“材料微納重構(gòu)與數(shù)值模擬”方向

文／李付國·西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院

作為西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、國防科技工業(yè)精密鍛造與環(huán)軋技術(shù)創(chuàng)新中心和陜西省高性能精確成形技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員，所在的材料微納重構(gòu)與數(shù)值模擬課題組，主要從事“材料成形工藝設(shè)計(jì)與過程控制一體化技術(shù)”等方面的研究工作。該研究方向旨在針對航空、航天以及國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場的難變形材料成形特點(diǎn)，以成形件組織和性能為控制目標(biāo)，采用數(shù)值模擬與物理模擬相結(jié)合的方法，分析航空航天等難變形材料的熱成形過程；建立成形過程熱力參數(shù)—成形件場變量分布—成形件組織和性能間的映像關(guān)系；采用模糊可靠性設(shè)計(jì)原理確定數(shù)值模擬與物理模擬的精度與置信度；并基于多因素作用下的整體效果，確立概率化設(shè)計(jì)的成形熱力參數(shù)控制模式與人工智能控制技術(shù)，從而保證成形件既能按數(shù)值模擬和物理模擬所給出的確定性規(guī)律進(jìn)行變形，又能根據(jù)實(shí)際成形條件(如：熱力參數(shù)、坯料體積、邊界條件、設(shè)備運(yùn)行狀況等參量的不確定或分散性)的綜合作用效果(力、能、運(yùn)動(dòng)、溫度和成形質(zhì)量等參量的變化)，適時(shí)地運(yùn)算、優(yōu)化并調(diào)整成形工藝參數(shù)。創(chuàng)新儀器設(shè)備與原理樣機(jī)如圖1 所示。專利技術(shù)和材料微納調(diào)控原理如圖2 所示。

本研究方向是在常規(guī)數(shù)值模擬和物理模擬的基礎(chǔ)上，引入模糊可靠性設(shè)計(jì)原理和人工智能控制技術(shù)，并考慮材料熱成形過程中確定性因素與非確定性因素間的協(xié)同作用，對航空航天等難變形材料的成形過程進(jìn)行數(shù)值仿真設(shè)計(jì)與適時(shí)智能控制，從而實(shí)現(xiàn)材料熱成形過程的設(shè)計(jì)科學(xué)化、控制智能化和生產(chǎn)一體化。

目前，在材料熱成形領(lǐng)域，比較流行又技術(shù)先進(jìn)的工藝設(shè)計(jì)方法大都基于有限元數(shù)值模擬方法，該方法是隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種非常有效實(shí)用的計(jì)算方法，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為利用數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)這一高效、先進(jìn)的計(jì)算工具來輔助人類設(shè)計(jì)過程的一種新興學(xué)科。在材料加工工程學(xué)科，它能計(jì)算在各種能量場(熱能、機(jī)械能、電磁能等)的協(xié)同作用下，材料內(nèi)部場變量(應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場、位移場和微觀組織場等)隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)合物理模擬的結(jié)果，可以獲得熱加工件的宏觀機(jī)械性能和微觀組織形態(tài)(形狀計(jì)算、組織控制、性能設(shè)計(jì)、缺陷預(yù)測、流線織構(gòu)模擬等)。但復(fù)雜件成形過程的有限元數(shù)值仿真通常需要耗費(fèi)大量的時(shí)間(幾小時(shí)、十幾小時(shí)、甚至幾十小時(shí)也或幾天和幾個(gè)月)，而實(shí)際的生產(chǎn)過程往往只需要幾秒鐘的時(shí)間，用這種模型作為控制模式來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地運(yùn)算、優(yōu)化并反饋控制，其響應(yīng)時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于實(shí)際生產(chǎn)過程。

為了解決以上關(guān)鍵技術(shù)，該研究方向提出的一種設(shè)計(jì)與控制一體化技術(shù)，即材料加工過程的模型跟隨自適應(yīng)控制技術(shù)。隨著學(xué)科發(fā)展，自適應(yīng)控制理論有了顯著的進(jìn)展，一些學(xué)者分別在確定性的和隨機(jī)的、連續(xù)的和離散的自適應(yīng)控制理論方面作出了重要貢獻(xiàn)。對這類系統(tǒng)的控制方案、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、收斂性等的研究都有了一定的突破性進(jìn)展，從而把自適應(yīng)控制理論推向了一個(gè)新的發(fā)展階段，反映了現(xiàn)代控制理論向智能化、精確化方向發(fā)展的趨勢。為跟上時(shí)代前進(jìn)的步伐，滿足航空、航天及汽車等行業(yè)的需求，改善實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，獲得質(zhì)量精良的成形件，材料的熱成形過程控制也朝著智能化和精密化的方向發(fā)展，而在實(shí)現(xiàn)智能化與精密化的過程中，自適應(yīng)控制是不可忽視的控制方法之一，也是材料成形自動(dòng)化的發(fā)展方向之一。本研究方向呈現(xiàn)出多學(xué)科交叉，位于材料加工工程學(xué)科的前沿，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的工程應(yīng)用前景。

本研究方向的發(fā)展有兩個(gè)。其一，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，體積成形過程與電學(xué)模型之間有著確定的對應(yīng)關(guān)系，通過電子元器件的不同組合可以構(gòu)造成與體積成形過程相似的傳遞函數(shù)，這在理論上和實(shí)際上都是可行的。以構(gòu)造的電學(xué)模型(模擬或數(shù)字電路以及軟件)作為參考模型，與自適應(yīng)控制系統(tǒng)相并聯(lián)，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)的輸出，使之與模型輸出信號(hào)相吻合，能夠避免由有限元模型跟蹤控制帶來的時(shí)間延滯現(xiàn)象，以期提高生產(chǎn)效率和成形件質(zhì)量。所以基于有限元數(shù)值模擬—人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度自學(xué)習(xí)與泛化—物理電路模擬與自適應(yīng)控制的航空航天等難變形材料熱成形過程設(shè)計(jì)與控制一體化技術(shù)是熱成形件精密化制造的前提，也是今后研究工作的主要內(nèi)容之一。其二，在金屬和合金的熱成形過程中，獲得理想的成形件形狀、流線分布以及組織和形貌，可以大大提高零件的機(jī)械性能和使用壽命，但許多金屬的金相組織隨著變形工藝參數(shù)的不同將有很大的差別，不同的組織所對應(yīng)的機(jī)械性能也將相差甚遠(yuǎn)，因此確定鍛件成形后的組織狀態(tài)至關(guān)重要。由于組織的變化是變形工藝參數(shù)(如等效應(yīng)變、等效應(yīng)變速率、變形溫度和變形應(yīng)力狀態(tài)等)的函數(shù)，因此可以根據(jù)鍛件的最終組織和性能的需要來優(yōu)化變形工藝參數(shù)并控制其變形流動(dòng)過程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“材料成形工藝設(shè)計(jì)與過程控制一體化技術(shù)”，提升“材料微納重構(gòu)與數(shù)值模擬”的學(xué)術(shù)水平，并完善拓展該研究方向的工程應(yīng)用。

基于該研究方向，主持和參加國家項(xiàng)目(“973”課題、國家重大專項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)、國家自然科學(xué)基金、國防科技創(chuàng)新等)10 余項(xiàng)，省部級課題50 余項(xiàng)，企業(yè)合作、聯(lián)合攻關(guān)與橫向協(xié)作課題近100 項(xiàng)。主要承擔(dān)面向本科生和研究生的“數(shù)值模擬及材料成形控制”系列課程講授：材料加工過程的數(shù)值模擬、有限元法及其在塑性加工中的應(yīng)用、塑性成形模擬理論與軟件編程基礎(chǔ)、有限元法基礎(chǔ)及軟件應(yīng)用、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用、材料成形工藝參數(shù)檢測與控制等。參與編寫的“十五”國家規(guī)劃教材“材料成型計(jì)算機(jī)模擬”由機(jī)械工業(yè)出版社出版，參與主編的“十五”國防科工委教材“材料加工工藝過程的檢測與控制”由西北工業(yè)大學(xué)出版社出版。參與獲得過國家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)發(fā)明二等獎(jiǎng)、國家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)、省部級教學(xué)成果特等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)及科研成果二、三等獎(jiǎng)共12 項(xiàng)。發(fā)表學(xué)術(shù)論文160 余篇(SCI：130 余篇，EI：150 多篇，ISTP：9 篇)，出版教材、專著5 本。培養(yǎng)博士生、碩士生和留學(xué)生80 多名，大部分成長成了高校、企業(yè)和管理部門的中堅(jiān)力量(型號(hào)副總、企業(yè)高管和高校國家獎(jiǎng)獲得者)。獲得國家專利(國家發(fā)明和實(shí)用新型)25 項(xiàng)，科研成果已在航空、航天制造主機(jī)及配套廠家以及外企和民企中推廣應(yīng)用，有力保障了航空預(yù)研，并促進(jìn)了相關(guān)企業(yè)的科技進(jìn)步，帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和軍事技術(shù)效益。