機(jī)械工程材料優(yōu)選方法的研究現(xiàn)狀

王紹剛

前言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械工程材料的選擇也提出更高的要求。尤其機(jī)械工程材料的使用對(duì)工程整體質(zhì)量有至關(guān)重要的影響，需要在實(shí)際選材過程中考慮多方面因素。本文主要對(duì)機(jī)械工程材料選擇方面的研究現(xiàn)狀以及選材過程中材料數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用進(jìn)行探析。

機(jī)械工程材料在實(shí)際進(jìn)行選擇過程中要求遵循一定原則與步驟，其過程極為復(fù)雜。然而以往選材方式大多以設(shè)計(jì)人員主觀經(jīng)驗(yàn)為主，很難提高材料利用效率并使材料構(gòu)件使用壽命延長(zhǎng)。這就要求現(xiàn)代材料選擇中需充分利用輔助選材手段如計(jì)算機(jī)技術(shù)等，并將材料的選擇納入成本考慮以及價(jià)值工程等內(nèi)容中，為機(jī)械工程設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

一、機(jī)械工程材料選擇的主要研究現(xiàn)狀

（一）從構(gòu)件失效抗力角度分析

材料失效抗力主要指構(gòu)建自身是否具備抗磨損、抗變形等能力，通過對(duì)構(gòu)件參量進(jìn)行表征以避免構(gòu)件材料在使用前便出現(xiàn)失效的狀況。以往失效抗力在研究過程中既需考慮到材料力學(xué)性能，也需構(gòu)建相應(yīng)的模型確定其在實(shí)際工況中的特性。如許多學(xué)者關(guān)于熱作模具鋼的失效分析過程中，通過測(cè)試材料壽命并分析模具壽命，得出模具設(shè)計(jì)選材的標(biāo)準(zhǔn)，其具體選材步驟主要體現(xiàn)在：①對(duì)用于零件成形的機(jī)械材料進(jìn)行確定并結(jié)合模具使用條件，以此判斷選擇哪種模具以及具體抗力要求；②通過對(duì)模具時(shí)效形式的分析對(duì)抗力指標(biāo)進(jìn)行確定，選擇滿足指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的鋼種；③對(duì)滿足抗力指標(biāo)要求且符合模具類型的鋼種確定的基礎(chǔ)上，判斷是否與首相抗力指標(biāo)以及其他指標(biāo)相吻合；④進(jìn)行選材過程中還需考慮到材料的來源、經(jīng)濟(jì)性以及是否便于生產(chǎn)管理等因素。這種選材方式的研究很大程度上為熱模具的選材奠定理論基礎(chǔ)。

（二）從綠色工程材料選擇方面

現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，選材過程中不僅要求材料具有較高的性能，同時(shí)還將其與環(huán)境問題、資源使用方面連接在一起，由此產(chǎn)生綠色度概念。以往許多學(xué)者研究過程中對(duì)綠色度主要界定在材料的屬性、能耗情況、對(duì)環(huán)境的影響以及使用周期等方面，并在此基礎(chǔ)上提出“七點(diǎn)星形圖”的方式，能夠?qū)Σ牧暇G色度進(jìn)行評(píng)級(jí)，并跟評(píng)級(jí)結(jié)果確定材料的選擇。這種方式在環(huán)保工程材料選擇過程中可作為主要的參考依據(jù)。

（三）從注塑模具材料選擇方面

關(guān)于注塑模具材料的選擇，大多依靠注塑制品的相關(guān)指標(biāo)，將滿足性能指標(biāo)要求的材料從所有模具材料中選擇出來。以往研究過程中對(duì)其選材主要采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式，其結(jié)合材料選擇中的相關(guān)知識(shí)構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用下，無需大量查閱選材知識(shí)且不對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)做出要求，材料傾向程度可直接通過系統(tǒng)給定的材料選定度進(jìn)行反映，有利于確定最佳材料選擇方案。

（四）材料選擇中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用

在信息技術(shù)發(fā)展的今天，機(jī)械工程材料在選擇過程中充分利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，常用的包括KBS系統(tǒng)或CES系統(tǒng)等，能夠幫助設(shè)計(jì)人員從所有材料中選擇滿足工程要求的材料，并利用多目標(biāo)優(yōu)化的方式消除影響選材的因素。例如有學(xué)者在試驗(yàn)實(shí)際過程中主要利用數(shù)字邏輯方式，并配合非線性函數(shù)的使用，這樣可分級(jí)規(guī)劃候選材料，優(yōu)選符合標(biāo)準(zhǔn)的材料。另外，從許多文獻(xiàn)中也可發(fā)現(xiàn)，在利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的同時(shí)，也可融入模糊設(shè)計(jì)定量的方式，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論綜合評(píng)判材料屬性。

（五）定量評(píng)價(jià)方式的應(yīng)用

這種選材方式主要根據(jù)系統(tǒng)工程理論，使系統(tǒng)整體囊括所有局部問題并進(jìn)行處理。在材料選擇過程中往往綜合評(píng)價(jià)材料的關(guān)鍵性質(zhì)與次要性質(zhì)，通過許多研究學(xué)者總結(jié)的如成本分析方式或目標(biāo)函數(shù)方式等進(jìn)行材料性能的確定。但需注意這種定量評(píng)價(jià)方式在應(yīng)用過程中需考慮材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)間的關(guān)系問題。

二、機(jī)械工程材料選擇中材料數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用分析

（一）材料數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)成

材料數(shù)據(jù)庫(kù)的產(chǎn)生主要針對(duì)大量數(shù)據(jù)難以處理的問題而提出，使材料系統(tǒng)中利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)能夠?qū)⒉牧衔锘阅?、型?hào)特征以及耐腐蝕特性等融入其中，并利用數(shù)據(jù)形式描述相關(guān)參數(shù)值的關(guān)系。該數(shù)據(jù)庫(kù)在構(gòu)成方面主要體現(xiàn)在材料信息內(nèi)容、商業(yè)信息以及生產(chǎn)應(yīng)用三方面，使用中用戶只需將材料參數(shù)輸入其中便可將滿足條件的材料顯示出來。當(dāng)前在材料數(shù)據(jù)庫(kù)研究方面已逐漸產(chǎn)生許多類型的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，如耐磨料磨損、航空、冷沖模具以及金屬材料數(shù)據(jù)庫(kù)等。

（二）材料數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)代研究發(fā)展

隨數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)于材料數(shù)據(jù)庫(kù)的研究也逐漸完善，出現(xiàn)專家咨詢系統(tǒng)以及以Web技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中在專家咨詢系統(tǒng)方面，其將許多材料選擇信息融入其中，用戶在優(yōu)選過程中可根據(jù)給定的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行材料選擇的推理與預(yù)測(cè)，如在研究過程中體現(xiàn)的合金設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將元素信息、合金的信息以及經(jīng)驗(yàn)方程式等融入其中，只需按照操作系統(tǒng)步驟便可完成選材。而以Web技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可使用戶直接在Internet中訪問材料數(shù)據(jù)，具有一定的數(shù)據(jù)信息共享特征，可使材料的優(yōu)選更為靈活。

結(jié)論

材料的優(yōu)選是保證機(jī)械工程設(shè)計(jì)與質(zhì)量的重要前提。實(shí)際選擇過程中應(yīng)充分結(jié)合以往研究的理論方法，并在此基礎(chǔ)上探究新的優(yōu)選方式，注重結(jié)合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以定量選擇的方式取代傳統(tǒng)定型選擇方式，綜合判斷選材方案，以得出既符合工程要求，又可實(shí)現(xiàn)低成本目標(biāo)的選材方案。

（作者單位：寧夏共享模具有限公司）