高铝青铜涂层性态预测模型的建立方法以及高铝青铜涂层单一性态指标的寻优方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于喷涂技术领域，具体涉及一种高铝青铜涂层性态预测模型的建立方法 以及高铝青铜涂层单一性态指标的寻优方法。
【背景技术】
[0002] 喷涂技术作为材料表面强化、保护和尺寸恢复的新技术，在设备维修、机械制造中 得到广泛应用。高铝青铜涂层由于具有良好的耐磨耐蚀性能，在发动机维修及船舶制造中 备受关注。采用喷涂技术在零部件表面制备高铝青铜涂层，其质量是制约高铝青铜涂层广 泛应用的关键因素之一。
[0003] 目前高铝青铜涂层的制备方法主要有电弧喷涂、超音速等离子喷涂、超音速火焰 喷涂等高温喷涂技术，所制备的涂层具有一定的耐磨耐蚀性能，但同时由于喷涂温度高，所 制备的涂层还存在氧化和相变的问题，尚未充分发挥高铝青铜材料优异的耐磨、耐蚀、耐疲 劳等性能。
[0004] 低温超音速喷涂技术制备高铝青铜涂层的基本原理是以燃烧温度低的丙烷与压 缩空气为燃气，以氢气为助燃气体、还原气体，产生超音速焰流携带喷涂颗粒与基体碰撞， 诱发颗粒产生高塑性畸变并与基体协调变形，进而沉积形成涂层的工艺过程。其主要特点 是：以燃烧热值低的丙烷作为主燃料，喷枪中焰流的温度可稳定控制在600~IKKTC范围 内，温度明显低于电弧喷涂（l〇〇〇〇°C以上）和超音速等离子喷涂（25000°C以上），同时也低 于超音速氧气火焰（HVOF)喷涂技术（3000~4000°C )以及超音速空气火焰（HVAF)喷涂技 术（1000~1900Γ )，因此可有效克服喷涂粒子的高温氧化以及低温塑性变形差的难题。
[0005] 在低温超音速喷涂高铝青铜涂层过程中，喷涂工艺有着极其重要的作用，喷涂工 艺直接影响着涂层的制备及最终的性能。但是，长期以来高铝青铜涂层的研发工作，大多停 留在经验、试验和近似的基础之上，所作研究也局限于试验完成后对涂层表面性能的测试 和一般性理论的探索，特别是涉及喷涂工艺设计和工艺优化时，很少能给出定量的工艺参 数与性态指标预测结果，更无法确定性态指标的最优值及其对应的工艺参数，由此大大增 加了高铝青铜涂层的研发费用及周期。
[0006] 为解决这一问题，人们利用多元回归、模糊数学等技术，在一定的假设前提下，对 喷涂过程进行实际建模，尝试着进行喷涂工艺的设计及其性态的预测，但是由于各因素之 间高度非线性以及复杂的交互作用，因此所建立的模型很难实现对涂层性态的准确预测。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的之一在于解决上述问题，提供一种预测精度高的高铝青铜涂层性态 预测模型的建立方法。
[0008] 本发明的目的之二在于解决上述问题，提供一种高铝青铜涂层单一性态指标的寻 优方法。
[0009] 实现本发明目的之一的技术方案是：一种高铝青铜涂层性态预测模型的建立方 法，包括以下步骤：
[0010] Sl :建立训练样本和测试样本。
[0011] S2 :构建BP神经网络模型。
[0012] S3 :采用Sl得到的训练样本并通过遗传算法优化上述BP神经网络的权值和阈值， 得到最优的权值和阈值。
[0013] S4 :采用Sl得到的测试样本对经遗传算法优化后的BP神经网络模型进行测试，若 通过测试即获得高铝青铜涂层性态预测模型。
[0014] 上述步骤Sl具体包括以下三步：
[0015] Sll :选择高铝青铜涂层性态预测模型的输入变量和输出变量。
[0016] S12 :采用低温超音速喷涂技术在实验室环境下，以均匀、离散的喷涂工艺参数制 备高铝青铜涂层，并完成高铝青铜涂层性能测试，收集实验数据。
[0017] S13:对收集的实验数据进行归一化预处理，分别得到BP神经网络模型的训练样 本和测试样本。
[0018] 所述归一化预处理是将输入数据（或者输出数据）转化为[0,1]范围的值
[0020] 其中x_为输入数据（或者输出数据）中的最大值，x_为输入数据（或者输出数 据）中的最小值；X为输入数据（或者输出数据）为输入数据（或者输出数据）归一化 处理后的值。
[0021] 上述步骤S2构建的BP神经网络模型包括三层结构：输入层、隐含层和输出层，其 中，输入层的节点数与工艺参数（输入变量）的个数相等，输出层的节点数与性态指标（输 出变量）的个数相等，隐含层的节点数q的计算公式为：
[0022] 其中，m表示输入层的节点数，η表示输出层的节点数，a表示1~10之间的常数， 可通过调整a的取值来提高模型的精度。
[0023] 输入层和隐含层神经元采用S型激活函数，输出层神经元采用线性激活函数，学 习速率取〇. 1，精度取0.01%。
[0024] 上述步骤S3优化过程如下：首先，设置种群数目和优化目标，包括初始化进化次 数、种群规模、交叉概率、变异概率，然后，对种群（神经元初始权值与阈值）进行实数编码， 并将预测数据与期望数据之间的误差作为适应度函数；接着，循环进行选择、交叉、变异，计 算适应度操作，直到达到进化次数，得到最优的初始权值和阈值，将得到的最优初始权值和 阈值来优化BP神经网络。
[0025] 上述步骤S3的优化采用现有常规方法，主要包括以下八步：
[0026] S31 :确定网络权值和阈值的编码方式为实数编码，每个个体均为一个实数串，由 输入层与隐含层连接权值、隐含层阈值、隐含层与输出层连接权值以及输出层阈值4部分 组成。个体包含了神经网络的全部权值和阈值，在网络结构已知的情况下就可以构成一个 结构、权值、阈值确定的神经网络。
[0027] S32 :设定种群的规模为n，随机产生初始种群。
[0028] S33:设定网络的目标函数，将其转换为适应度，对各网络权值和阈值进行评价。根 据个体得到BP神经网络的权值和阈值，经训练样本训练BP神经网络后输出预测值，把预测 输出和期望输出之间的误差绝对值作为个体适应度值F，计算公式为：
[0030] 式中，η为网络输出节点数；71为BP神经网络第i个节点的期望输出；〇1为第i个 节点的预测输出；k为系数。
[0031] S34 :选定遗传操作为轮盘赌法，设置遗传参数及自适应调整算法等。交叉概率设 为P。，变异概率为Pni。每个个体i被选择的概率P1表示为：
[0034] 式中，N为种群个体数目，A为个体i的适应度，f j为个体j的适应度，k为系数。
[0035] S35 :采用实数交叉法进行交叉操作，第k个染色体ak和第1个染色体a丨在j位的 交叉操作方法如下：
[0038] 式中，b是[0, 1]间的随机数。
[0039] S36 :选取第i个个体的第j个基因&1]进行变异，变异操作方法如下：
[0041] S37 :对预测结果进行反归一化处理。
[0042] S38 :判断是否满足精度要求，若是，结束寻优，得到一组优化的权值；否则返回至 S35,继续迭代寻优。
[0043] 上述步骤S4中所述的通过测试为预测误差低于规定水平。
[0044] 实现本发明目的之二的技术方案是：一种高铝青铜涂层单一性态指标的寻优方 法，它是利用步骤S4建立的高铝青铜涂层性态预测模型并通过遗传算法对高铝青铜涂层 进行单一性态指标极值寻优。
[0045] 具体如下：采用实数编码的方法，将工艺参数作为遗传算法中的种群个体，将步骤 S4得到的高铝青铜涂层性态预测模型输出的各个性态指标预测值（其中结合强度、显微硬 度取其倒数）作为遗传算法中的个体适应度值，适应度值越小，个体越优。通过选择算子、 交叉算子和变异算子（同步骤S3)推导出各个性态指标的最优值及其对应的工艺参数。
[0046] 本发明具有的积极效果：（1)本发明建立的高铝青铜涂层性态预测模型预测精度 高，采用该高铝青铜涂层性态预测模型只需在喷涂前输入预设的喷涂工艺参数，即可在不 进行实际实验的情况下预测出喷涂后涂层的性态指标，当预测的涂层性态指标不能满足实 际应用需要时，可以通过调整工艺参数并进行反复预测，直到预测的涂层性态指标满足实 际需要，大大提高了效率。（2)采用本发明建立的高铝青铜涂层性态预测模型并通过遗传算 法对某一性态指标进行极值寻优，从而逆向指导喷涂工艺的设计，简化了喷涂工艺的制定， 提高了高铝青铜涂层的研究效率，使高铝青铜涂层的研发更具有方向性和前瞻性。
【附图说明】
[0047] 图1为不同气体参数下涂层结合强度的预测图。
[0048] 图2为不同气体参数下涂层孔隙率的预测图。
[0049] 图3为不同气体参数下涂层显微硬度的预测图。
[0050] 图4为不同气体参数下涂层氧含量的预测图。
【具体实施方式】
[0051] (实施例1)
[0052] 本实施例的高铝青铜涂层性态预测模型的建立方法包括以下步骤：
[0053] Sl :建立训练样本和测试样本。
[0054] 具体包括以下三步：
[0055] Sll :选择高铝青铜涂层性态预测模型的输入变量和输出变量。
[005