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气动挤压式3D打印食品单层单道形貌预测研究

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食品工业 2017年第12期38卷 172-176页

作者：任传奇魏正英张志同王鑫杜军西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

成形层形貌稳定性严重影响样件外观质量,探索研究成形形貌预测方法对实现食品打印稳定、快速成形具有重大意义。通过搭建气动挤压式食品增材制造平台,采用Design Expert软件设计试验,将二次回归通用旋转设计分析应用于单层单道食品3D打... 详细信息

成形层形貌稳定性严重影响样件外观质量,探索研究成形形貌预测方法对实现食品打印稳定、快速成形具有重大意义。通过搭建气动挤压式食品增材制造平台,采用Design Expert软件设计试验,将二次回归通用旋转设计分析应用于单层单道食品3D打印形貌预测,建立了回归模型并进行显著性校验,确定了单层单道食品打印主要工艺参数(扫描速率,成形压力及喷头距基板距离)与成形形貌(成形高度和宽度)之间对应关系。结果表明,回归模型预测值与实际值误差不大于9%,可以准确选择气动挤压式食品3D打印成形工艺参数,有利于改善食品打印成形形貌质量。

关键词： 3D打印形貌预测二次回归通用旋转设计单层单道

零件修复中非垂直激光熔覆形貌预测与基础研究

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零件修复中非垂直激光熔覆形貌预测与基础研究

作者：李朋飞新疆大学

学位级别：硕士

激光熔覆技术是实现零件修复再制造的重要方法,其独特的工艺原理,广泛的应用领域,使其在近几十年里备受研究者的青睐。由于受到熔覆设备尺寸的限制,对于有些复杂零件不能实现激光束垂直照射基体,激光熔覆时激光束照射在基体上的光斑形... 详细信息

激光熔覆技术是实现零件修复再制造的重要方法,其独特的工艺原理,广泛的应用领域,使其在近几十年里备受研究者的青睐。由于受到熔覆设备尺寸的限制,对于有些复杂零件不能实现激光束垂直照射基体,激光熔覆时激光束照射在基体上的光斑形状发生改变,导致其和基体、粉末的耦合发生变化,熔覆条件也发生改变。因此非垂直激光熔覆不能简单套用激光垂直照射熔覆的研究成果。针对这一问题,对激光熔覆进行了基础性研究,并借助激光熔覆温度场数值模拟研究了非垂直激光照射下熔覆层的几何形貌与激光入射角的关系。在研究垂直激光照射熔覆原理的基础上,并根据非垂直激光熔覆特点程总结出物理模型,介绍了光、粉以及基体的耦合过程,为零件修复中非垂直激光熔覆形貌预测做准备。针对零件修复中非垂直激光熔覆物理过程的特点采用“生死”单元技术,利用三维瞬态温度场的数值模拟实现熔覆层的自动拟合,预测出激光束在0°、10°、20°、30°、40°入射角度熔覆层的三维几何形貌。为了验证数值模拟结果的准确性,保证其他工艺参数不变的情况下,采用实际实验对应角度下熔覆层的实际轮廓,并利用电镜扫描对获得的不用入射角度下的熔覆层图片进行宽度、高度测量、润湿角测量,结果显示:熔覆层的宽度随着激光束的入射角度增大而增加,熔覆层的高度随着激光入射角度的增大而降低,熔覆层的润湿角也随着激光束的入射角度增大而增加,这一结果与预测结果十分接近。为了进一步研究熔覆层的质量,对熔覆层进行了显微硬度测量,测量结果显示熔覆层的硬度高于基体的硬度值,熔覆层底部的硬度高于顶部的硬度值。最后针对企业的加工需求进行了内孔零件非垂直激光熔覆,熔覆结果与研究结果吻合,表明本研究的可行性。

关键词：非垂直激光熔覆基础研究数值模拟形貌预测实验验证

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基于机器学习的激光熔覆形貌预测与监测研究

基于机器学习的激光熔覆形貌预测与监测研究

作者：孟庆栋中国矿业大学

学位级别：硕士

制造业是国家生产力的体现,是国民经济的砥柱中流。再制造产业是解决资源浪费、推进绿色制造的新兴动力,其中激光熔覆再制造已经有了长足的发展。目前对重大装备的关键易损件实施激光再制造已经成为绿色制造研究领域中的热点之一,激光... 详细信息

制造业是国家生产力的体现,是国民经济的砥柱中流。再制造产业是解决资源浪费、推进绿色制造的新兴动力,其中激光熔覆再制造已经有了长足的发展。目前对重大装备的关键易损件实施激光再制造已经成为绿色制造研究领域中的热点之一,激光熔覆对具有复杂曲面特征的大型零部件的损伤修复和表面强化发挥着不可或缺的作用。对零部件表面进行高精度激光熔覆再制造是亟需解决的难题,所以对激光熔覆产生的熔覆层形貌预测研究就格外重要。激光熔覆形貌研究中工艺参数与形貌特征之间是复杂的非线性关系,对工艺参数进行实时优化则能更加精确地控制输入参数,进而得到期望的熔覆层;熔覆过程的闭环控制系统则能提高熔覆质量和效率,捕获熔池的清晰图像有助于对实现激光熔覆过程进行实时反馈控制。本文利用机器学习的优良算法实现对不同姿态下生成的熔覆层进行形貌预测研究,并提出了熔覆过程中熔覆层高度实时监测模型。主要研究内容如下:(1)标准姿态下的单道熔覆层形貌预测。基于遗传算法优化的BP神经网络,使用铁基18Ni300粉末进行单道激光熔覆实验获取形貌特征数据,将工艺参数作为神经网络输入,熔层覆形貌高度、宽度作为输出,建立截面形貌预测模型,并对仿真模型精准度进行验证。(2)柔性姿态下激光熔覆形貌预测研究。针对复杂曲面上无法实现激光头与基板保持垂直状态问题,将柔性姿态进行归类并分别建立理论模型,提出柔性姿态下熔覆层峰值点偏移量(35)的概念;通过具体实验验证理论模型的准确性,并首次通过多元线性回归分析方法预测柔性姿态下熔覆形貌。(3)熔覆过程中熔覆层形貌高度的实时监测模型。提出熔覆过程将熔池几何形貌作为反馈信号的闭环控制系统,设计三目摄像机结构解决了捕获熔池图像的路径依赖问题;利用模糊C均值聚类的图像阈值,将模糊性的度量降到最低;使用透视变换将熔池图像边界由图像平面转到工作平面,提取投影图像的特征作为输入变量,利用递归神经网络对熔覆层形貌高度进行预测。该论文有图76幅,表15个,参考文献80篇。

关键词：激光熔覆再制造机器学习形貌预测柔性姿态实时监测

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钛合金激光熔覆工艺与形貌预测研究

钛合金激光熔覆工艺与形貌预测研究

作者：谢红梅大连理工大学

学位级别：硕士

激光熔覆技术是在单道激光熔覆的基础上,经过多道多层的堆积,最终形成预定的形状。随着该技术在激光熔覆修复和激光立体成形两方面的发展,激光熔覆成形精度的要求越来越高。而工艺参数和熔覆层形貌是成形精度的直接影响因素和重要特征,... 详细信息

激光熔覆技术是在单道激光熔覆的基础上,经过多道多层的堆积,最终形成预定的形状。随着该技术在激光熔覆修复和激光立体成形两方面的发展,激光熔覆成形精度的要求越来越高。而工艺参数和熔覆层形貌是成形精度的直接影响因素和重要特征,因此对两者及两者之间关系的研究成为激光熔覆技术的热点问题。在此背景下,本文针对航空航天领域常用的钛合金TC4,使用同轴送粉激光熔覆加工系统,从单道激光熔覆工艺及形貌入手,对激光熔覆的形貌预测和参数预选问题进行了一系列的试验和理论研究。具体研究的主要内容如下： (1)通过单道正交试验,分析了激光功率、扫描速度及送粉速率三个工艺参数对熔覆层形状参数的影响主次,研究了熔覆层弓形横截面的成形原因。除此之外,还探讨了TC4激光熔覆中主要缺陷的产生原因及控制方法。 (2)对激光离焦量进行单因素试验,分析其对单道熔覆层形状的影响规律。并以此为基础,通过响应曲面中心复合设计CCD试验,建立了预测单道熔覆层形貌的二次回归模型,进一步研究各工艺参数对熔覆层形状的影响规律。 (3)建立了热搭接和冷搭接两种方式下的多道单层激光熔覆搭接模型,并给出了在不同方式下的最优扫描间距。文中分析了不同宽高比的热搭接情况,并指出当宽高比小于2时,在满足特定条件的情况下也能实现良好的多道激光熔覆。同时,给出了冷搭接的两种实现方法,提出了基于操作简单和成形稳定的冷搭接优选方法。 (4)基于单道多层激光熔覆建立了堆积几何模型,以此为基础推导出合理的Z轴提升量,并提出堆积层数与熔覆层高度存在线性关系。同时,分别进行不同扫描方式下的多层激光熔覆试验,对比研究了扫描方式对熔覆层形貌的影响。基于以上研究,本文建立了单道熔覆层的形貌预测模型及多道多层激光熔覆的几何模型,实现了激光熔覆层二维形貌的简单预测,并为多道多层激光熔覆提供了工艺参数的选择依据。

关键词：激光熔覆工艺参数形貌预测响应曲面法钛合金

Cr12MoV钢表面激光熔覆镍基合金涂层形貌预测及数值模拟研究

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Cr12MoV钢表面激光熔覆镍基合金涂层形貌预测及数值模拟研究

作者：刘越重庆理工大学

学位级别：硕士

激光熔覆技术具有成形速度快、组织性能优良、加工材料范围广等优点,对于长期受到冲击磨损的模具钢的表面强化和再制造有着重要的意义。镍基合金由于其具有高强度、高韧性和耐腐蚀性能的优点而广泛被用作激光熔覆材料,但在激光熔覆过程... 详细信息

激光熔覆技术具有成形速度快、组织性能优良、加工材料范围广等优点,对于长期受到冲击磨损的模具钢的表面强化和再制造有着重要的意义。镍基合金由于其具有高强度、高韧性和耐腐蚀性能的优点而广泛被用作激光熔覆材料,但在激光熔覆过程中熔覆层的形貌尺寸难以精确控制,并且由于激光骤冷骤热的特点容易产生极大的热应力,进而在熔覆层上产生裂纹等缺陷,因此有必要对激光熔覆过程中的温度场和应力场分布进行研究。本文以冷作模具钢Cr12MoV和镍基涂层为研究对象,探究激光电流、激光扫描速度和激光脉宽对熔覆层高度和宽度的影响,并建立预测熔覆层形貌尺寸的多参数耦合回归方程;通过有限元数值模拟研究激光电流和激光扫描速度对单道激光熔覆温度场和应力场残余应力的影响,分析搭接率对多道激光熔覆温度场和残余应力影响,获得的研究成果如下:本文通过正交实验获得25组激光熔覆镍基合金涂层,并建立起关于熔覆层截面宽度和高度的多参数耦合的线性回归方程,预测所得Cr12MoV模具钢激光熔覆镍基合金的熔覆层宽度误差可以精确到0.86%,平均误差6%;高度误差可以精确到0.56%,平均误差10%;并且获得了如下规律:激光电流和脉宽增大,熔覆层存在宽度增加,高度减小的趋势;熔覆层宽度受扫描速度影响较大,随着扫描速度的增大而减小,但熔覆层高度受扫描速度影响较小。用与正交试验不同的激光工艺参数获得的熔覆层宽度和高度与线性回归方程预测误差分别为4.82%和3.6%,证明了本数学模型的准确性与通用性。其次通过有限元软件ANSYS建立起单道激光熔覆模型,获得了温度稍显滞后的“彗星”状温度场分布特点以及不同激光工艺下的节点最高温度历程,得出节点最高温度随激光电流增大而增大,随激光扫描速度增大而减小的结论。结合金属的凝固理论,计算出了熔覆层顶部、中部和底部的温度梯度、冷却速度和凝固速率,预测了熔覆层组织形态大小,进而验证了温度场模拟的准确性。通过ANSYS瞬态结构分析模块计算不同路径和不同工艺参数下熔覆层残余应力大小得出:沿着激光扫描方向在基体与熔覆层交界处残余应力最大;保持其他激光参数不变,熔覆层残余应力随着扫描速度的增加而减小,随着激光电流的增大而增大。据此,确定了Cr12MoV钢激光熔覆镍基合金涂层最优工艺为:扫描速度为200 mm/min,激光电流为160 A,激光脉宽6 ms,激光频率为8 Hz,在这种激光工艺下熔覆层残余应力最小为375 MPa。与此同时,对三道搭接的激光熔覆建立了搭接率为30%、40%和50%的模型,分析了多道上同一位置不同熔道的节点温度历程,得出不同搭接率对每道温度影响规律。分析了多道搭接区和非搭接区的微观组织,并通过凝固理论的计算,得出搭接区的冷却速度和G/S的比值较非搭接区域小,因此可以获得更为细小的组织。通过计算不同搭接率下多道激光熔覆层的残余应力大小,得出在搭接率为40%时熔覆层残余应力最小为155MPa。

关键词：激光熔覆镍基涂层形貌预测数值模拟残余应力

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硫酸钙成垢过程形貌预测与分子动力学模拟

化工机械 2018年第4期45卷 521-524页

作者：张旭昀康庆鑫汪洋王文泉郑冰洁王勇东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江省石油石化多相介质处理及污染防治重点实验室大庆油田创业集团

运用形貌预测与分子动力学方法,模拟了硫酸钙水垢的生长过程与温度在323~373K下的结晶过程,并计算了扩散系数、结合能与径向分布函数。结果表明:硫酸钙最主要的生长面为{020}晶面;不同温度下扩散系数与吸附能不同,353K时硫酸钙最易结晶... 详细信息

运用形貌预测与分子动力学方法,模拟了硫酸钙水垢的生长过程与温度在323~373K下的结晶过程,并计算了扩散系数、结合能与径向分布函数。结果表明:硫酸钙最主要的生长面为{020}晶面;不同温度下扩散系数与吸附能不同,353K时硫酸钙最易结晶且吸附最为牢固,373K时最不易结晶且吸附最不稳定;353K时两种离子最易结合成垢的距离为1.6。

关键词：硫酸钙水垢形貌预测分子动力学扩散系数吸附能径向分布函数

基于BP神经网络的盾构主轴承激光熔覆形貌预测研究

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铁道建筑技术 2024年第4期 10-13,22页

作者：杨伦磊中铁十四局集团装备有限公司江苏南通226000

本文主要围绕盾构机主轴承激光熔覆修复工艺,针对工艺参数对熔覆区域映射难以表征的问题,为实现通过工艺参数预测单道次熔覆区域形貌尺寸以进一步提高整体熔覆区域性能,提出基于BP神经网络的主轴承激光熔覆工艺形貌预测模型。首先,以42C... 详细信息

本文主要围绕盾构机主轴承激光熔覆修复工艺,针对工艺参数对熔覆区域映射难以表征的问题,为实现通过工艺参数预测单道次熔覆区域形貌尺寸以进一步提高整体熔覆区域性能,提出基于BP神经网络的主轴承激光熔覆工艺形貌预测模型。首先,以42CrMo轴承钢作为基体、stellite6作为熔覆粉末材料开展3因素4水平正交试验,并以熔高、熔宽、熔深作为指标;然后,以正交试验所得指标以及工艺参数为数据基础,设计并训练BP神经网络模型;最后将预测得到的形貌尺寸与实际尺寸进行对比并求出两者之间的误差。通过分析试验结果,发现模型对于熔高、熔宽预测误差在2%以内,而对于熔深的预测效果较差。分析结果认为网络模型的权值由于数据的局限性陷入了局部最优解。

关键词：主轴承激光熔覆神经网络正交试验形貌预测

各向异性湿法刻蚀z切石英后结构侧壁形貌的预测

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光学精密工程 2012年第2期20卷 352-359页

作者：谢立强邢建春王浩旭董培涛吴学忠解放军理工大学工程兵工程学院江苏南京210007 国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙410073

基于石英晶体各晶面的湿法刻蚀速率,研究了石英微结构侧壁形貌的预测方法,讨论了各向异性湿法刻蚀石英的规律。首先,总结了石英各主要晶面的相对刻蚀速率,分别绘制了x、y族刻蚀速率矢量图。然后,在掩模层的边缘处,通过绘制相应的晶面刻... 详细信息

基于石英晶体各晶面的湿法刻蚀速率,研究了石英微结构侧壁形貌的预测方法,讨论了各向异性湿法刻蚀石英的规律。首先,总结了石英各主要晶面的相对刻蚀速率,分别绘制了x、y族刻蚀速率矢量图。然后,在掩模层的边缘处,通过绘制相应的晶面刻蚀速率矢量图,得到各速率矢量的晶面线,晶面线所围成的最小轮廓即是石英微结构的刻蚀形貌。最后,利用该方法预测了x向和y向石英梁的侧壁形貌。在70℃的氢氟酸和氟化铵混合溶液内刻蚀5h,制作了厚度均为500μm的x向和y向两种石英微梁。结果显示,y向梁的-x向侧壁有一均匀整齐的晶棱,棱高210μm,而+x向侧壁平滑。x向梁的侧壁均有晶棱,+y向晶棱较大,棱高为450μm,-y向晶棱棱高为240μm。所制作梁的侧壁形貌与预测结论基本吻合,验证了预测方法的正确性。基于该方法可在石英微结构的设计阶段,通过引入工艺因素对微结构进行优化。

关键词： z切石英微结构各向异性湿法刻蚀形貌预测

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激光熔覆Ni基熔覆层形貌尺寸的预测

材料热处理学报 2021年第11期42卷 140-146页

作者：刘越叶宏李礼佘红艳屈威杨柳重庆理工大学材料科学与工程学院重庆400054 重庆市高校模具技术重点试验室重庆400054

针对目前激光熔覆层形貌尺寸的预测计算复杂,耗费的成本高,不适用于工程应用的问题,采用Nd:YAG脉冲激光器在Cr12MoV模具钢上进行激光熔覆试验,用多元线性回归方程建立起以激光电流、扫描速度和激光脉宽为预测变量,熔覆层宽度和高度为响... 详细信息

针对目前激光熔覆层形貌尺寸的预测计算复杂,耗费的成本高,不适用于工程应用的问题,采用Nd:YAG脉冲激光器在Cr12MoV模具钢上进行激光熔覆试验,用多元线性回归方程建立起以激光电流、扫描速度和激光脉宽为预测变量,熔覆层宽度和高度为响应变量的多参数耦合数学模型,并将试验结果与线性回归方程预测的结果进行了比较。结果表明:熔覆层宽度和高度的试验值和预测值之间的误差分别可以精确到0.86%和0.49%,且该模型在其他不同工艺参数下的预测分析中得以验证。利用多元线性回归方程可以很好地表征多参数耦合下激光熔覆层的形貌尺寸,并且该方法简单高效,运算逻辑清晰。

关键词：激光熔覆形貌预测回归分析多参数耦合