熱處理專家系統(tǒng)及性能預(yù)報
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yflwzj 發(fā)布時間：2012-11-30 08:02:28
1．技術(shù)內(nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵
專家系統(tǒng)作為一項嶄新的技術(shù)。還處在不斷發(fā)展時期，因此，專家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也沒有一個固定不變的模式。根據(jù)現(xiàn)有的發(fā)展?fàn)顩r，一般認(rèn)為，專家系統(tǒng)的核心主要包括知識表示和推理機(jī)制兩個方面，具體到熱處理專家系統(tǒng)也不例外。
由于材料和熱處理領(lǐng)域的特殊性，熱處理專家系統(tǒng)有其自身特點。在知識表示方面，熱處理使用的常規(guī)數(shù)據(jù)，包括材料牌號、零件及產(chǎn)品名稱、工件類型及尺寸、工藝規(guī)范、化學(xué)成分、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌度、硬度、淬透性、相變動力學(xué)數(shù)據(jù)等，一般以數(shù)值形式表示，所以熱處理專家系統(tǒng)通常采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)保存知識，利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理和控制。在此基礎(chǔ)上，插入熱處理領(lǐng)域知識和熱處理專家知識，實現(xiàn)專家系統(tǒng)的知識表示。
在推理和決策方面，以經(jīng)驗和理論公式的計算為主要線索，輔以邏輯推理，實現(xiàn)決策功能。在決策過程中，根據(jù)用戶輸人的數(shù)據(jù)和已知的事實得到中間結(jié)果這一環(huán)節(jié)是至關(guān)重要的，也是整個系統(tǒng)的“心臟”。在熱處理專家系統(tǒng)中，這一部分稱為數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)。綜觀目前的熱處理專家系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)導(dǎo)出機(jī)制不外乎以下兩種方式，一種是以相變動力學(xué)計算為基礎(chǔ)，這方面比較典型的有STAMP系統(tǒng)和PPS系統(tǒng)。另一種是以伴透性計算為基礎(chǔ)，這方面比較典型的有AC3系統(tǒng)和SSH系統(tǒng)。以下對數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)作進(jìn)一步的介紹。
以相變動力學(xué)計算為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)所使用的基礎(chǔ)方程有三個：
l）熱傳導(dǎo)微分方程。使用二維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程，其形式如下：
這里，t代表時間，T表示溫度，r是位置坐標(biāo)，qv是相變潛熱，ρ是密度，cp代表比熱容，λ代表熱導(dǎo)率，對平板β＝0，對圓柱β＝1。
在具體計算時，針對平板和圓柱類等簡單形狀，采用差分?jǐn)?shù)值方法近似求解。
2）轉(zhuǎn)變動力學(xué)微分方程組。計算組織轉(zhuǎn)變量，一般采用Avrami方程，這里給出Avrami方程的一種變化形式
式中，y表示轉(zhuǎn)變量，K，b1，b2，b3是與溫度、成分和晶粒度有關(guān)的參數(shù)。
3）描述組織和性能關(guān)系的方程組。采用廣義線性混合率計算性能，即：鋼的某種性能Pj是各組成相性能的積分和
式中，x[T（r，t），Yj]為權(quán)重函數(shù)，Yj為組成相的體積分?jǐn)?shù)。
以淬透性計算為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)所使用的基礎(chǔ)方程如下：
1）淬透性計算。含硼鋼和非硼鋼的淬透性計算公式是不一樣的。
對非硼鋼 Di＝AF×CF （4）
對含硼鋼 Di＝AF×CF×F （5）
式中，Di為理想臨界直徑，AF為合金乘子，即除碳和硼外的其他合金元素的乘子的乘積；CF為碳及晶粒度的乘子，BF為硼元素的乘子。其中
AF＝fMnfSifNifCrfMofCufV （6）
這里，fMn為錳元素的乘子，fSi為錳元素的乘子，其余類同。
2）組織轉(zhuǎn)變計算。首先根據(jù)下述公式據(jù)鋼的化學(xué)成分和臭氏體化參數(shù)計技各種組織的臨界冷速Vci。
υci＝g(Pα,C,Si,Mn,…) （7）
式中，υci為獲得各種組織的臨界冷邀，i＝1對應(yīng)獲得馬氏體的體積分?jǐn)?shù)100％的臨界冷速，i＝2對應(yīng)獲得馬氏體的體積分?jǐn)?shù)90％+貝氏體的體積分?jǐn)?shù)10％的臨界冷速，等等；Pα為奧氏體化參數(shù)，C為碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Si為硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，余同。
由工件的實際冷速υ計算各種組織的體積分?jǐn)?shù)。如υci＜υ＜υci+1，則
fM=AM/(υci+1-υci)(υ-υci)+BM
fB=AB/(υci+1-υci)(υ-υci)+BB (8)
fFP=AP/(υci+1-υci)(υ-υci)+BP
式中，fM、fB、fFP分別是馬氏體、貝氏體和鐵素體-珠光體的體積分?jǐn)?shù)，AM，AB，AP，BM，BB，BP是與臨界冷速有關(guān)的常數(shù)。
3）描述組織和性能關(guān)系的方程組。采用線性混合率計算性能，即，鋼的某種性能Pj是各組成相性能的加權(quán)平均
式中，PjM是馬氏體的性能，PjB是貝氏體的性能，PjFP是鐵素體-珠光體的性能。
需要指出的是，以相變動力學(xué)計算為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)和以淬透性計算為基礎(chǔ)的專家系統(tǒng)并不是截然不同的，在技術(shù)上很多方面互相滲透，功能也是類似的。
以數(shù)據(jù)導(dǎo)出系統(tǒng)作為核心的專家系統(tǒng)，其功能包括下列一些方面：
1）組織和性能預(yù)測。根據(jù)鋼的化學(xué)成分和熱處理參數(shù)計算預(yù)測工件熱處理后的組織和性能。
2）工藝過程變更分析及優(yōu)化。分析工藝參數(shù)變化對熱處理結(jié)果的影響，進(jìn)而進(jìn)行熱處理缺陷分析和對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
3）熱處理工藝輔助設(shè)計。利用專家系統(tǒng)的決策功能進(jìn)行熱處理工藝計算機(jī)輔助設(shè)計。
4）過程的在線實時監(jiān)控。滲碳過程的多時碳勢控制，優(yōu)化控制滲層深度和碳濃度分布。
5）根據(jù)零件幾何尺寸和性能要求選擇材料。為待熱處理的工件選擇適當(dāng)?shù)呐铺?，該牌號的淬透性足以保證在給定條件下淬火時，工件截面上指定點處的性能滿足使用要求。
下面以一個例子來說明專家系統(tǒng)的功能。假定工程上要為45mm直徑的國軸選擇最優(yōu)的鋼材。出于生產(chǎn)考慮，使用淬火油（流速lm/s，淬火烈度H＝0.4cm-l）作為冷卻介質(zhì)。工件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，為使工件具有較好的疲勞性能，在工件截面3/4半徑處回火后的硬度要求為35HRC。將上述目標(biāo)和約束條件輸入后，系統(tǒng)首先經(jīng)計算將約束條件（工件截面3/4半徑處回火硬度35HRC）進(jìn)行變換，最后確定此要求等價于在端淬試樣上距水冷端11mm處的硬度為45.3HRC。以此作為約束條件進(jìn)行決策搜索，初步得到 GB 40CrNi，GB 4OMnVB，GB 42CrMo三個牌號的鋼種。進(jìn)一步比較三個鋼種的淬透性帶，系統(tǒng)確定GB 42CrMo能夠很好滿足上述的設(shè)計要求。
除北京機(jī)電研究所的SSH結(jié)構(gòu)鋼淬造性選材和工藝優(yōu)化系統(tǒng)外，國內(nèi)一些大學(xué)和工廠也進(jìn)行了不少有關(guān)熱處理專家系統(tǒng)方面的研究和開發(fā)工作。例如，上海交通大學(xué)研制的滲碳過程控制系統(tǒng)，以描述滲碳過程的數(shù)學(xué)模型為知識表示方式，以計算機(jī)計算結(jié)果作為判斷的依據(jù)，實現(xiàn)了滲層濃度分布和硬度分布的預(yù)測；并提出一種新的碳勢控制方法，使整個工藝過程始終保持在最優(yōu)化狀態(tài)。北京航空航天大學(xué)開發(fā)了航空材料熱處理工藝輔助決策系統(tǒng)，將零件CAD與熱處理理論相結(jié)合，以材料、工藝和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫作為知識表示，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行推理和決策，實現(xiàn)工藝流程制定和專業(yè)知識咨詢。此外，一些工廠也在進(jìn)行計算機(jī)輔助熱處理工藝的研究與開發(fā)工作，包括工藝卡片的生成與管理、特殊零件的熱處理工藝制定等。
2．優(yōu)缺點及使用范圍
目前，專家系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)上獲得了實際應(yīng)用。例如有的汽車公司，在生產(chǎn)上廣泛使用熱處理專家系統(tǒng)進(jìn)行工藝分析和制定、現(xiàn)有的生產(chǎn)周期優(yōu)化、輔助材料選擇、構(gòu)件設(shè)計等工作，取得了良好效果、滲碳過程在線控制系統(tǒng)在我國的很多工廠也得到使用?？梢哉f，專家系統(tǒng)技術(shù)已得到工程技術(shù)人員的普遍認(rèn)可。熱處理專家系統(tǒng)對于降低生產(chǎn)成本，縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要的作用，在這一點已達(dá)成共識。
不過，同時也應(yīng)該看到，專家系統(tǒng)在設(shè)計和工業(yè)部門的使用率還不是很高。這有兩方面的原因，一方面需要加強(qiáng)推進(jìn)專家系統(tǒng)的使用方面的工作；另一方面，需要發(fā)展新的和更優(yōu)的方法以使專家系統(tǒng)能更直接和更有效幫助完成工藝設(shè)計等任務(wù)。
在技術(shù)上，目前的熱處理專家系統(tǒng)以統(tǒng)計數(shù)據(jù)和經(jīng)驗知識為基礎(chǔ)，其結(jié)果的精度和可靠性需要進(jìn)一步提高。從使用上看，專家系統(tǒng)應(yīng)用于工業(yè)過程和設(shè)計工作時，還在不同程度上包含傳統(tǒng)的試錯法（Tral-and-Egror）的成分。另外，對于工業(yè)生產(chǎn)上關(guān)于國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重大關(guān)鍵件，以及工業(yè)上大量使用的基礎(chǔ)件，熱處理過程產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力和殘余變形不僅影響性能和質(zhì)量，而且影響后續(xù)的裝配精度和加工成本，而在目前的熱處理專家系統(tǒng)中，尚沒有考慮這一因素，這不能說不是目前的專家系統(tǒng)的一個缺憾。
目前，熱處理專家系統(tǒng)主要應(yīng)用于碳鋼和低合金鋼的熱處理過程和相關(guān)的設(shè)計活動中，所以需要拓寬專家系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。此外，目前的專家系統(tǒng)的決策過程需要大量人工干預(yù)，在決策結(jié)果處理和人機(jī)界面方面還需要進(jìn)一步的工作，以使專家系統(tǒng)更方便工程技術(shù)人員使用。
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