1 火箭军工程大学 导弹工程学院，陕西 西安 710025
2 广州理工学院 智能制造与电气工程学院，广东 广州 510850
铝锂合金以其质轻、高强、耐腐蚀等优势成为新一代航空航天应用材料，与其他铝锂合金相比，2195-T8铝锂合金焊接性能最优。基于液体火箭贮箱连接处的焊接需求，采用激光填丝双面焊接可以获得质量较好的接头。针对焊接过程中熔池内流体流动与温度的变化，建立了热-流耦合数学模型，通过数值模拟的方法对2195-T8铝锂合金焊接过程进行了研究，而后开展了接头轴向拉伸强度测试实验，阐明了焊接速度与填丝速度对熔池成形、流动与热输入的影响，并得到了不同焊接工艺参数下的最高接头强度。研究结果表明：4组不同焊接工艺参数下，第一面焊接与第二面焊接的熔池内流体流动趋势基本一致，主要为熔池左侧的顺时针涡流与右侧的逆时针涡流；提高焊接速度或填丝速度可以改善熔池成形质量，降低熔池热输入，细化焊缝熔合区中以柱状晶为代表的晶粒，进而有效提升接头力学性能；通过对4组不同焊接工艺参数的数值模拟与实验结果进行对比分析，最终得到熔池成形质量最好、热输入最小的焊缝，其接头轴向拉伸强度高达426.4 MPa，为母材强度的72.6%，对应的焊接速度与填丝速度分别为50 cm/min、1.8 m/min。
2195铝锂合金 激光填丝双面焊接 熔池 接头强度 2195 Al-Li alloy laser wire filling double-sided welding molten pool joint strength 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220350
1 上海大学计算机工程与科学学院, 上海 200444
2 上海市智能计算系统工程技术研究中心, 上海 200444
3 上海大学材料科学与工程学院, 上海 200444
4 上海大学材料基因组工程研究院, 上海 200444
数据驱动的机器学习凭借其准确高效的预测能力广泛应用于材料的性能预测和构效关系研究。数据决定了机器学习的上限。然而, 目前材料领域的数据存在来源广、噪音大、样本少、维度高等数据质量问题, 阻碍了机器学习在材料领域更广泛的应用。本文从数据品质和数据数量2个视角系统梳理并全面剖析了材料领域数据质量问题及其相关治理工作, 发现数据品质与数据数量共同决定数据质量。基于此, 提出了面向材料领域机器学习全过程的领域知识嵌入的数据质量治理框架。该框架定义了12种维度用于解析材料数据质量的内涵; 构建了数据质量治理的生命周期模型以确保数据质量治理活动有序进行; 建立了一系列数据质量治理处理模型, 从领域知识与数据驱动2个方面对数据质量进行精准全面治理, 为生命周期模型的具体实施提供技术支持。该框架实现了材料数据质量的综合评估与提升, 为高质量数据获取提供理论指导与候选方案, 加速机器学习在材料研发中的深入应用。
材料科学 机器学习 数据质量 领域知识 materials science machine learning data quality and quantity domain knowledge
1 上海大学计算机工程与科学学院, 上海 200444
2 上海市智能计算系统工程技术研究中心, 上海 200444
3 之江实验室, 杭州 311100
4 上海大学材料科学与工程学院, 上海 200444
5 上海大学材料基因组工程研究院, 上海 200444
数据驱动的机器学习因其能够快速拟合历史数据中的潜在模式并实现材料性能的精准预测, 已被广泛应用于材料性能优化和新材料设计。然而, 由于缺乏描述符间关联关系、材料性能驱动机制等材料领域知识的指导, 数据驱动的机器学习在实际应用中常常出现与材料基础理论认知或原理不一致的结果。本工作通过分析材料数据的特点和数据驱动的机器学习建模原理, 厘清了数据驱动的机器学习应用于材料领域面临的三大矛盾: 高维度与小样本数据的矛盾、模型复杂性与易用性的矛盾、模型学习结果与领域专家知识的矛盾。藉此提出材料领域知识嵌入的机器学习作为上述矛盾的调和策略。进一步, 面向“目标定义-数据准备-数据预处理-特征工程-模型构建-模型应用”的机器学习全流程, 通过剖析相关的基础性和探索性工作, 探讨了在机器学习各阶段实现材料领域知识嵌入的关键技术。最后, 展望了材料领域知识嵌入机器学习的发展机遇和挑战。
材料设计 机器学习 材料数据 materials design machine learning materials data
红外与激光工程
2021, 50(S2): 20210304
1 火箭军工程大学，陕西 西安710025
2 西安交通大学 机械工程学院，陕西 西安 710049
3 中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
为揭示超声红外热成像检测中缺陷区域的生热机理，考虑预紧力对缺陷生热的影响，采用裂纹试件开展了预紧力分别为100、150、200 N的检测试验，发现裂纹区域温度与预紧力正相关，裂纹两端的生热量明显高于裂纹中段，尖端热斑最明显，且不同预紧力下圆形热斑最明亮。基于单自由度有阻尼位移激励系统和热源温度场叠加法建立了超声激励下裂纹生热的简易数学模型，通过计算参考点P■和裂纹尖端点P■的温度变化，发现P■点温度变化与试验结果一致，随着预紧力增大，P■点的计算结果与试验温升曲线拟合误差减小，且温升速率变化逐渐趋于一致。该模型能够较好地描述裂纹的生热过程，为超声红外热成像检测的加载参数优化提供了模型基础，具有一定的理论意义与工程价值。
生热机理 裂纹 预紧力 超声红外热成像 heat generation mechanism crack preload force ultrasonic infrared thermography 红外与激光工程
2020, 49(S1): 20200158
1 火箭军工程大学, 陕西 西安 710025
2 西安交通大学 机械工程学院, 陕西 西安 710049
3 中国航天科工运载技术研究院北京分院, 北京 102308
复杂型面叶片由于其结构复杂, 缺陷检测困难, 针对这类叶片的无损检测研究一直是国内外关注的热点。文中基于超声激励下含缺陷介质的摩擦生热模型, 分析缺陷处的热流传导, 推导了含裂纹叶片简化模型的表面温度场。针对复杂型面叶片裂纹处的生热模型, 应用有限元方法进行了数值仿真。仿真结果表明, 激励时间越长, 裂纹缺陷区域温升越大; 温升速率随时间增加呈先上升后下降的趋势。利用超声红外热成像检测平台, 对含裂纹的汽轮机叶片进行检测。实验结果表明, 当预紧力处于100~150 N时, 裂纹区域生热最明显, 叶片裂纹检测效果最好。基于数值仿真和实验表明, 超声红外热成像技术可以有效地检测出复杂型面叶片中的裂纹缺陷,具有一定的工程指导意义和广泛应用前景。
超声红外热成像 叶片 裂纹 摩擦生热 数值仿真 实验验证 ultrasonic infrared thermal imaging blade crack friction heat generation numerical simulation test verification 红外与激光工程
2019, 48(12): 1204002
对一种新型红外热波无损检测技术——激光扫描热成像无损检测技术进行了研究。在深入分析检测机理的基础上建立了激光扫描热成像有限元数值计算模型, 选取缺陷处和非缺陷处表面最大温差作为特征量, 对样品材料、缺陷大小、缺陷深度、激光扫描速度和激光扫描功率等关键参数对激光扫描热成像检测的影响规律进行了仿真和分析, 为该新技术的进一步发展和应用提供了参考; 采用数据拟合方法得出了各参数和表面最大温差关系, 并以此为基础提出了激光扫描热成像技术检测参数控制策略, 实际检测过程中, 可据此针对样品缺陷特征快速准确设置检测参数, 提高检测能力。
激光扫描热成像 无损检测 有限元仿真 参数分析 laser scanning thermography nondestructive testing finite element simulation parameter analysis 红外与激光工程
2019, 48(11): 1105008
采用涡流热成像技术, 对铁磁材料近表面微裂纹进行了检测研究。提出了平行激励热传导方式检测近表面微裂纹的检测方法; 数值计算模拟了涡流激励下裂纹处的生热过程, 分析了裂纹处的温度分布及其对检测结果的影响; 采用平行激励方式对含近表面微裂纹的铁磁材料进行了检测实验, 通过提取试件表面温度分布数据, 获取其变化速率曲线, 实现了对裂纹的检测和识别。结果表明: 涡流热成像平行激励方式能够准确地检测到铁磁材料近表面的微裂纹缺陷; 选择适当的涡流激励时间有助于提高裂纹处与非裂纹处温度对比, 增强检测效果。该方法的研究为近表面微裂纹的检测和定量识别奠定了基础。
涡流热成像 铁磁材料 近表面微裂纹 平行激励 eddy current thermography ferromagnetic materials micro crack near surface parallel excitation 红外与激光工程
2017, 46(3): 0317001
火箭军工程大学 602教研室, 陕西 西安 710025
为提高脉冲相位热像法(PPT)温度序列相位的计算速度和检测效率, 对传统的傅里叶变换(FFT)进行优化, 提出了适用于PPT的相位快速计算方法, 使运算速度提高了1.9～12.4倍。为确定相位算法中温度序列的最佳采样长度和频率分量, 结合热扩散深度公式提出了最佳采样长度估算公式。对铝合金试件和钢材料试件进行了脉冲相位热波检测, 当缺陷检测效果最佳时, 热图序列最佳采样长度分别为1.1 s和3.9 s, 基频相位差有最佳的缺陷分辨能力。结果表明: 该算法显著提高了相位计算速度, 量化的最佳采样长度估算公式能直接确定热图采样长度, 减少了操作的主观性和参数设置的随机性, 有效提高了脉冲相位热像检测效率。
红外脉冲相位 傅里叶变换 最佳采样长度 检测效率 infrared pulse phase FFT optimal sampling length detection efficiency 红外与激光工程
2016, 45(5): 0504005
1 火箭军工程大学602室，陕西 西安 710025
2 中国酒泉卫星发射中心，甘肃 酒泉 736200
为了消除超声热波检测中的驻波现象对检测结果的不利影响，运用数值仿真方法研究了构件在超声激励下的振动特性和声混沌现象。首先，通过建立含裂纹损伤的复合材料构件的有限元模型，研究了不同激励频率条件下构件的驻波共振模态，发现构件在超声谐波激励下的响应仍是谐波，且响应频率与激励频率相同，容易产生驻波共振。然后，通过改进仿真模型，分析了声混沌对检测结果的影响，结果表明：在相同激励频率条件下，声混沌的产生能够消除驻波，更有助于提高复合材料构件损伤处的表面温差，并且随着激励频率的增加，声混沌现象出现的概率也增加。实际检测过程中，可据此改善检测条件提高检测能力。
超声红外热波检测 驻波 振动特性 声混沌 ultrasonic infrared thermal wave testing standing wave vibration characteristics acoustic chaos 红外与激光工程
2016, 45(3): 0304003
