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1、功能梯度材料压铸模的设计方法1、相关定义1.1、梯度功能材料概念 材料的表面改性是材料科学研究中的一个重要课题,对提高材料的使用性能,扩大材料的使用范围,实现材料的功能复合等方面具有重要的意义。表面涂层技术作为表面改性的重要手段能够制备各种特殊功能的涂层,用极少量的材料可以起到整体材料所难以达到的作用同时又极大降低了产品的加工成本。 同时,随着国防高科技的发展,超耐热材料在航天和航空工业中扮演着极其重要的角色。由于航空器机头尖端和发动机燃烧室中的内壁温度高达2000K以上,而机体材料的内表面和燃烧室的外壁要分别具有低温和超低温性能,这样材料处于恶劣的工作环境下,而传统的金属材料和超耐热材料都难
2、以满足这种双重条件。另外,近半个世纪来,汽车材料领域的研究和发展,主要集中于更苛刻条件下工作的机械系统,如新研制的高速发动机。新一代的高速发动机,要求提高工作温度及转动速度,而现在大多数材料都无法很好的满足这种需要7。 人们试图将金属材料与超耐热材料复合,或在金属材料表面涂覆耐热涂层以达到上述要求。但是,由于两种性质不同的材料的热膨胀系数相差较多,导致这两种材料接合面的热应力过大,因此使复合材料或涂层脱落、龟裂而失效8。 为了适应宇航、航空、先进动力等高新技术领域对材料提出的苛刻要求,首先由日本学者新野正之等人提出了梯度功能材料的概念9。如图1-1所示。梯度功能材料是一种组分、结构、物性参数和
3、物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化,以适应不同环境,实现某一特殊功能的一类新型复合材料10。 图1-1 功能梯度材料的概念 与传统的的功能(无梯度)材料相比,FGM的组成、组织(含亚结构和空隙在内)是形态和结合方式有所不同,FGM组成的连续分布、组织的宏观连续微观不连续形态以及要素的共轭结合方式等特征使得这种材料能以所期望的成分分布形式出现,并可能具有复数(非简单复合)功能。复合材料界面上热应力过度的蓄积是导致材料开裂和剥离发生的主要因素,因此,使超耐热材料和耐低温材料之间的组成连续地梯度变化,消除两种材料直接接合引起的性质突变因素。从而最好地缓和了热应力而又最多地保留了两种材料的优
4、良特性11。如陶瓷/金属FGM,它一侧是具有高强度、高韧性的金属材料,另一侧则是具有耐高温的陶瓷材料,并且从金属材料面到陶瓷材料面的中间过渡层,起组成、结构呈梯度变化。在金属侧附近,金属是基本相,陶瓷是弥散相,而在陶瓷附近,情况则恰恰相反。在中间部分,形成复杂的网络结构。我们可以通过下面图1-2说明梯度功能材料(Ti-ZrO2系梯度材料)的组织结构。12 图1-2 Ti-ZrO2系梯度材料沿厚度方向截面的的梯度层结构 及组成的元素线扫描结果 图1-3 Ti-ZrO2系梯度材料沿厚度方向各梯度层截面的扫描电镜背散射电子成分相 1.2、功能梯度材料的概念 根据上述背景,日本几位材料科学家1在 19
5、87 年提出了功能梯度材料(Functionally graded Materials)的概念。所谓功能梯度材料是指构成材料的要素(组成、结构)沿厚度方向由一侧向另 一侧呈连续梯度变化,从而使材料性质和功能也呈梯度变化的一种新型材料。初始,这种材料 的应用目标主要在航天飞机的防热系统中,如图 1.1 所示2,通过控制过渡区的成分、微观结 构和孔隙率,使外层陶瓷与内层金属的热膨胀系数差得到补偿,使结合部位的宏观界面消失, 从而得到具有热应力缓和功能的高性能功能梯度材料,这样一方面避免了金属和陶瓷之间因物 理及力学性能上的巨大差异所造成的界面应力问题,另一方面又能充分缓和材料在使用过程中 因高温度
6、落差所产生的热应力。 图 1.1 陶瓷/金属功能梯度材料的结构和特性 2 1.3、定义操作 在操作设置对话框中定义操作名称,加工机床及加工坐标系等。在机床的定义中, 采用了压铸模制作系统与 Pro/NC 交互的方式进行定义。进入压铸模制作系统的机床库, 选择相应的机床。如图 6-32 到 6-34 所示。 图 6-32 机床库界面 图 6-33 铣床库 75 中北大学学位论文 图 6-34 选定机床的具体参数 1.4、压铸模具的定义 压铸是压力铸造的简称。压力铸造是将熔融的合金液注入压铸机的压室中, 压室中的压射冲头以高压、高速将其充填入金属模具的型腔,并在高压下冷却凝 固成形为金属零件的一种
7、方法。金属压铸成形所用的模具称为压铸模具,是用于 成形金属压铸件的模具,它是型腔模中的一种类型。 1.5、材料的定义 “材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其他产品的那些物质。材 料是人类赖以生存和发展的物质基础4。”在壁画艺术领域的材料就是绘画的媒材, 是一种多形态的元素,不同的材料在置于不同的建筑形制、光照条件,等客观环 境时会产生不同的视觉效应,比如在光照下呈现出粗糙与细腻,光泽与无光泽, 反光强与反光弱,质地硬与质地软,透明与不透明,纹理的规则与不规则等,不 同的材料又体现出不同的文化渊源,一些传统材料如刺绣、丝绸绚丽的色彩,细 腻光滑的表面体现出中华民族所特有的富丽堂皇,陶片和
8、石雕则体现出古朴原始 的气息。 “材料”被艺术家当作最为直接的表现思想与观念的媒介是在抽象主义之后, 这一表现手法的出现使材料具有了全新和独立的价值,它揭示出”材料”在未来 艺术发展过程中将成为不可或缺的重要角色。从石器时代、陶器时代、青铜时代、 工业时代到今天丰富多彩的信息时代,每一次新技术、新材料的出现都给人类的 发展带来了质的变化,同时也为艺术家提供了创新和探索的广阔舞台5。 7 1.6、概念书材料 概念书的出现,在材料的选择上完全打破了传统的思维,改变了只能用纸做书的观 念,在材料的运用上呈现了多样化的趋势,对未来书籍材料进行了大胆探索和创新,比 如把金属、木材、织物、玻璃等材料也应用
9、到书籍设计中来,随着设计师的大胆尝试, 只要是能表达出设计者的创作思维和作品内涵都可以拿来当做材料,比如说吃的饼干、 破旧的牛仔裤、生活废弃物、CD、贝壳等等,随着不断地探索发现,概念书的材料将越 来越广泛,科技的发展也将不断推动新材料的产生,越来越多的新材料将被应用到概念 书的设计当中。 1.7、图像梯度的定义 我们定义 8 个方向上的梯度,分别是 x 正负方向,y 正负方向,主对角线正负方向, 次对角线正负方向,和8个方向的滤波掩膜方向相对应。定义如下(其中图像函数为s(x, y): 1 s x( x , y ) s ( x 1, y i ) s ( x 1, y i) (4.6) i 1
10、 1 s y( x , y ) s ( x i , y 1) s ( x i , y 1) (4.7) i 1 s main( x , y ) s ( x 1, y 1) s ( x 1, y 1) s ( x 1, y) s ( x , y 1) s ( x , y 1) s ( x 1, y)(4.8) 29 广西民族大学硕士学位论文 第四章 引入侧抑制原理的分数阶图像增强 s sub( x , y ) s ( x 1, y 1) s ( x 1, y 1) s ( x 1, y) s ( x , y 1) s ( x , y 1) s ( x 1, y)(4.9) 梯度值的正负表示梯度的
11、方向。 1.8、图像梯度定义 设一副图像为 f (x, y),则图像中的任意一个像素点(x, y)的梯度(即一阶微分)是一个 具有大小和方向的矢量。设g x,g y分别表示像素点(x, y)沿 x 方向和 y 方向的梯度,则 这个梯度矢量可以表示为: f f= gx = x (4-2) gy f y 从式(4-2)中可以得知,梯度向量指向在坐标(x, y)的 f (x, y)的最大变化率方向。 在进行图像的边缘检测中,一个非常重要的量就是这个向量的的大小,即该向量的 模,设为 M (x, y),则有: M ( x,y) = mag( f)=g2+g2xy(4-3) 其中g x,g y和 M (
12、x, y)是由图像 f (x, y)中的像素点(x, y)变化而产生,都是和原图像 有相同大小的图像,M (x, y)给出了在 f方向上每增加单位距离后,f (x, y)值增大的最大 变化率。一般来讲,将图像 M (x, y)称为梯度图像或者更简单的称为梯度。我们也将坚 持惯例,交替地使用这一术语,只在有可能混淆的地方将向量和它的大小区分开。 梯度向量的方向也是一个很重要的量。设 ( x,y)表示向量 f在(x, y)处的方向角, 则由向量分析可得: ( x,y)=tan 1 g y (4-4) gx 这里,角度是以 x 轴为基准度量的。边缘在(x, y)处的方向与此点的梯度向量的方向 垂直。
13、 对于一副数字图像而言,导数可以用差分来近似,最简单的梯度近似表达式为: gx=f( x,y) f( x 1,y) g=f( x,y) f( x,y 1)(4-5) y 当对整幅图像按照式(4-3)进行运算时,运算量很大,由此,在实际操作中,通常用 绝对值代替平方与平方根运算近似求梯度的模值: 32 f gx+gy(4-6) 以上各式的偏导数需要对每个像素的位置计算,经典的图像梯度算法是考虑图像的 每个像素的某个领域内的灰度变化,利用边缘临近的一阶或二阶导数变化规律,对原始 图像中像素的某个邻域来设置梯度算子,在实际操作中,常用小区域模板进行卷积来计 算。根据模板的大小及权重的不同,人们提出了
14、许多梯度算子,常用的算子有 Roberts 算子、Sobel 算子、Prewitt 算子、Laplacian 算子等。 1.9、梯度概念 设函数f ( x, y)在平面区域 D 内有一阶连续偏导数,则对于点( x, y)D,都可定义 一个二维列向量,记为 f,则有: f fgrad( f) gx x g = f (4-1) y y 则 f为函数 f (x, y)在点(x, y)的梯度。 31 1.10、功能定义及功能分类 功能定义的含义是,对 VE 的研究对象的进行详细的了解后,将其功能用语言达出 来 通过这个定义,使工作人员能够更加明了的了解功能的含义 通过这种描述,把功能的包含和其标准准确
15、描述出来,如果把价值工程研究对象视 作一个系统,那么功能定义时就不仅需要对整个系统所具有的功能进行语词描叙,而且 需要对构成该系统的各个要素所具有的功能也进行词语描述 18 长安大学硕士学位论文 对 VE 研究对象进行功能定义的作用是:使所操作人员对研究对象所要求的功能了 解更明了,从而在活动的过程中方便操作人员进行功能评价,并且能够拓宽设计人员的 思路 由于用户所需求的不同产品的功能是不一样的,建筑项目相对应的会具有不一样的 功能 为使建设项目的 VE 研究活动能够确保必需的功能,需要将功能进行分类,进行 不同的对待 分类的主要依据有:功能的重要程度,用户的不同需求,产品的使用性质 等 1.
16、11、功能定义 功能定义是透过研究对象的表面,将隐藏在其背后的本质功能揭示出来,从而从 定性的角度解决”对象有哪些功能”这个问题。功能定义是功能整理的先导性工作,也是 18 后面进行功能评价的基本条件。 对功能进行定义,目的是要对价值工程对象的作用作出确切的表达。这种表述要抓 住功能的本质,明确用户对功能的要求,便于以后进行功能评价。因此,功能定义的语 言应简洁明确,便于测定,又要系统全面,一一对应,这样才能满足后面工作的需要。 一般使用动宾词组或主谓短语来描述。例如,配合比设计的功能是提供可靠的混凝土, 配合比设计是功能承担体,提供是表示功能承担体发生动作的动词,可靠的混凝土则是 作为动词宾语的名词词组。 一般情况下,功能的整理和定义工作是结合在一起进行的。 4.2.3 功能整理34 按照一定的逻辑体系把价值工程对象各组成部分的功能相互连接起来,从局部功能
