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針對目前汽車、機(jī)床、航空航天等機(jī)械行業(yè)關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、加工質(zhì)量控制的技術(shù)需求，基于有限元仿真 CAE 技術(shù)提出最佳解決方案，提高生產(chǎn)效率、降低企業(yè)成本，通過合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性、加工工藝參數(shù)等，提升結(jié)構(gòu)部件的穩(wěn)定性及質(zhì)量。 

成果描述：機(jī)械零部件在使用過程中的失效將對設(shè)備、生產(chǎn)等造成重大影響，對已失效的零部件進(jìn)行分析以及提出改進(jìn)和預(yù)防失效的措施具有重要意義。常見的失效形成有斷裂、磨損、腐蝕等現(xiàn)象，本課題組在長期從事金屬材料微觀組織設(shè)計、強(qiáng)度與斷裂工作的基礎(chǔ)上，與相關(guān)企業(yè)合作進(jìn)行了大量的機(jī)械零部件的失效分析工作，如車輛橋箱齒輪的早期失效、耐磨構(gòu)件斗齒、襯板等的失效分析和改進(jìn)、高強(qiáng)度冷拉鋼絲的斷裂分析等。 四川大學(xué)具備金相組織分析、力學(xué)性能測試、X射線衍射儀、電子顯微鏡及能譜分析、磨損試驗機(jī)等設(shè)備，可進(jìn)行失效構(gòu)件的微觀組織、斷口特征、相結(jié)構(gòu)分析、材料性能評定等工作，對機(jī)械零部件的失效原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。市場前景分析：四川大學(xué)具備金相組織分析、力學(xué)性能測試、X射線衍射儀、電子顯微鏡及能譜分析、磨損試驗機(jī)等設(shè)備，可進(jìn)行失效構(gòu)件的微觀組織、斷口特征、相結(jié)構(gòu)分析、材料性能評定等工作，對機(jī)械零部件的失效原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。與同類成果相比的優(yōu)勢分析：國內(nèi)領(lǐng)先。

項目簡介 化工設(shè)備及化工設(shè)備是在高溫、高壓及腐蝕環(huán)境下工作的機(jī)械設(shè)備，其零部件的安全可靠工作是整個生產(chǎn)裝置的安全運(yùn)行的基本保障。化工機(jī)械零部件的脆性破壞，對化工裝置的安全生產(chǎn)危害性極大。它無先兆、容易引起重大事故。我們采用數(shù)值分析方法，對化工設(shè)備常用零部件的受力情況進(jìn)行分析計算，運(yùn)用金相分析及掃描電鏡等手段對零部件斷口的組織特征及微觀形貌進(jìn)行分析；采用化學(xué)分析方法及微區(qū)能譜分析方法對斷口物質(zhì)成分進(jìn)行分析；采用斷裂力學(xué)分析方法根據(jù)斷口的形成過程對零部件的破壞進(jìn)行斷裂力學(xué)參量分析。應(yīng)用情況 運(yùn)用以上方法及手段，對武漢石油化工廠聚丙烯裝置活化劑管道連接螺栓的突然破壞、原油加熱裝置熱電偶管的突然破壞及催化裝置浮頭式換熱器小浮頭連接螺栓的突然破壞進(jìn)行了失效分析，找出了導(dǎo)致零部件發(fā)生脆性突然破壞的原因，為采取有效措施防止此類破壞提供了參考依據(jù)，為整套裝置的安全運(yùn)行起到了一定的保障作用。

本思政案例值巴黎奧運(yùn)會火熱舉辦之際，以奧運(yùn)會數(shù)據(jù)為載體，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用Python的Pandas庫進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、篩選與聚合分析，并通過Plotly工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。案例巧妙融合數(shù)據(jù)分析技能培養(yǎng)與思政教育，通過剖析我國奧運(yùn)獎牌數(shù)據(jù)變化，讓學(xué)生直觀感受國家體育事業(yè)的蓬勃發(fā)展，深切領(lǐng)悟體育強(qiáng)國戰(zhàn)略背后蘊(yùn)含的國家意志與民族精神。同時，鼓勵學(xué)生從數(shù)據(jù)中探尋體育精神內(nèi)核，內(nèi)化于心、踐之于行，涵養(yǎng)積極人生態(tài)度與愛國情懷。此外，案例數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)國際競技格局，助學(xué)生理解多元包容、拓寬國際化視野，增強(qiáng)民族自豪感與文化自信，實(shí)現(xiàn)知識傳授與價值引領(lǐng)的有機(jī)統(tǒng)一。

對不同注塑工藝參數(shù)下長直注塑件翹曲變形進(jìn)行模流分析，結(jié)果表明，澆注 遠(yuǎn)端處的翹曲變形量較大，澆注入口處的翹曲變形量較小。保壓時間的增加，可 以降低塑件的翹曲變形。保壓壓力增加,塑件整體翹曲變形減小，尤其在澆注入 口處比較明顯。熔體溫度從 230°C提高到 270°C，塑件整體翹曲明顯減小，特別 在澆注遠(yuǎn)端處比較明顯。降低模具溫度，對降低注塑件的翹曲變形有顯著地效果。

本成果提出了基于零件批量加工數(shù)據(jù)分析的加工工藝與流程優(yōu)化，主要包括零件加工過程的工藝數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)算法、基于數(shù)據(jù)和機(jī)理模型相結(jié)合的零件加工精度預(yù)測、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的零件加工工藝優(yōu)化與決策、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的零件批量加工工藝優(yōu)化方法驗證這四方面。以下是各方面具體對應(yīng)內(nèi)容： 1）零件加工過程的工藝數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)算法：在數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)算法方面，搭建了軸類零件全流程加工工況數(shù)據(jù)實(shí)時采集硬件平臺，實(shí)現(xiàn)對加工力、加工振動、主軸電流等工況數(shù)據(jù)的實(shí)時在線獲取。 2）基于數(shù)據(jù)和機(jī)理模型相結(jié)合的零件加工精度預(yù)測：在航空薄壁件加工精度預(yù)測方面，對復(fù)雜曲面加工過程混合建模與全流程加工精度預(yù)測等理論開展了深入研究工作；建立了零件單工序/多工序加工精度預(yù)測混合驅(qū)動模型，實(shí)現(xiàn)了加工精度的高效高精預(yù)測。 3）基于機(jī)器學(xué)習(xí)的零件加工工藝優(yōu)化與決策：在軸類零件全流程加工工藝優(yōu)化與決策方面，圍繞隱馬爾可夫決策過程、遺傳算法等理論開展了理論研究工作，結(jié)合軸類零件加工過程開展了優(yōu)化工作；提出了加工參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控聯(lián)合決策方法。 4）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的零件批量加工工藝優(yōu)化方法驗證：構(gòu)建加工數(shù)據(jù)庫1套，包含機(jī)床設(shè)備、加工刀具、加工參數(shù)、檢測數(shù)據(jù)等四種類型數(shù)據(jù)。開發(fā)全流程加工智能推理軟件1套（部署于中航發(fā)南方公司柔軸車間），實(shí)現(xiàn)航軸全流程質(zhì)量數(shù)據(jù)感知與工藝優(yōu)化，其中全流程誤差建模與分析模塊實(shí)現(xiàn)了端到端的零件加工質(zhì)量智能推理，可以用于工藝設(shè)計與現(xiàn)場預(yù)先感知，加工過程工藝數(shù)據(jù)挖掘模塊實(shí)現(xiàn)基于批量數(shù)據(jù)的多工序誤差流分析，實(shí)現(xiàn)后續(xù)工序加工誤差推理，加工過程工藝優(yōu)化與智能決策模塊實(shí)現(xiàn)了零件多工序加工質(zhì)量數(shù)據(jù)推理與給定期望指標(biāo)下的加工參數(shù)優(yōu)化。 圖1 本成果對應(yīng)功能結(jié)構(gòu)示意圖 【技術(shù)優(yōu)勢】 圍繞航空領(lǐng)域制造的加工質(zhì)量問題，開展基于制造過程數(shù)據(jù)的工藝全流程智能決策技術(shù)與系統(tǒng)的研發(fā)，初步實(shí)現(xiàn)工藝與制造過程的智能控制。在數(shù)據(jù)挖掘與機(jī)器學(xué)習(xí)算法、航空薄壁件加工精度預(yù)測、軸類零件全流程加工工藝優(yōu)化與決策、零件全流程加工質(zhì)量智能推理與優(yōu)化、智能加工產(chǎn)線智能決策技術(shù)應(yīng)用與推廣等多個方面實(shí)現(xiàn)了突破，具有顯著的理論價值與應(yīng)用價值。 規(guī)范制定方面，研究了薄壁件加工誤差產(chǎn)生的深層機(jī)理，構(gòu)建了批量零件加工過程中誤差傳遞的理論模型，探究了機(jī)床、夾具、刀具、加工參數(shù)全方位、多層次的因素對于零件加工誤差產(chǎn)生的影響規(guī)律，提出了零件加工工藝與流程優(yōu)化策略，形成制定面向航空發(fā)動機(jī)大長徑比軸類零件的決策規(guī)范，規(guī)定軸類零件全流程加工過程中機(jī)床、刀具、裝夾、加工參數(shù)四個方面的具體要求。通過中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系管理系統(tǒng)制定、修改、審批，形成《航空發(fā)動機(jī)軸類零件加工工藝優(yōu)化與決策技術(shù)規(guī)范Q/2B 1586—2022》。 軟件開發(fā)方面，將上述理論成果進(jìn)行高度集成，開發(fā)了零件全流程加工智能推理優(yōu)化軟件（MIO軟件）。軟件集成了四大功能模塊，包括加工工藝數(shù)據(jù)庫、全流程誤差建模與分析、加工過程工藝數(shù)據(jù)挖掘、加工工藝優(yōu)化與智能決策。相關(guān)知識與優(yōu)化規(guī)則形成權(quán)。全流程加工智能推理優(yōu)化軟件以及知識庫軟件通過第三方測評，測評機(jī)構(gòu)具備MA與CNAS認(rèn)證資質(zhì)，最終形成《零件全流程加工智能推理優(yōu)化軟件第三方測試報告》、《智能加工產(chǎn)線工藝全流程智能決策工藝知識庫軟件第三方測試報告》。 應(yīng)用驗證方面，結(jié)合航空發(fā)動機(jī)制造具體需求，將相關(guān)成果應(yīng)用到某型號航空發(fā)動機(jī)軸類零件（動力渦輪傳動軸）加工生產(chǎn)中。將零件全流程加工智能推理優(yōu)化軟件部署在航軸加工車間，在驗證產(chǎn)品的加工設(shè)備上部署了數(shù)據(jù)采集裝置，實(shí)時采集加工過程數(shù)據(jù)，集成企業(yè)工藝資源數(shù)據(jù)庫和產(chǎn)品數(shù)字化檢測系統(tǒng)，獲取機(jī)床、夾具、刀具、產(chǎn)品質(zhì)量等信息，構(gòu)建了加工工藝數(shù)據(jù)庫，開展了航軸加工工藝分析、現(xiàn)場加工質(zhì)量預(yù)先感知、加工工藝與流程優(yōu)化、現(xiàn)場實(shí)際加工驗證等工作。通過南方公司現(xiàn)場應(yīng)用驗證，零件次品率平均降低54.53%。（2019年至2020年優(yōu)化前，次品率為8.38%；2021年6月至2022年5月優(yōu)化后，次品率為3.81%）。相關(guān)應(yīng)用驗證通過了中國航發(fā)南方公司的效果認(rèn)定，并形成用戶報告。 【技術(shù)指標(biāo)】 1）采用機(jī)理模型/有限元仿真技術(shù)獲取切削力/熱/柔度/加工誤差數(shù)據(jù)集，構(gòu)建代理模型實(shí)現(xiàn)了切削過程的毫秒級預(yù)測，切削過程關(guān)鍵物理量的預(yù)測時間優(yōu)于10毫秒。 2）建立了機(jī)理模型與小樣本工況數(shù)據(jù)混合驅(qū)動的預(yù)測模型不確定分析與量化模型，提出了貝葉斯框架下的不確定校準(zhǔn)方法，實(shí)現(xiàn)了加工誤差快速（毫秒級）精準(zhǔn)（偏差小于5微米）預(yù)測。 3）提出了航軸加工質(zhì)量狀態(tài)估計方法，建立了現(xiàn)場多源數(shù)據(jù)信息串聯(lián)模型，基于隱馬爾科夫的決策模型，實(shí)現(xiàn)工序間感知平均誤差控制在9.21%內(nèi)。 4）建立了加工次品率與加工參數(shù)約束集間雙向映射互通模型，首次提出了基于隱馬爾科夫模型與遺傳算法的聯(lián)合決策方法框架，聯(lián)合決策優(yōu)化框架保證次品率降低優(yōu)于50%。

計算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析是利用有限元分析、數(shù)值分析以及圖形圖像等技術(shù)模擬產(chǎn)品的實(shí)際工況，從而獲取產(chǎn)品的靜動態(tài)性能指標(biāo)。采用CAE 分析技術(shù)，能大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提升企業(yè)的市場競爭力。此項技術(shù)已廣泛于航空航天、汽車、機(jī)車、電子、土木等各行各業(yè)，是企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計時的不可缺少的有力保障。但CAE分析模型的建立異常冗繁，且有限元分析理論和相應(yīng)的軟件使用對于企業(yè)技術(shù)人員來說，仍是一個難點(diǎn)問題，為此，利用VC++和APDL等開

熱重分析法（TG、TGA）是在升溫、恒溫或降溫過程中，觀察樣品的質(zhì)量隨溫度或時間的變化，目的是研究材料的熱穩(wěn)定性和組份。廣泛應(yīng)用于塑料、橡膠、涂料、藥品、催化劑、無機(jī)材料、金屬材料與復(fù)合材料等各領(lǐng)域的研究開發(fā)、工藝優(yōu)化與質(zhì)量監(jiān)控。

同步熱分析將熱重分析 TG 與差熱分析 DTA 或差示掃描量熱 DSC 結(jié)合為一體，在同一次測量中利用同一樣品可同步得到熱重與差熱信息。