層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法
2023-07-20 01:35:36
專利名稱：層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法
技術領域：
本發明屬於層狀金屬複合板的製備技術領域，尤其是涉及一種層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法。
背景技術：
層狀金屬複合板是一種將兩種性能相近或性能相異的金屬採用爆炸複合方法製備而成的新型金屬複合材料，主要包括鈦鋼、鈦不鏽鋼、鋯鋼、鋯不鏽鋼、銅鋼、不鏽鋼鋼、鎳鋼等。層狀金屬複合板一出現便以其獨特的結構和性能優勢得到了人們的關注，近年來得到了廣泛的應用，它集不同材料的物理、化學、力學性能和價格資源優勢於一體，並逐漸廣泛應用於石油化工、航空航天、火電核電和機械電子等行業。層狀金屬複合板，尤其大幅面層狀金屬複合板在進行爆炸複合時，由於受板面板型、間隙、排氣等因素影響容易出現發生局部產生熔化、不結合、鼓包、衝孔等現象，其直接影響複合板質量。目前，層狀金屬複合板製造主要依靠理論結合經驗和工藝探索試驗，其實驗周期長，成本高，獲得的實驗數據和經驗只能作為參考，並且不能保證複合板質量。對稀、 貴金屬複合板來說，局部不結合直接導致整張複合板報廢，因此，層狀金屬複合板質量提高的研究就極為迫切了。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在於針對上述現有技術中的不足，提供一種層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其設計合理，操作簡便且實現方便，適用面廣，實用價值高，能夠提高層狀金屬複合板產品的成品率、縮短生產周期、降低生產成本，推廣應用前景廣泛。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是一種層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟步驟一、確定基板和復板的材質、性能以及尺寸規格；步驟二、選擇多組爆炸複合工藝參數和布藥方式；步驟三、根據步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式，分別建立多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型，其建模過程如下301、根據層狀金屬複合板爆炸複合的裝配結構以及步驟二中確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，採用CAD軟體建立層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何模型首先將基板、支撐件、復板、保護層和炸藥從下到上依次設置在地基上，再將雷管設置在炸藥頂端；302、刪除步驟301中的支撐件、保護層和雷管，保留基板與復板之間的空隙，建立包裹在炸藥、復板和基板外的空氣模型，得到層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型；303、將步驟302中所述層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型導入有限元前處理軟體中；304、在所述有限元前處理軟體環境下，選擇一定的網格單元尺寸並對步驟303 中所建立的層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型進行網格劃分；同時在材料模型 Johnson-Cook中附於基板和復板的材料參數，建立層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型；步驟四、分別對步驟三中建立的多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加載荷並生成多個有限元求解器文件在所述有限元前處理軟體環境下，對所述層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加基板、復板、炸藥和空氣模型任意兩者之間在爆炸複合過程中的相互作用、邊界條件和對稱約束，保存施加載荷後的結果，同時生成有限元求解器文件；步驟五、分別對多個有限元求解器文件進行修正並求解，得到多個求解結果在步驟四中所生成的有限元求解器文件中，對定義炸藥起爆位置與時間的關鍵字、定義單元類型的關鍵字、定義材料參數的關鍵字、定義接觸剛度控制的關鍵字和定義接觸計算方法的關鍵字進行添加，並對定義接觸類型的關鍵字進行修改，完成有限元求解器文件的修正並提交給所述有限元前處理軟體，之後通過所述有限元前處理軟體進行複合板爆炸複合過程求解，得到求解結果；步驟六、首先採用有限元後處理軟體分別對步驟五中得到的多個求解結果進行分析，然後結合正交試驗對步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式進行篩選，確定一組爆炸複合工藝參數和布藥方式；步驟七、按照步驟六中確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，將基板、支撐件、復板、保護層和炸藥從下到上依次設置在地基上，再將雷管設置在炸藥頂端，進行層狀金屬複合板的爆炸複合。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於步驟二、步驟六和步驟七中所述的爆炸複合工藝參數包括炸藥類型、炸藥高度以及基板和復板之間的間距。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於步驟三、步驟四和步驟五中所述的有限元前處理軟體為AUT0DYN軟體、ANSYS-LSDYNA軟體或ABAQUS軟體。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於步驟304中所述的基板和復板的材料參數包括密度、泊松比、熔點、剪切模量和彈性模量。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於所述接觸計算方法包括拉格朗日方法、歐拉方法、SPH方法和ALE方法上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於所述接觸類型包括單面接觸、節點對表面接觸和表面對表面接觸。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於步驟六中所述有限元後處理軟體為LS-PREP0ST軟體。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於所述基板的材質為碳素鋼或低合金鋼，所述復板的材質為有色金屬或黑色金屬。上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於所述基板的厚度為IOmm 200mm，所述復板的厚度為Imm 10mm。
上述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於所述層狀金屬複合板頂面的面積為0. 5m2 35m2。本發明與現有技術相比具有以下優點1、本發明設計合理，操作簡便且實現方便，通過對爆炸複合過程進行有限元仿真， 能夠真實、形象地反應爆炸複合過程中應力應變，位移等情況變化。2、本發明在經驗和工藝探索試驗的基礎上既考慮了材料的性能又考慮的複合過程的排氣問題，在建立層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型時，保留了基板與復板之間的空隙，並建立了包裹在炸藥、復板和基板外的空氣模型，能準確預測在特定工藝下層狀金屬複合板爆炸複合情況，再通過工藝調整，提高了複合板結合複合質量，能夠得到質量較高的複合板。3、本發明的適用面廣，所適用的層狀金屬複合板的面積可為0. 5m2 35m2，復層材質可為有色金屬及黑色金屬，厚度為Imm IOmm ；基層材質可為碳素鋼及低合金鋼，厚度為 IOmm 200mm。4、本發明在進行層狀金屬複合板的爆炸複合之前，就確定出了效果最佳的爆炸複合工藝參數和布藥方式，能夠有效提高層狀金屬複合板產品的成品率，縮短生產周期，降低生產成本。5、本發明的實用價值高，通過本發明的結合控制，所製備的層狀金屬複合板能完全滿足後續大型裝備要求，本發明的推廣應用前景廣泛。綜上所述，本發明設計合理，操作簡便且實現方便，適用面廣，實用價值高，能夠提高層狀金屬複合板產品的成品率、縮短生產周期、降低生產成本；有效地解決了目前爆炸複合實驗周期長、成本高、受客觀條件限制、獲得的實驗數據和經驗只能在一定條件和範圍內使用等缺陷和不足，推廣應用前景廣泛。下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本發明的結合控制方法流程圖。圖2為本發明層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何模型示意圖。圖3為本發明層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型示意圖。圖4為本發明顯示在有限元後處理軟體中的複合板爆炸複合過程求解結果分析圖。附圖標記說明1-雷管； 2-炸藥；3-保護層；4-復板； 5-支撐件；6-基板；7-地基； 8-空氣模型。
具體實施例方式如圖1所示的一種層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，包括以下步驟步驟一、根據所需研製的層狀金屬複合板的成品要求，確定基板6和復板4的材質、性能以及尺寸規格；
步驟二、根據爆炸複合工藝參數選擇的基本原則及以往生產實踐經驗，初步選擇多組爆炸複合工藝參數和布藥方式；步驟三、根據步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式，分別建立多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型，其建模過程如下301、根據層狀金屬複合板爆炸複合的裝配結構以及步驟二中確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，採用CAD軟體建立層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何模型首先將基板6、支撐件5、復板4、保護層3和炸藥2從下到上依次設置在地基7上，再將雷管1設置在炸藥2頂端，詳見圖2;302、刪除步驟301中的支撐件5、保護層3和雷管1，保留基板6與復板4之間的空隙，建立包裹在炸藥2、復板4和基板6外的空氣模型8，得到層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型，詳見圖3;303、將步驟302中所述層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型導入有限元前處理軟體中；304、在所述有限元前處理軟體環境下，根據三維幾何簡化模型尺寸、計算機能力和有限元仿真目的選擇一定的合理化的網格單元尺寸並對步驟303中所建立的層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型進行網格劃分；同時在材料模型Johnson-Cook中附於基板6 和復板4的材料參數，建立層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型；其中，基板6和復板4 的材料參數從工程材料手冊中查詢得出或者通過常規材料性能測試實驗測得；步驟四、分別對步驟三中建立的多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加載荷並生成多個有限元求解器文件在所述有限元前處理軟體環境下，對所述層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加基板6、復板4、炸藥2和空氣模型8任意兩者之間在爆炸複合過程中的相互作用、邊界條件和對稱約束，保存施加載荷後的結果，同時生成有限元求解器文件；步驟五、分別對多個有限元求解器文件進行修正並求解，得到多個求解結果打開步驟四中所生成的有限元求解器文件，在步驟四中所生成的有限元求解器文件中，對定義炸藥起爆位置與時間的關鍵字、定義單元類型的關鍵字、定義材料參數的關鍵字、定義接觸剛度控制的關鍵字和定義接觸計算方法的關鍵字進行手工添加，並對定義接觸類型的關鍵字進行修改，完成有限元求解器文件的修正並提交給所述有限元前處理軟體，之後通過所述有限元前處理軟體進行複合板爆炸複合過程求解，得到求解結果；步驟六、首先採用有限元後處理軟體分別對步驟五中得到的多個求解結果進行分析，然後結合正交試驗對步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式進行篩選，確定一組效果最佳的爆炸複合工藝參數和布藥方式；顯示在有限元後處理軟體中的其中一個複合板爆炸複合過程求解結果分析圖如圖4所示；步驟七、按照步驟六中確定的最佳爆炸焊接工藝參數和布藥方式，將基板6、支撐件5、復板4、保護層3和炸藥2從下到上依次設置在地基7上，再將雷管1設置在炸藥2頂端，進行層狀金屬複合板的爆炸複合。上述步驟二和步驟七中所述的爆炸複合工藝參數包括炸藥2類型、炸藥2高度以及基板6和復板4之間的間距。上述步驟三、步驟四和步驟五中所述的有限元前處理軟體為AUT0DYN軟體、ANSYS-LSDYNA軟體或ABAQUS軟體。上述步驟304中所述的基板6和復板4的材料參數包括密度、泊松比、熔點、剪切模量和彈性模量。所述接觸計算方法包括拉格朗日方法、歐拉方法、SPH方法和ALE方法。所述接觸類型包括單面接觸、節點對表面接觸和表面對表面接觸。上述步驟六中所述有限元後處理軟體為LS-PREP0ST軟體。所述基板6的材質為碳素鋼或低合金鋼，所述復板4的材質為有色金屬或黑色金屬。所述基板6 的厚度為IOmm 200mm，所述復板4的厚度為Imm 10mm。所述層狀金屬複合板頂面的面積為 0. 5m2 35m2。實施例1本實施例中，研製一張材質為TA1/Q345R，規格為5/35mmX 4000mmX 5000mm的復
合板，其基板與復板的結合控制步驟如下步驟一、根據所需研製的層狀金屬複合板的成品要求，確定基板6的材質為 Q345R,長為5250mm，寬為4250mm，高為35mm ；復板4的材質為TAl，長為5330mm，寬為 4330mm,高為 5mm ；步驟二、根據爆炸複合工藝參數選擇的基本原則以往生產實踐經驗和現有炸藥品種，選擇六組爆炸複合工藝參數和布藥方式並建立六組方案；所建立的六組方案如表1所示表1實施例1的六組爆炸複合工藝參數和布藥方式
方案123456炸藥種類1#1#1#3#3#3#藥高47mm49mm51mm47mm49mm51mm基板和復板之間的間距1 Omm布藥方式整體布藥步驟三、根據步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式，分別建立六個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型，其建模過程如下301、根據層狀金屬複合板爆炸複合的裝配結構以及步驟二中確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，採用CAD軟體建立層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何模型首先將基板6、支撐件5、復板4、保護層3和炸藥2從下到上依次設置在地基7上，再將雷管1設置在炸藥2頂端，詳見圖2;302、刪除步驟301中的支撐件5、保護層3和雷管1，保留基板6與復板4之間的空隙，建立包裹在炸藥2、復板4和基板6外的空氣模型8，得到層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型，詳見圖3;303、將步驟302中所述層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型導入 ANSYS-LSDYNA 軟體中；304、在ANSYS-LSDYNA軟體環境下，根據三維幾何簡化模型尺寸、計算機能力和有限元仿真目的選擇一定的合理化的網格單元尺寸並對步驟303中所建立的層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型進行網格劃分；同時在材料模型Johnson-Cook中附於基板Q345R和復板TAl的材料參數，建立層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型；其中，網格單元尺寸為4mm，基板Q 345R的密度為7. 85g/cm3,泊松比為0.沈，熔點為1539°C，剪切模量為79GPa， 彈性模量為196GPa;復板TAl的密度為4.51g/cm3，泊松比為0. 34，熔點為1660°C，剪切模量為55GPa，彈性模量為178GPa ；步驟四、分別對步驟三中建立的六個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加載荷並生成六個有限元求解器文件在ANSYS-LSDYNA軟體環境下，對所述層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加基板6、復板4、炸藥2和空氣模型8任意兩者之間在爆炸複合過程中的相互作用、邊界條件和對稱約束，保存施加載荷後的結果，同時生成有限元求解器文件；步驟五、分別對六個有限元求解器文件進行修正並求解，得到六個求解結果打開步驟四中所生成的有限元求解器文件，在步驟四中所生成的有限元求解器文件中，對定義炸藥起爆位置與時間的關鍵字*INITIAL_DET0NATI0N、定義單元類型的關鍵字、定義基板Q345R和復板TAl材料參數的關鍵字*MAT_J0HNS0N_C00K、定義接觸剛度控制的關鍵字 *C0NTR0L_C0NTACT和定義接觸計算方法的關鍵字進行手工添加，並對定義接觸類型的關鍵字進行修改，此處的接觸計算方法採用了歐拉方法，基板Q 345R和復板TAl的接觸類型採用了表面對表面接觸，完成有限元求解器文件的修正並提交給ANSYS-LSDYNA軟體，之後通過ANSYS-LSDYNA軟體進行複合板爆炸複合過程求解，得到求解結果；步驟六、首先採用有限元後處理軟體分別對步驟五中得到的六個求解結果進行分析，此處的有限元後處理軟體採用LS-PREP0ST軟體；分析時，如圖4所示，首先觀察某一求解結果中出現的不結合區域W並用矩形或圓形等容易計算面積的圖形近似地將不結合區域圈起來，然後計算出該圖形的面積，即近似地知道了該求解結果中不結合區域的面積；記錄步驟五中得到的六個求解結果的不結合區域面積分析結果如表2所示表2實施例1的六個求解結果的不結合區域面積分析結果
權利要求
1.一種層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於該方法包括以下步驟步驟一、確定基板(6)和復板的材質、性能以及尺寸規格；步驟二、選擇多組爆炸複合工藝參數和布藥方式；步驟三、根據步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式，分別建立多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型，其建模過程如下301、根據層狀金屬複合板爆炸複合的裝配結構以及步驟二中確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，採用CAD軟體建立層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何模型首先將基板 (6)、支撐件(5)、復板G)、保護層C3)和炸藥( 從下到上依次設置在地基(7)上，再將雷管⑴設置在炸藥⑵頂端；302、刪除步驟301中的支撐件(5)、保護層(3)和雷管(1)，保留基板(6)與復板(4) 之間的空隙，建立包裹在炸藥O)、復板(4)和基板(6)外的空氣模型(8)，得到層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型；303、將步驟302中所述層狀金屬複合板爆炸複合的三維幾何簡化模型導入有限元前處理軟體中；304、在所述有限元前處理軟體環境下，選擇一定的網格單元尺寸並對步驟303 中所建立的層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型進行網格劃分；同時在材料模型 Johnson-Cook中附於基板(6)和復板(4)的材料參數，建立層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型；步驟四、分別對步驟三中建立的多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加載荷並生成多個有限元求解器文件在所述有限元前處理軟體環境下，對所述層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加基板(6)、復板、炸藥( 和空氣模型(8)任意兩者之間在爆炸複合過程中的相互作用、邊界條件和對稱約束，保存施加載荷後的結果，同時生成有限元求解器文件；步驟五、分別對多個有限元求解器文件進行修正並求解，得到多個求解結果在步驟四中所生成的有限元求解器文件中，對定義炸藥起爆位置與時間的關鍵字、定義單元類型的關鍵字、定義材料參數的關鍵字、定義接觸剛度控制的關鍵字和定義接觸計算方法的關鍵字進行添加，並對定義接觸類型的關鍵字進行修改，完成有限元求解器文件的修正並提交給所述有限元前處理軟體，之後通過所述有限元前處理軟體進行複合板爆炸複合過程求解，得到求解結果；步驟六、首先採用有限元後處理軟體分別對步驟五中得到的多個求解結果進行分析， 然後結合正交試驗對步驟二中選擇的多組爆炸複合工藝參數和布藥方式進行篩選，確定一組爆炸複合工藝參數和布藥方式；步驟七、按照步驟六中確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，將基板(6)、支撐件(5)、 復板G)、保護層C3)和炸藥( 從下到上依次設置在地基(7)上，再將雷管(1)設置在炸藥( 頂端，進行層狀金屬複合板的爆炸複合。
2.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 步驟二、步驟六和步驟七中所述的爆炸複合工藝參數包括炸藥( 類型、炸藥( 高度以及基板(6)和復板⑷之間的間距。
3.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 步驟三、步驟四和步驟五中所述的有限元前處理軟體為AUT0DYN軟體、ANSYS-LSDYNA軟體或ABAQUS軟體。
4.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 步驟304中所述的基板(6)和復板的材料參數包括密度、泊松比、熔點、剪切模量和彈性模量。
5.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 所述接觸計算方法包括拉格朗日方法、歐拉方法、SPH方法和ALE方法。
6.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 所述接觸類型包括單面接觸、節點對表面接觸和表面對表面接觸。
7.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 步驟六中所述有限元後處理軟體為LS-PREP0ST軟體。
8.按照權利要求1所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 所述基板(6)的材質為碳素鋼或低合金鋼，所述復板的材質為有色金屬或黑色金屬。
9.按照權利要求8所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於 所述基板(6)的厚度為IOmm 200mm，所述復板(4)的厚度為Imm 10mm。
10.按照權利要求1 9中任一權利要求所述的層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，其特徵在於所述層狀金屬複合板頂面的面積為0. 5m2 35m2。
全文摘要
本發明公開了一種層狀金屬複合板基板與復板的結合控制方法，該方法包括以下步驟一、確定基板和復板的材質、性能以及尺寸規格；二、選擇多組爆炸複合工藝參數和布藥方式；三、分別建立多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型；四、分別對多個層狀金屬複合板爆炸複合的有限元模型施加載荷並生成多個有限元求解器文件；五、分別對多個有限元求解器文件進行修正並求解，得到多個求解結果；六、分別對多個求解結果進行分析並結合正交試驗確定一組爆炸複合工藝參數和布藥方式；七、按照確定的爆炸複合工藝參數和布藥方式，進行層狀金屬複合板的爆炸複合。本發明設計合理，實用價值高，能夠提高層狀金屬複合板的成品率、縮短生產周期、降低生產成本。
文檔編號B23K20/24GK102489867SQ201110377540
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月24日 優先權日2011年11月24日
發明者張寶軍, 李媛, 李平倉, 李昕昱, 楊學山, 樊科社, 薛治國, 趙鋒, 車宇鋒, 高寶利, 黃杏利 申請人:西安天力金屬複合材料有限公司