双面堆积对电弧增材制造直壁件变形及应力的影响

针对传统电弧增材制造单面堆积所导致单向热累积问题,文中提出采用双面堆积的策略,即在基板的两面交替堆积相同的材料来平衡传统单面堆积的单向热输入产生的围绕成形件中性轴的较大的弯矩,从而减小单面堆积成形件的单向翘曲变形,并通过单道4层直壁零件的单面堆积和双面堆积的热力耦合数值仿真和对应的试验进行验证。研究结果表明,双面堆积策略可有效减小基板和直壁件的翘曲变形,改善成形件残余应力分布,从而验证了所提出策略的有效性。文中的研究结论可以为电弧增材“形、性”并行的调控提供理论依据和参考。     

资源约束下产品开发任务调度的多目标优化

鉴于产品开发任务调度过程中存在资源约束问题和学习与遗忘效应,需要对多个目标进行优化决策,通过定义资源平均利用率并提出学习遗忘效应矩阵,结合耦合设计的多阶段迭代模型,以各阶段资源利用率为约束条件,建立资源约束下考虑学习与遗忘效应的任务调度时间与成本的多目标优化数学模型。采用带精英策略的非支配排序遗传算法求解得出Pareto最优解集,并采用改进的多目标理想点法对该解集进行选优,得到最优任务调度方案。以某电动汽车的开发过程为例,验证了该优化模型能够减小产品开发时间,降低产品开发成本,提高总资源利用率。     

负泊松比微结构拓扑优化设计

在构建负泊松比结构拓扑优化模型时,直接用负泊松比的数学表达式构造目标函数,将使得目标函数高度非线性,迭代过程敏度分析困难。采用线性拟合法,构建了具有线性特征的负泊松比微结构拓扑优化目标函数,基于能量法和均匀化方法,结合拓扑优化理论,构建了一种可以快速准确求解负泊松比的拓扑优化设计模型,求解该模型得到了一种优化的拓扑构型及相应的负泊松比值。根据优化求解得到的结构模型,参考国家标准GB/T 22315-2008《金属材料弹性模量和泊松比试验方法》,利用有限元软件对其泊松比进行仿真计算,然后采用激光加工方式制造试样,并测试其泊松比,经过与优化模型求解得到的泊松比值对比分析,验证了所构建优化模型的正确性。本文方法既避免了以负泊松比表达式为优化函数时会出现的高度非线性问题,也降低了求解的复杂程度,为负泊松比微结构的设计提供了一种参考方法。     

基于神经网络的电弧增材制造铝合金力学性能预测

目的 预测不同工艺参数下电弧增材制造铝合金的力学性能。方法 通过实验建立了电弧增材制造6061铝合金及TiC增强6061铝合金力学性能的数据集,并建立了一种以焊接电流、焊接速度、脉冲频率、TiC颗粒含量为输入,以屈服强度和抗拉强度为输出的神经网预测模型,对比了反向传播神经网络(BP)、粒子群算法优化BP神经网络(PSO-BP)、遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)3种预测模型的精度。结果 与BP模型和PSO-BP模型相比,GA-BP预测模型具有更好的预测精度。其中,GA-BP模型预测6061铝合金屈服强度最佳结果的相关系数(R)为0.965,决定系数(R²)为0.93,平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)为2.35,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为2.67;预测TiC增强的6061铝合金抗拉强度最佳结果的R=1,R²高达0.99,MAE为0.46,RMSE为0.49,GA-BP具有良好的预测精度。结论 BP、PSO-BP、GA-BP 3种神经网络模型可以用来预测电弧增材制造铝合金的力学性能,GA-BP模型比其他2种模型的预测精度更优。与传统的实验方法相比,用神经网络模型预测电弧增材制造铝合金力学性能的速度更快,成本更低。     

基于序列插值模型和多重网格方法的多材料柔性机构拓扑优化

基于固体各向同性材料惩罚模型(Solid isotropic material with penalization,SIMP)的多材料柔性机构拓扑优化是将原问题分解成若干子问题进行分层优化,成倍地增加了设计变量数量,且该方法利用传统的有限元离散,为了得到清晰的拓扑结构网格数量必然巨大,这两方面的因素造成了该方法计算效率低下。因此,基于幂函数多项式提出序列插值模型,用该模型进行多材料布局迭代,使不同材料在设计域内序列向预定义的多个材料点聚集,无须分解成子问题即可在单一优化框架下完成多材料的拓扑优化,且没有增加设计变量数量。以机构的几何增益最大为目标,建立多材料柔性机构拓扑优化模型。在利用有限元求解控制方程过程中引入多重网格方法,网格划分粒度层次递进,将粗网格水平下位移场作为细网格上的初始场量,避免直接用细密网格将设计域整体离散带来的高计算成本问题,提升计算效率。通过改进的优化准则法求解模型,得到序列最优布局型式的多材料柔性机构。通过典型算例及与基于SIMP的方法相应结果对比,验证了提出方法的有效性。     

外加横向磁场作用电弧增材成形过程中的传热传质仿真

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和熔池传热传质的差异,发现横向磁场作用使电弧向熔池后方偏转,使熔池发生单向强制对流并驱动熔融金属和热量向熔池后方运动,从而更加直接地冲刷熔池结晶面。由此预测横向磁场作用能降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度,提高枝晶前沿的成分过冷,使得靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒。相同工艺条件的对比试验表明:相比无外加磁场的普通熔积,横向磁场作用下熔池底部等轴晶区域减小,整个结晶面上细密的胞状枝晶区域面积增大,验证了数值模拟的预测。研究结果可为外加磁场在电弧增材成形微观组织控制中的应用提供依据和参考。     

基于聚类分析的大容量耦合设计任务规划的研究

针对大容量耦合设计任务采用串行执行方式会导致设计项目开发周期冗长、规划方案数量庞大这一问题,通过对聚类分析对象的特点与耦合设计任务的特点进行分析比较,阐述了聚类分析用于缩短耦合任务执行周期和减少其规划方案数量的可行性,进而提出了一种基于聚类分析的大容量耦合设计任务规划的新方法,以获得耦合设计任务的最佳执行顺序及最短执行时间。以某机械手的研发过程为例,验证了该方法的有效性。     

基于AHP的耦合任务集资源分配权重确定方法

针对耦合任务集中因资源分配不合理而造成资源利用不充分的问题,引入定性与定量相结合的指标权重确定方法——层次分析法（AHP）,建立关于资源分配的层次结构模型,构造资源分配矩阵,并通过分析任务间的耦合对资源分配矩阵中权重比的影响得出解决权重比不一致的方法,从而确定各资源的权重分配系数,使得各任务得到较为合理的资源配置。以某机械产品的开发过程为例,说明了该方法的可行性。     

双面堆积对电弧增材制造直壁件变形及应力的影响

针对传统电弧增材制造单面堆积所导致单向热累积问题,文中提出采用双面堆积的策略,即在基板的两面交替堆积相同的材料来平衡传统单面堆积的单向热输入产生的围绕成形件中性轴的较大的弯矩,从而减小单面堆积成形件的单向翘曲变形,并通过单道4层直壁零件的单面堆积和双面堆积的热力耦合数值仿真和对应的试验进行验证.研究结果表明,双面堆积策略可有效减小基板和直壁件的翘曲变形,改善成形件残余应力分布,从而验证了所提出策略的有效性.文中的研究结论可以为电弧增材"形、性"并行的调控提供理论依据和参考.