机械工程材料优选方法的研究现状.doc

题 目： 机械工程材料优选方法的研究现状 内容摘要 在综述现代机械工程材料选择方法最新研究进展的基础上，通过列举现代选材方法在工程中的具体应用实例，概述了选择工程材料时应考虑的因素，并对不同选材方法及其特点进行综合评价和优化。提出采用构件的失效抗力指标进行选材的方法，变革选材的传统习惯，使选材向科学化和量值化转变，具有重要的实用价值。此外，结合建立机械工程材料共享数据库平台和专家咨询系统的研究实践，指明材料数据库及专家咨询系统在选材方面的作用和效益，可为用户快速、全面地查找材料信息提供帮助。 关键词:工程材料；选材方法；材料数据库 目 录 内容摘要 I 引 言 1 1 工程材料选择工作研究进展 2 1.1 绿色工程材料的七点星形图评价与选择 2 1.2 根据构件失效抗力指标进行选材 2 1.3 人工神经网络在注射模具选材中的应用 3 1.4 价值工程法选材 5 1.5 计算机辅助材料选择系统 5 1.6 材料选择图和材料选择矩阵 5 1.7 模糊设计定量选材 6 1.8 工程定量选材常用方法 6 1.9 基干层次分析法的工程材料优选综合评价 7 2 材料数据库在选材中的应用 8 2.1 材料数据库的结构和内容 8 2.2 目前常用的几种材料数据库 8 2.2.1耐磨料磨损材料数据.............................................................................. 8 2.2.2航空材料数据库.......................................................................................9 2.2.3冷冲模具材料数据库...............................................................................9 2.3材料数据库的新发展.......................................................................................... 9 2.3.1专家咨询系统...........................................................................................9 2.3.2基于Web技术的工程材料数据库系统..................................................10 3 结论 ........11 4 参考文献................................................................................................................... .12 引 言 材料选用是机械设计中的重要环节之一，是完成设计的第一步骤。材料选择的原则主要有：使用性能原则、工艺性能原则[1] 。除此之外，有两个新的原则也会逐渐成为选材的重要原则：可靠性原则及资源、能源和环保原则。其中使用性能原则即正确选用材料占有最重要的地位，它是保证零件正常工作和寿命所必需的，不然就会发生零件失效或早期失效。这个原则是作为选材过程中选材的切入点。 选择材料可概括为五个步骤:①分析零件对所选材料的性能要求及失效分析，包括分析零件的工作条件，零件的强度、刚度、稳定性计算等。②对可供选择的材料进行筛选，现代工程材料分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。把所有的工程材料都当作选择对象，根据材料的性能要求进行筛选。③对可供选择的材料进行评价，在很多场合，使用系统分级和定量的方法进行评价选择更好。④最佳材料的决定。⑤零件所选材料的实际验证。 从上述过程可看出，机械工程材料的选择是十分重要的又是相当复杂繁琐的，以前的工程选材主要是依靠设计者的知识和经验，或者是照搬本行业会出现材料性能不适合于工作要求出现大马拉小车的情况。现今的工程材料多种多样，每一种材料又具有自己独特的性质、优缺点及应用领域。如何从多种可用的工程材料中，选择一种性能较佳的材料越来越受到设计者们的重视。目前材料选择已逐渐进入考虑成本经济分析[2]、价值工程[3]以及计算机辅助选材的现代方法阶段。本文概述了近年来选材工作的研究进展，并对此进行了展望。 1 工程材料选择工作研究进展 1.1 绿色工程材料的七点星形图评价与选择 考虑材料选择时的能源、资源与环境相关的影响因素，人们希望获得高性能的材料，又要求材料对生态环境的影响降到最低，这就要求在制造材料上的选择上符合绿色度要求。文献[4〕根据综合影响工程材料的7个绿色度要素，即材料供应属性、再生材料供应的比例、环境影响、能耗水平、使用寿命、再循环属性以及法规限制，提出了应用“七点星形图”来评价工程材料绿色度的思想方法。每种材料都对应着这样的七点星形图。这个七点星形图概括地反映了材料与自然资源、能源、环境和人类社会等的相互联系和影响，形成了材料绿色度评价多边形，多边形面积小者绿色度好。在考虑权重系数以后，评价工程材料绿色度的过程分成两步完成:①确定全局影响指数Q，如为0，则该材料不能被接受，如不为0，则进入下一步。②计算七点评价多边形的当量面积，以该当量面积的大小作为材料绿色度的指标。应用七点星形图评价的思想方法，提出了在确定机械制造领域应用工程材料时的选择策略，给出了多影响因素下材料绿色度评价的方法，该方法可以作为绿色工程材料选择的依据或参考。
1.2 根据构件失效抗力指标进行选材 失效抗力实质上就是指构件材料在服役工况条件下宏观、微观范畴抵抗变形、磨损和断裂的能力及与其他相关性能配合的能力，也是与材料实际承载能力有关的一些表征参量，即达到防止构件早期失效的能力。由于机械构件种类繁多、工作条件差别很大，对材料的性能及其相互配合要求也各有不同。因此对于机械构件最薄弱环节的实际有效性能即抵抗失效的能力的研究是重要的，由于材料的内因和服役条件的外因的影响，往往不一定与标准试样在特定条件下测得的数据相一致。除了测定材料的力学性能外，还必须根据模拟构件实际工况条件进行有关使用特性的研究工作。若离开构件服役条件及材料性能的要求来选材就缺乏明确的针对性。据此，陈蕴博fsl曾对大断面锤锻模和机车雍、中小机锻模、热挤压模以及压铸模等所使用的四大类热作模具钢，进行了大量的失效分析、试验，确立了失效抗力评价体系，弄清各类模具实际抗力要求，且结合数以万计的材料性能测试和模具寿命的考核结果，经综合分析试验结果得出了每类模具设计和选材时提出的具体指标要求，以确保模具的可靠性和使用寿命。 在已知成形零件的类型、模具类型或模具失效形式的条件下，模具设计选材的步骤如下所述。 (1)确定成形零件用的工作机械，分析模具工作条件，确定模具类型和主要抗力要求。 (2)根据模具失效形式决定该模具的主要抗力指标，并选择性能测试结果能达到该项性能指标的钢种列为候选钢种，然后，再根据能满足其余指标的情况依次进行选材的筛选。 (3)依据模具类型及抗力指标要求，将能满足全部指标要求的钢种列为该类模具的推荐钢种，即能基本满足首项抗力指标要求，且其他各项指标也能基本接近的钢种，将其视为可用钢种。 (4)选材时，还需根据材料来源、生产管理方便，以及经济性等综合考虑抉择。 对过去没有使用过、新设计的模具可根据模具类型、服役条件以及所要求的主要性能，参照上列准则进行选择相应的模具钢种与热处理工艺。 显然，这种采用失效抗力指标进行选材方法，对变革模具选材的传统习惯，使热模具选材向科学化、量值化转变开创了范例，奠定了基础。 1.3 人工神经网络在注射模具选材中的应用 注塑模具选材是设计者根据注塑制品的各项性能指标，在模具材料集合中寻找最适合的材料的过程。选材过程可以抽象成从注塑制品的性能指标到模具材料集合的一个映射。BP神经网络是一个从输入到输出的高度非线性映射模型，它属于多层前馈网络，由输入层、隐含层和输出层构成。文献[6]利用神经网络的学习和联想能力通过构建和训练一个相应的3层BP神经网络，建立和存储反映注射模具选材所需的全面和完整的选材知识，从而建立了一个基于人工神经网络的材料选择系统。图2为BP算法的流程图。该选材系统对候选材料的各项指标数据作了较系统的整理，吸收了大量的选材知识，在设计模具时可以避免大量地查阅手册方面的工作，对设计人员的选材经验要求较低。选材系统输出的材料选定度较好地反映了对材料的倾向程度，能够得出正确的材料选择方案。
1.4 价值工程法选材 选材的三个基本原则:使用性能、工艺性能和经济性能原则，它们是辨证的统一体。在现今的产品过程设计中，设计人员应综合考虑三个原则，使生产出来的零件在满足使用要求的基础上，成本低，减少资源能源的浪费。文献[7]运用价值工程的基本原理，从系统论角度讨论了现代工业产品价值选材的基本要素与过程，分析了材料选择对产品功能和寿命周期成本的影响，最后给出了价值选材的应用事例。结果表明:运用价值工程原理，可增加选材的客观科学性，提高产品价值。文献[8]按照价值工程的原理对机械零件的材料和热处理方案作出了合理的选择，兼顾了使用性、工艺性、经济性三个方面的要求，同时举了对有4种备选材料的某化工容器进行选材的实例。首先将制造该化工容器的功能指标和成本指标分别定为使用寿命(年)和材料费及加工费(元)，然后对4种材料进行价值对比，就能确定最合理的选材。 计算机辅助材料选择系统 计算机辅助材料选择系统主要有CES (Cam-bridge engineering selector)系统、KBS(Knowledgebased systems)等[9]。文献[10]提出了一个材料选择表，从众多的可选材料中选出符合工作要求的材料。并采用多目标优化方法来解决材料选择中各个选择因素相互矛盾的问题。文献[ll]使用自动工具选择系统，为粗加工和精加工选择合适的工具。文献[12]为圆形组件设计了一套基于计算机的工具选择综合管理系统。该系统用于在研磨加工中选择切削尺寸和切割路径，系统包括一个简单的技术模数，用来评估切割条件，选择工具以及估计在车削、钻孔和研磨加工中工具的寿命。文献〔13〕在权重分析法的基础上采用了非线性函数与改进的数字逻辑相结合的方法对候选的材料属性进行分级规划，从而优选出合适的材料。这种方法实际上是在选材过程中增加了人工智能的技术。 1.6 材料选择图和材料选择矩阵 机械设计进行零件选材时，要考虑的一个主要问题是材料的性能是否满足工作要求，材料的性能又是多种多样的，如材料的力学性能、加工工艺性能等。材料的各种性能往往是此长彼消、相互制约和相互矛盾的，如何对材料的各种性质进行综合评价从而选出一种合适的材料来满足工作要求，文献[14]提出了材料选择因子的概念，这些因子包括物理性能、力学性能(强度、塑性、韧性)、加工工艺性能(焊接性、可铸性)等。把这些选择因子及它们的相对重要性做成如图3所示的材料选择图，材料选择矩阵为
通过计算对材料的性质进行定量的综合评价达到选材的目的。 1.7 模糊设计定量选材 传统的选材方法多属于推理判断性的定性分析方法，带有很大的主观随意性。遇到的问题通常是外延不分明的概念，比如所选材料的强度有较高、中等、较低之分。这些问题用常规的数学方法无法解决，将模糊数学方法用于工程材料选择的问题上，使得设计中所选用的材料更为科学合理。文献[15]将模糊数学的理论知识、分析方法与人工智能基本理论相结合，应用模糊变化原理和最大隶属度原则对材料进行模糊综合评判，并借助于计算机完成机械工程材料的选择，从而使材料选择更为科学、更为简单。改变了多年来查阅手册和凭借设计者的经验进行材料选择的落后方法，通过实例验证，该方法具有选材速度快、准确性好等优点。运用模糊综合评判进行定量选材的方法、步骤如下:确定评价对象集 确立评价因素集 建立一级评判矩阵 建立权重集 进行一级模糊综合评判 二级模糊综合评判。 1.8 工程定量选材常用方法 选材的定量评价方法主要是用系统工程观点，把局部问题放在系统整体中去处理，从材料内部和相互联系中考察诸因素的作用，并进一步加以量化，根据一定的评价标准对材料进行优化选择[1]。选材的定量评价方法，可以从材料的关键性质着手，然后继续评价次要性质;也可以同时对材料的各种性质按相对重要程度进行综合评价。常用的工程定量选材方法[16]有星形轮廓模型法和统计数量化综合法、成本分析法、价值工程法和目标函数法等。其中前两种分析方法是在基本确定的几种材料中的精确的间接选材方法，已在塑料行业中得到应用。成 本分析法计算性能与成本的比值，即通常所说的性价比，此方法对选材的成本因素可以作全面而定量的分析。价值工程是提高产品、工程、劳务和系统的价值并降低其成本的一种有效分析方法，又称价值分析。价值工程是指改进产品功能和降低成本的一整套活动，价值工程研究以最低的成本来获得必要的功能，从而提高产品的价值，取得最佳的技术和经济效果，应用范围很广。在最优化方法中，除了优选法、正交设计法这样的直接方法外，一般都需要知道含有若干独立变量的目标函数[1]，然后通过具体的目标函数表达式，利用种种方法间接通过对表达式的计算选优。因此对于一个工程问题，包括设计选材，确定合适的目标函数是最关键的一步。这种选材法称为按目标函数法选材，此方法具有广泛适用性。对于材料这个系统，可以选择五个基本判据(质量、经济、资源、能源和环保)中某一判据作为目标函数，另一些数据作为约束条件。有时还需要结合具体问题提出更为具体的目标函数。 1.9 基干层次分析法的工程材料优选综合评价 工程材料选用涉及的因素有经济、技术、生态和社会等几个方面，是一个多目标决策问题。同时工程材料优选这一多目标决策问题，可以在选择最佳方案这个总目标下，划分为指标层和方案层等几个层次。文献[17]从分析影响建筑工程材料选择的因素及其构成关系入手，根据目前工程材料选择的经验，运用层次分析法对工程材料优选进行评价，并提出全面的定量化和定性化的层次结构评价模式和总体评价方法。其基本评价的步骤为首先构建工程材料优选的层次分析结构模型及判断矩阵，然后进行层次排序，并对判断矩阵进行一致性检验，在定性、定量指标转换的基础上形成评价方法。该工程材料评价指标体系能较全面地反映选购工程材料的影响因素，符合工程实际情况。应用层次分析法能把抽象思维定量化，反映选择工程材料的真实情况，有利于做出正确决策和选择最优方案。 材料数据库在选材中的应用 在选材过程中，为了得到最佳的选择，必须对具有多种性能的各类材料进行全面对比，进行大规模选材和材料加工评价的最大障碍之一就是必须处理大量的数据。必须把这些材料数据和其他有用的相关数据搜集、分析、归纳成有用的形式。因此可以很方便地进行数据查询、数据处理的材料数据库应运而生。凭借其汇集存储的大量试验数据，使用户快速、全面地查找材料信息。 2.1 材料数据库的结构和内容 数据库[1]是指长期存于计算机内，有组织、可共享的数据集合。将数据库技术应用于材料系统则构建了材料数据库。一个材料数据库，其数据应根据该数据库所需要完成的功能进行选定。一般应包括材料的型号、化学成分、力学性能、物理性能、耐腐