开拓塑性成形制造极限共性关键理论及其实践 (2)
第八章系统介绍了基于变形的材料加工过程中的微结构缺陷及其形成机理和影响因素,综述了微观组织演化的多尺度建模和模拟方法,基于对微结构缺陷的认识建立了多尺度模型,提出了无缺陷加工的初步设计和实时控制方法。以典型材料的微结构缺陷的模拟、预测和控制为例,讨论了微结构缺陷研究面临的挑战。
3 基于变形的材料加工技术发展趋势
基于变形的材料加工技术在航空、航天、船舶、汽车等传统高端制造领域有着广泛的应用,在电子器件、可再生能源和生物医疗等领域的应用也日益广泛。这些领域对高端产品日益严格的要求推动了基于变形的材料加工理论和技术的持续发展。结合这些领域的发展现状,试提出当前的主要发展趋势如下:
(1)高性能轻量化高功能构件精确成形。基于变形的材料加工技术制造的零部件在航空、航天、汽车、能源等领域应用广泛,这些领域对高尺寸精度、高质量、大承载能力、大变形载荷、低能耗、长寿命的要求越来越高,如宽弦空心风扇叶片、双性能整体叶盘、耐高压管路等高性能轻量化部件的精确成形就需要满足上述要求。
(2)难变形材料和难成形结构精确成形。先进的轻质高强材料,如铝合金、钛合金、镁合金、高强钢以及纤维增强复合材料等的设计和使用,是生产轻质高强构件的首选。典型的难成形结构通常具有整体、薄壁、形状复杂、精度高的特征,或者具备超大/超小尺寸或其组合特征,需要通过创新设计,实现这类高性能轻量化构件的精确成形成性。
(3)高效率低能耗整体成形成性。由于全球市场的激烈竞争和边际效应的存在,需要不断地提高生产效率,降低生产成本,缩短上市时间,降低能源消耗,促进绿色制造,加强质量控制,同时保证形状尺寸精度并获得期望的性能。随着全球化的加剧以及制造业分散化趋势日益明显,越来越多的多功能个性化产品需要大规模定制,设计开发新颖的、可持续的、绿色的、智能的、高效的成形系统,实现高效率低能耗整体成形成性变得至关重要。
(4)基于大数据的数字化和智能化制造。基于变形的材料加工所涉及的复杂物理现象使得仅使用解析和物理实验来支撑零件的设计和工艺决策是不可行的。多尺度多能场全过程数值模拟与解析、实验和大数据分析等人工智能技术相结合,为开发新颖甚至颠覆性技术、实现数字化智能化过程、开发最先进的变形过程提供了强有力的手段,将加速资源密集型制造业向知识密集型制造业的转变。
4 基于变形的材料加工技术面临的挑战
当前,越来越多的难变形材料和难成形结构采用基于变形的加工技术制造,使得这一传统制造技术面临越来越多的新的科学和技术挑战,迫切需要解决这些挑战来激发这一传统制造技术的活力。针对上述发展趋势,试提出一些科学技术挑战如下:
(1)提高难变形材料的成形性和难成形结构的可加工性。轻质高强材料如钛合金、镁合金、高温合金、复合材料等通常是塑性差、变形抗力大、成形性差的难变形材料,薄壁、整体、复杂、极端特征的结构通常是难成形结构,采用基于变形的材料加工技术面临不均匀变形、复杂微结构演变、成形小部件尺寸效应显著、模具与材料界面摩擦复杂等问题,因此,开发新的成形原理和技术,提高难变形材料的成形性和难成形结构的可加工性,是一个基础性和挑战性的问题。
(2)基于形性一体化的“无缺陷”制造。变形制造中存在着各种各样的与外部结构和内部结构相关的缺陷,这些缺陷是由复杂非稳态、不均匀变形引起的,并受到不同的加工历史和冶金因素的影响。在高性能轻量化产品的精确成形中,实现非均匀变形中微观组织的调控,基于多缺陷复杂物理机制的相互作用控制实现无缺陷成形,已成为一个具有挑战性的问题。
(3)多物理场多尺度加工过程中的耦合建模和仿真。变形制造涉及材料科学、材料力学、机械工程、热能工程等多学科多领域的各种行为和现象,在力、热、电、磁、振动等多物理场耦合加载条件下,这些行为和现象之间的相互作用是非常复杂的,探索和理解不同大小尺度下的相关行为和现象的差异表现非常必要,因此,多物理场多尺度非均匀变形行为和多种成形缺陷的耦合建模及仿真是基于变形的材料加工的关键问题,对成形产品和成形工艺的优化设计至关重要。
(4)全流程优化设计和稳健控制。基于变形的材料加工过程是一个涉及多能场的非线性物理过程,包含复杂物理行为的不同热力加载过程,涉及多种变形机制及其耦合作用,易导致非均匀变形和各种类型缺陷的形成,因此,多目标多约束的过程优化设计和稳健控制至关重要。如何在整个设计空间进行全流程优化设计并实现稳健控制是材料变形加工设计与开发的难点。
文章来源:《生物医学工程学杂志》 网址: http://www.swyxgcxzzzz.cn/qikandaodu/2021/0219/462.html
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