автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.06, диссертация на тему:Разработка экспертной системы по проектированию технологических процессов сварки взрывом многослойных металлических композиционных материалов

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА СВАРКИ ВЗРЫВОМ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1.1. Основные технологические схемы и параметры процесса сварки взрывом слоистых металлических композиционных материалов

1.2. Существующие математические модели расчета параметров сварки взрывом многослойных композитов

1.3. САПР, применяемые в сварочном производстве

1.4. Структура и типы экспертных систем

1.5. Методы оптимизации

1.6. Цель и задачи исследования

Глава 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Основные материалы, применяемые в исследовании

2.2. Экспериментальные методы регистрации кинематических параметров сварки взрывом многослойных композиционных материалов

2.3. Применяемые методы механических испытаний и металлографических исследований сваренных взрывом СКМ

2.4. Статистические методы обработки экспериментальных данных и методы их регрессионного анализа

Выводы к главе

Глава 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА И ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ СВАРКИ ВЗРЫВОМ СКМ

3.1. Исследование кинетики соударения металлических пластин в многослойном пакете

3.2. Разработка методики расчета послойных скоростей соударения при сварке взрывом многослойных композитов

3.3. Оптимизация режимов сварки взрывом многослойных композиционных материалов

3.4. Разработка пакета прикладных программ по расчету и оптимизации параметров режима сварки взрывом многослойных металлических композиционных материалов

Выводы к главе

Глава 4. СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СКМ СВАРКОЙ ВЗРЫВОМ

4.1. Разработка структуры экспертной системы

4.2. Разработка алгоритма и компьютерной модели работы экспертной системы

4.3. Формализация инженерных знаний по выбору оптимальной технологической схемы изготовления металлических многослойных композиционных материалов

4.4. Описание работы системы приобретения знаний

4.5. Описание работы и сервисные возможности экспертной системы

Выводы к главе

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВАРКИ ВЗРЫВОМ МНОГОСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

5.1. Анализ адекватности решений, принимаемых экспертной системой по проектированию элементов технологической схемы изготовления с помощью сварки взрывом металлических многослойных композиционных материалов

5.2. Расчет и оптимизация параметров режима сварки взрывом трехслойных титано-алюминиевых заготовок антенно-фидерных устройств космических аппаратов

5.3. Разработка технологии сварки взрывом трехслойных медно алюминиевых заготовок переходников высоковольтных электросетей

Выводы к главе

Научно-технический прогресс в различных отраслях промышленности непосредственно связан с применением новых металлических слоистых композиционных материалов (СКМ), сочетающих в себе ряд уникальных свойств: высокую удельную прочность, минимальный удельный вес, коррозионностойкость, высокие тепло- и электропроводность и т.д.

Сварка взрывом в большом числе случаев является наиболее эффективным, а иногда и единственно • возможным способом получения высококачественных СКМ и узлов различного назначения, сварные соединения в которых образуются вследствие совместной пластической деформации контактирующих слоев металла, вызывающей двухстадийную топохимическую реакцию, а его конечные свойства определяются степенью, характером и временем деформирования.

Постоянно возрастающие потребности промышленности в многослойных КМ с различным сочетанием материалов слоев приводят к значительному увеличению объема работ по технологическому проектированию последних. В связи с тем, что знания в данной предметной области являются слабоформализованными, а, следовательно, большая часть этих работ может быть выполнена только высококвалифицированными специалистами, то разработка автоматизированных средств проектирования с элементами искусственного интеллекта, позволяющих аккумулировать и систематизировать знания в области сварки взрывом СКМ и на этой базе осуществлять разработку эффективных технологических процессов.

В настоящее время создан большой рынок программного обеспечения по различным направлениям САПР в сварке {В.А. Судник, В. И. Махненко, В.И. Лысак, A.C. Бабкин, В.А. Ерофеев, A.C. Рыбаков, Р.Ю. Мосенкис, Г.Г. Гаркуша, Г.А. Иванов и др.), при этом широко развивается направление создания экспертных систем, охватывающих такие разновидности процесса, как ручная дуговая сварка, под флюсом, контактная, в защитных газах, сварка трением и т.д., а также системы комплексной автоматизации сварочных процедур.

Разработанные в ВолгГТУ в 90-х годах методологические принципы автоматизированного проектирования СКМ, а также разнообразное программное обеспечение (В.И. Лысак, А.Е. Магид, C.B. Кузьмин, Д.В. Стариков, В.А. Сапарин и др.), взаимоувязанное в САПР EW CAD/CAM/CAE, охватывают различные этапы проектирования СКМ, композитных деталей и технологических процессов изготовления СКМ: оптимизация внутренней структуры СКМ и внешней архитектуры композитного узла; выбор, проектирование и оптимизация технологических схем изготовления двухслойных композитов, расчет и оптимизация технологических параметров сварки взрывом, поддерживаемые комплексом автоматизированных банков данных АБД.

Однако постоянно расширяющиеся представления о процессе сварки взрывом требуют уточнения существующих и разработки новых элементов САПР, позволяющих на принципиально новом научном уровне решать задачи проектирования и изготовления качественных сложноструктурированных СКМ. Вместе с тем, для построения новых математических моделей, лежащих в основе разрабатываемого программного обеспечения необходимо более глубокое изучение кинетики соударения элементов многослойных пакетов пластин при сварке взрывом, а их использование в технологическом проектировании должно обеспечить получение бездефектных композитов.

Актуальность данной работы подтверждается выполнением ее в рамках государственных межвузовских научно-технических программ «Конверсия и высокие технологии», «Наукоемкие технологии», «Исследования высшей школы в области новых материалов», «Исследования высшей школы в области производственных технологий», «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники».

Научная новизна. Новым научным положением работы является предложенный подход к автоматизированному проектированию оптимальных технологических процессов сварки взрывом металлических композиционных материалов, заключающийся в представлении процесса сварки многослойных пакетов последовательностью единичных актов соударений его элементов, для каждого из которых синтезируются проектные решения на основе средневзвешенных экспертных оценок, хранящихся в специализированной автоматизированной базе знаний (АБЗн), а в качестве оптимального принимается решение, набравшее в сумме по всем элементам технологической схемы максимальную оценку.

Разработана новая структура АБЗн, содержащая формализованные знания экспертов в области технологического проектирования процесса сварки взрывом СКМ в виде взвешенных соответствий конкретных значений исходных условий и проектных решений, устанавливаемых экспертами в процессе диалогового взаимодействия со специально разработанной автоматизированной системой приобретения знаний, которая позволяет модифицировать структуру и содержимое АБЗн, обобщать и уточнять вносимые в нее данные.

Разработана новая расчетно-экспериментальная методика оценки скорости соударения пластин на второй и последующих границах многослойного пакета при сварке взрывом, основанная на металлографическом сопоставлении структуры зоны сварного соединения исследуемой границы композита с соответствующими характеристиками двухслойных образцов, параметры соударения слоев которых с достаточной степенью точности рассчитываются с использованием уравнений физики взрывом. Использование данной методики позволило при сварке трехслойной композиции оценить продолжительность начальной стадии интенсивного разгона пакета из двух соударившихся пластин до скорости, определяющейся из закона сохранения количества движения, которая в зависимости от исходных параметров процесса (фаза разгона, скорость детонации, масса пластин) составляет 1,5-10 мкс.

На основе результатов детального исследования кинетики соударения элементов в многослойных композитах при сварке взрывом разработана новая математическая модель, описывающая послойное соударение пластин в многослойных пакетах и позволяющая более точно оценивать параметры соударения на начальном участке разгона пакета соударившихся пластин, а также учитывать дополнительный импульс остаточного давления продуктов детонации (ПД), действующего на поверхность свариваемой системы за время взаимодействия ее элементов.

В работе решены следующие задачи:

1. Построена концептуальная модель проектирования оптимальных технологических процессов сварки взрывом многослойных композиционных материалов, на основе которой создана экспертная система, осуществляющая синтез оптимальных технологических схем сварки взрывом СКМ;

2. Разработана автоматизированная база инженерных знаний по элементам технологической схемы сварки взрывом СКМ, а также компьютерная система их приобретения;

3. Создана расчетно-экспериментальная методика исследования кинетики соударения элементов многослойных пакетов металлических пластин при сварке взрывом и оценено влияние основных параметров процесса на характер разгона пластин при сварке по одновременной схеме;

4. Разработана методика расчета скоростей соударения, а также пакет прикладных программ по расчету и оптимизации параметров режимов сварки взрывом многослойных композиционных материалов, осуществляющий компьютерное моделирование исследуемого процесса с целью отыскания оптимальных технологических параметров, обеспечивающих реализацию равнопрочного сварного соединения;

5. С использованием созданного в рамках данного диссертационного исследования программного обеспечения оптимизированы параметры сварки взрывом 3- слойных титано-алюминиевых заготовок корпусов антенно-фидерных устройств космической аппаратуры, а также разработаны элементы технологической схемы изготовления крупногабаритных медноалюминиевых заготовок переходных элементов коммутационно-распределительных устройств оборудования АЭС.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературных источников и приложения, содержит 199 страниц машинописного текста, 112 рисунков, 12 таблиц, 184 наименований литературных источников.