工工艺数值计算方法的研究与应用

摘要

现代制造业的飞速发展对各种金属材料加工工艺提出了更高的要求。无论是以“3D打印”为代表的现代增材制造技术，还是以焊接、轧制为代表的传统制造技术，均面临着重要的机遇和挑战。在新型和传统的金属材料加工过程中均伴随着许多力学问题，这些问题对于工艺实施过程和最终产品质量有重要的影响。但由于成型工艺复杂且各具特点，研究和解决方法也具有其专业特殊性，其中数值计算技术为建立定量化的研究模型提供了有力的工具。因此大力发展相关金属材料加工工艺的数值计算方法，使得对金属加工工艺的研究走向定量化和精确化，将有助于提高工艺水平和成品质量，从而满足现代制造业的发展要求。
　　本文主要针对金属材料加工领域的三种典型工艺，即属于现代增材制造范畴的金属构件微尺度铸轧直接成型技术，属于传统制造范畴的大型磨辊类耐磨结构件硬面堆焊技术和双沟环件冷辗成型技术开展数值计算方法研究。同时，将人工神经网络、遗传算法和支持向量机等新型数值计算方法用于焊接领域中若干重要问题的数值建模，通过建立定量化的分析模型，从大量样本数据中挖掘工艺参数之间的内在规律，实现输入因素和输出结果之间的非线性映射和快速响应。这不仅可以加深对新型及传统金属材料加工工艺的科学认识，还可为实际生产中的工艺规划和改进提供理论指导。
　　本文的主要研究内容如下：
　　(1)金属构件微尺度铸轧无模直接成型技术研究
　　针对一种新型的基于微尺度铸轧的金属构件直接成型技术，进行了基础性研究。基于相变传热学，建立了微尺度铸轧的一维凝固相变模型和恒定固液分界面稳态模型，理论上分析了固液相温度分布、凝固界面随时间变化规律以及固液界面的稳定存在条件。基于有限体积法和传热学理论，建立了金属构件微尺度铸轧直接成型的数值计算模型。重点对金属熔体在微尺度和高温度梯度条件下的流动、传热和凝固界面演变行为进行了研究，分析了各工艺参数对凝固界面的影响规律。在理论分析和数值计算的基础上搭建了微尺度铸轧的实验平台，提出了一种控制金属流动的恒压实施方法，并制造出不同形状规格的柱形锡合金件，初步证明了该工艺实施的可行性。
　　(2)大型磨辊类耐磨结构件硬面堆焊数值仿真研究
　　基于SYSWELD/MPA软件平台，提出了一种用于实现大型磨辊硬面堆焊的数值计算方法，可用于考察多道焊接热循环对磨辊基体温度场和应力场的影响。根据磨辊堆焊再制造和复合制造的技术特点，分别提出了描述其工艺实施过程的数值仿真流程，并建立了对应的有限元模型。针对高铬铸铁基磨辊的堆焊再制造和ZG20SiMn基磨辊的堆焊复合制造，采用JMATPRO软件开发了不同磨辊母材和堆焊焊丝的SYSWELD专用材料数据库。并以简单的小型平板堆焊为研究对象，分别建立了适用于打底层、填充层和盖面层堆焊仿真的热源模型，并提取出描述不同焊层温度历程的热循环曲线，将此热循环曲线施加到大型耐磨结构件，实现了磨辊堆焊再制造和堆焊复合制造全过程的数值仿真。研究成果可为提高硬面堆焊工艺水平和产品质量提供理论基础。
　　(3)基于软计算的智能算法在焊接领域的数值建模
　　针对以人工神经网络、遗传算法和支持向量机为代表的智能建模算法在焊接领域的应用进行了研究。采用遗传算法优化BP神经网络的初始权值和阀值，建立了TIG焊缝尺寸的BP神经网络预测模型。基于热弹塑性有限元法，建立了平板堆焊的数值计算模型，研究了电流、电压和焊速对于平板堆焊角变形和横向收缩的耦合影响规律。通过数值实验得到了训练样本，采用合适的网络结构和训练参数，建立了人工神经网络模型用于预测角变形和横向收缩。基于固有变形理论和热弹塑性有限元法，建立了T型接头的焊接仿真模型，并由试验结果进行验证，规划了一系列数值实验，得到了不同参数组合下T型接头的固有变形数值。以电流、电压、焊速和板厚为输入变量，横向和纵向固有变形为输出结果，建立了预测T型接头固有变形的BP神经网络和SVM支持向量机模型，并将其应用于典型船体结构焊接变形的预报。
　　(4)双沟截面环件冷辗成型理论及数值仿真研究
　　针对双沟环件冷辗成型的技术特点，提出了一种从工艺参数设计到环件轧制生产的工艺方案。基于环件冷轧制理论，提出了适合双沟环件的外径增长公式、导向辊位移公式、毛坯尺寸以及芯辊进给速度设计方法。基于弹塑性有限元理论，建立了双沟环件冷辗成型的数值计算模型，并分析了毛坯尺寸和芯辊进给速度对辗扩力能的影响规律。以理论分析和数值计算为基础，在D56G90数控轧环机上进行了4206型双沟轴承外圈的冷辗成型实验，得到了合格的轴承外圈成品，验证了理论分析与数值计算相结合的工艺方案的有效性。研究成果还可用于指导其他异形截面环件冷辗成型的参数设计和产品生产。

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第一章 绪论

1.1 选题的科学依据与工程意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文主要工作、创新点及论文框架

1.4 本章小结

参考文献

第二章 金属构件微尺度铸轧无模直接成型技术研究

2.1 引言

2.2 金属构件微尺度铸轧成型原理介绍

2.3 金属构件微尺度铸轧成型基础理论研究

2.4 金属构件微尺度铸轧成型数值计算方法

2.5 金属构件微尺度铸轧成型工艺试验

2.6 本章小结

参考文献

第三章 大型磨辊类耐磨结构件硬面堆焊数值仿真研究

3.1 引言

3.2 磨辊的硬面堆焊技术

3.3 磨辊硬面堆焊的数值仿真方法

3.4 硬面堆焊数值仿真方法验证

3.5 磨辊堆焊再制造数值计算

3.6 磨辊堆焊复合制造数值计算

3.7 本章小结

参考文献

第四章 基于软计算的智能算法在焊接领域的数值建模

4.1 引言

4.2 常用智能建模算法介绍

4.3 GA优化BP神经网络的TIG焊缝尺寸预测模型

4.4 平板堆焊焊接变形的神经网络预测模型

4.5 T型接头的固有变形预测模型

4.6 本章小结

参考文献

第五章 双沟截面环件冷辗成型理论与数值仿真研究

5.1 引言

5.2 双沟环件冷辗成型基础理论

5.3 双沟环件冷辗成型数值计算方法

5.4 4206型双沟轴承外圈理论-仿真案例

5.5 双沟轴承外圈冷辗扩成型实验

5.6 本章小结

参考文献

第六章 全文总结与展望

6.1 本文的主要研究内容和结论

6.2 今后进一步研究方向

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

攻读博士期间参与的科研项目

致谢

答辩决议书