专利名称：层状金属复合板基板与复板的结合控制方法
技术领域：
本发明属于层状金属复合板的制备技术领域，尤其是涉及一种层状金属复合板基板与复板的结合控制方法。
背景技术：
层状金属复合板是一种将两种性能相近或性能相异的金属采用爆炸复合方法制备而成的新型金属复合材料，主要包括钛钢、钛不锈钢、锆钢、锆不锈钢、铜钢、不锈钢钢、镍钢等。层状金属复合板一出现便以其独特的结构和性能优势得到了人们的关注，近年来得到了广泛的应用，它集不同材料的物理、化学、力学性能和价格资源优势于一体，并逐渐广泛应用于石油化工、航空航天、火电核电和机械电子等行业。层状金属复合板，尤其大幅面层状金属复合板在进行爆炸复合时，由于受板面板型、间隙、排气等因素影响容易出现发生局部产生熔化、不结合、鼓包、冲孔等现象，其直接影响复合板质量。目前，层状金属复合板制造主要依靠理论结合经验和工艺探索试验，其实验周期长，成本高，获得的实验数据和经验只能作为参考，并且不能保证复合板质量。对稀、 贵金属复合板来说，局部不结合直接导致整张复合板报废，因此，层状金属复合板质量提高的研究就极为迫切了。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其设计合理，操作简便且实现方便，适用面广，实用价值高，能够提高层状金属复合板产品的成品率、缩短生产周期、降低生产成本，推广应用前景广泛。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、确定基板和复板的材质、性能以及尺寸规格；步骤二、选择多组爆炸复合工艺参数和布药方式；步骤三、根据步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式，分别建立多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型，其建模过程如下301、根据层状金属复合板爆炸复合的装配结构以及步骤二中确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，采用CAD软件建立层状金属复合板爆炸复合的三维几何模型首先将基板、支撑件、复板、保护层和炸药从下到上依次设置在地基上，再将雷管设置在炸药顶端；302、删除步骤301中的支撑件、保护层和雷管，保留基板与复板之间的空隙，建立包裹在炸药、复板和基板外的空气模型，得到层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型；303、将步骤302中所述层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型导入有限元前处理软件中；304、在所述有限元前处理软件环境下，选择一定的网格单元尺寸并对步骤303 中所建立的层状金属复合板爆炸复合的有限元模型进行网格划分；同时在材料模型 Johnson-Cook中附于基板和复板的材料参数，建立层状金属复合板爆炸复合的有限元模型；步骤四、分别对步骤三中建立的多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加载荷并生成多个有限元求解器文件在所述有限元前处理软件环境下，对所述层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加基板、复板、炸药和空气模型任意两者之间在爆炸复合过程中的相互作用、边界条件和对称约束，保存施加载荷后的结果，同时生成有限元求解器文件；步骤五、分别对多个有限元求解器文件进行修正并求解，得到多个求解结果在步骤四中所生成的有限元求解器文件中，对定义炸药起爆位置与时间的关键字、定义单元类型的关键字、定义材料参数的关键字、定义接触刚度控制的关键字和定义接触计算方法的关键字进行添加，并对定义接触类型的关键字进行修改，完成有限元求解器文件的修正并提交给所述有限元前处理软件，之后通过所述有限元前处理软件进行复合板爆炸复合过程求解，得到求解结果；步骤六、首先采用有限元后处理软件分别对步骤五中得到的多个求解结果进行分析，然后结合正交试验对步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式进行筛选，确定一组爆炸复合工艺参数和布药方式；步骤七、按照步骤六中确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，将基板、支撑件、复板、保护层和炸药从下到上依次设置在地基上，再将雷管设置在炸药顶端，进行层状金属复合板的爆炸复合。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于步骤二、步骤六和步骤七中所述的爆炸复合工艺参数包括炸药类型、炸药高度以及基板和复板之间的间距。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于步骤三、步骤四和步骤五中所述的有限元前处理软件为AUT0DYN软件、ANSYS-LSDYNA软件或ABAQUS软件。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于步骤304中所述的基板和复板的材料参数包括密度、泊松比、熔点、剪切模量和弹性模量。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于所述接触计算方法包括拉格朗日方法、欧拉方法、SPH方法和ALE方法上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于所述接触类型包括单面接触、节点对表面接触和表面对表面接触。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于步骤六中所述有限元后处理软件为LS-PREP0ST软件。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于所述基板的材质为碳素钢或低合金钢，所述复板的材质为有色金属或黑色金属。上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于所述基板的厚度为IOmm 200mm，所述复板的厚度为Imm 10mm。
上述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于所述层状金属复合板顶面的面积为0. 5m2 35m2。本发明与现有技术相比具有以下优点1、本发明设计合理，操作简便且实现方便，通过对爆炸复合过程进行有限元仿真， 能够真实、形象地反应爆炸复合过程中应力应变，位移等情况变化。2、本发明在经验和工艺探索试验的基础上既考虑了材料的性能又考虑的复合过程的排气问题，在建立层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型时，保留了基板与复板之间的空隙，并建立了包裹在炸药、复板和基板外的空气模型，能准确预测在特定工艺下层状金属复合板爆炸复合情况，再通过工艺调整，提高了复合板结合复合质量，能够得到质量较高的复合板。3、本发明的适用面广，所适用的层状金属复合板的面积可为0. 5m2 35m2，复层材质可为有色金属及黑色金属，厚度为Imm IOmm ；基层材质可为碳素钢及低合金钢，厚度为 IOmm 200mm。4、本发明在进行层状金属复合板的爆炸复合之前，就确定出了效果最佳的爆炸复合工艺参数和布药方式，能够有效提高层状金属复合板产品的成品率，缩短生产周期，降低生产成本。5、本发明的实用价值高，通过本发明的结合控制，所制备的层状金属复合板能完全满足后续大型装备要求，本发明的推广应用前景广泛。综上所述，本发明设计合理，操作简便且实现方便，适用面广，实用价值高，能够提高层状金属复合板产品的成品率、缩短生产周期、降低生产成本；有效地解决了目前爆炸复合实验周期长、成本高、受客观条件限制、获得的实验数据和经验只能在一定条件和范围内使用等缺陷和不足，推广应用前景广泛。下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明的结合控制方法流程图。图2为本发明层状金属复合板爆炸复合的三维几何模型示意图。图3为本发明层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型示意图。图4为本发明显示在有限元后处理软件中的复合板爆炸复合过程求解结果分析图。附图标记说明1-雷管； 2-炸药；3-保护层；4-复板； 5-支撑件；6-基板；7-地基； 8-空气模型。
具体实施例方式如图1所示的一种层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，包括以下步骤步骤一、根据所需研制的层状金属复合板的成品要求，确定基板6和复板4的材质、性能以及尺寸规格；
步骤二、根据爆炸复合工艺参数选择的基本原则及以往生产实践经验，初步选择多组爆炸复合工艺参数和布药方式；步骤三、根据步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式，分别建立多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型，其建模过程如下301、根据层状金属复合板爆炸复合的装配结构以及步骤二中确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，采用CAD软件建立层状金属复合板爆炸复合的三维几何模型首先将基板6、支撑件5、复板4、保护层3和炸药2从下到上依次设置在地基7上，再将雷管1设置在炸药2顶端，详见图2;302、删除步骤301中的支撑件5、保护层3和雷管1，保留基板6与复板4之间的空隙，建立包裹在炸药2、复板4和基板6外的空气模型8，得到层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型，详见图3;303、将步骤302中所述层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型导入有限元前处理软件中；304、在所述有限元前处理软件环境下，根据三维几何简化模型尺寸、计算机能力和有限元仿真目的选择一定的合理化的网格单元尺寸并对步骤303中所建立的层状金属复合板爆炸复合的有限元模型进行网格划分；同时在材料模型Johnson-Cook中附于基板6 和复板4的材料参数，建立层状金属复合板爆炸复合的有限元模型；其中，基板6和复板4 的材料参数从工程材料手册中查询得出或者通过常规材料性能测试实验测得；步骤四、分别对步骤三中建立的多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加载荷并生成多个有限元求解器文件在所述有限元前处理软件环境下，对所述层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加基板6、复板4、炸药2和空气模型8任意两者之间在爆炸复合过程中的相互作用、边界条件和对称约束，保存施加载荷后的结果，同时生成有限元求解器文件；步骤五、分别对多个有限元求解器文件进行修正并求解，得到多个求解结果打开步骤四中所生成的有限元求解器文件，在步骤四中所生成的有限元求解器文件中，对定义炸药起爆位置与时间的关键字、定义单元类型的关键字、定义材料参数的关键字、定义接触刚度控制的关键字和定义接触计算方法的关键字进行手工添加，并对定义接触类型的关键字进行修改，完成有限元求解器文件的修正并提交给所述有限元前处理软件，之后通过所述有限元前处理软件进行复合板爆炸复合过程求解，得到求解结果；步骤六、首先采用有限元后处理软件分别对步骤五中得到的多个求解结果进行分析，然后结合正交试验对步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式进行筛选，确定一组效果最佳的爆炸复合工艺参数和布药方式；显示在有限元后处理软件中的其中一个复合板爆炸复合过程求解结果分析图如图4所示；步骤七、按照步骤六中确定的最佳爆炸焊接工艺参数和布药方式，将基板6、支撑件5、复板4、保护层3和炸药2从下到上依次设置在地基7上，再将雷管1设置在炸药2顶端，进行层状金属复合板的爆炸复合。上述步骤二和步骤七中所述的爆炸复合工艺参数包括炸药2类型、炸药2高度以及基板6和复板4之间的间距。上述步骤三、步骤四和步骤五中所述的有限元前处理软件为AUT0DYN软件、ANSYS-LSDYNA软件或ABAQUS软件。上述步骤304中所述的基板6和复板4的材料参数包括密度、泊松比、熔点、剪切模量和弹性模量。所述接触计算方法包括拉格朗日方法、欧拉方法、SPH方法和ALE方法。所述接触类型包括单面接触、节点对表面接触和表面对表面接触。上述步骤六中所述有限元后处理软件为LS-PREP0ST软件。所述基板6的材质为碳素钢或低合金钢，所述复板4的材质为有色金属或黑色金属。所述基板6 的厚度为IOmm 200mm，所述复板4的厚度为Imm 10mm。所述层状金属复合板顶面的面积为 0. 5m2 35m2。实施例1本实施例中，研制一张材质为TA1/Q345R，规格为5/35mmX 4000mmX 5000mm的复
合板，其基板与复板的结合控制步骤如下步骤一、根据所需研制的层状金属复合板的成品要求，确定基板6的材质为 Q345R,长为5250mm，宽为4250mm，高为35mm ；复板4的材质为TAl，长为5330mm，宽为 4330mm,高为 5mm ；步骤二、根据爆炸复合工艺参数选择的基本原则以往生产实践经验和现有炸药品种，选择六组爆炸复合工艺参数和布药方式并建立六组方案；所建立的六组方案如表1所示表1实施例1的六组爆炸复合工艺参数和布药方式
方案123456炸药种类1#1#1#3#3#3#药高47mm49mm51mm47mm49mm51mm基板和复板之间的间距1 Omm布药方式整体布药步骤三、根据步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式，分别建立六个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型，其建模过程如下301、根据层状金属复合板爆炸复合的装配结构以及步骤二中确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，采用CAD软件建立层状金属复合板爆炸复合的三维几何模型首先将基板6、支撑件5、复板4、保护层3和炸药2从下到上依次设置在地基7上，再将雷管1设置在炸药2顶端，详见图2;302、删除步骤301中的支撑件5、保护层3和雷管1，保留基板6与复板4之间的空隙，建立包裹在炸药2、复板4和基板6外的空气模型8，得到层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型，详见图3;303、将步骤302中所述层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型导入 ANSYS-LSDYNA 软件中；304、在ANSYS-LSDYNA软件环境下，根据三维几何简化模型尺寸、计算机能力和有限元仿真目的选择一定的合理化的网格单元尺寸并对步骤303中所建立的层状金属复合板爆炸复合的有限元模型进行网格划分；同时在材料模型Johnson-Cook中附于基板Q345R和复板TAl的材料参数，建立层状金属复合板爆炸复合的有限元模型；其中，网格单元尺寸为4mm，基板Q 345R的密度为7. 85g/cm3,泊松比为0.沈，熔点为1539°C，剪切模量为79GPa， 弹性模量为196GPa;复板TAl的密度为4.51g/cm3，泊松比为0. 34，熔点为1660°C，剪切模量为55GPa，弹性模量为178GPa ；步骤四、分别对步骤三中建立的六个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加载荷并生成六个有限元求解器文件在ANSYS-LSDYNA软件环境下，对所述层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加基板6、复板4、炸药2和空气模型8任意两者之间在爆炸复合过程中的相互作用、边界条件和对称约束，保存施加载荷后的结果，同时生成有限元求解器文件；步骤五、分别对六个有限元求解器文件进行修正并求解，得到六个求解结果打开步骤四中所生成的有限元求解器文件，在步骤四中所生成的有限元求解器文件中，对定义炸药起爆位置与时间的关键字*INITIAL_DET0NATI0N、定义单元类型的关键字、定义基板Q345R和复板TAl材料参数的关键字*MAT_J0HNS0N_C00K、定义接触刚度控制的关键字 *C0NTR0L_C0NTACT和定义接触计算方法的关键字进行手工添加，并对定义接触类型的关键字进行修改，此处的接触计算方法采用了欧拉方法，基板Q 345R和复板TAl的接触类型采用了表面对表面接触，完成有限元求解器文件的修正并提交给ANSYS-LSDYNA软件，之后通过ANSYS-LSDYNA软件进行复合板爆炸复合过程求解，得到求解结果；步骤六、首先采用有限元后处理软件分别对步骤五中得到的六个求解结果进行分析，此处的有限元后处理软件采用LS-PREP0ST软件；分析时，如图4所示，首先观察某一求解结果中出现的不结合区域W并用矩形或圆形等容易计算面积的图形近似地将不结合区域圈起来，然后计算出该图形的面积，即近似地知道了该求解结果中不结合区域的面积；记录步骤五中得到的六个求解结果的不结合区域面积分析结果如表2所示表2实施例1的六个求解结果的不结合区域面积分析结果
权利要求
1.一种层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤步骤一、确定基板(6)和复板的材质、性能以及尺寸规格；步骤二、选择多组爆炸复合工艺参数和布药方式；步骤三、根据步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式，分别建立多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型，其建模过程如下301、根据层状金属复合板爆炸复合的装配结构以及步骤二中确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，采用CAD软件建立层状金属复合板爆炸复合的三维几何模型首先将基板 (6)、支撑件(5)、复板G)、保护层C3)和炸药( 从下到上依次设置在地基(7)上，再将雷管⑴设置在炸药⑵顶端；302、删除步骤301中的支撑件(5)、保护层(3)和雷管(1)，保留基板(6)与复板(4) 之间的空隙，建立包裹在炸药O)、复板(4)和基板(6)外的空气模型(8)，得到层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型；303、将步骤302中所述层状金属复合板爆炸复合的三维几何简化模型导入有限元前处理软件中；304、在所述有限元前处理软件环境下，选择一定的网格单元尺寸并对步骤303 中所建立的层状金属复合板爆炸复合的有限元模型进行网格划分；同时在材料模型 Johnson-Cook中附于基板(6)和复板(4)的材料参数，建立层状金属复合板爆炸复合的有限元模型；步骤四、分别对步骤三中建立的多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加载荷并生成多个有限元求解器文件在所述有限元前处理软件环境下，对所述层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加基板(6)、复板、炸药( 和空气模型(8)任意两者之间在爆炸复合过程中的相互作用、边界条件和对称约束，保存施加载荷后的结果，同时生成有限元求解器文件；步骤五、分别对多个有限元求解器文件进行修正并求解，得到多个求解结果在步骤四中所生成的有限元求解器文件中，对定义炸药起爆位置与时间的关键字、定义单元类型的关键字、定义材料参数的关键字、定义接触刚度控制的关键字和定义接触计算方法的关键字进行添加，并对定义接触类型的关键字进行修改，完成有限元求解器文件的修正并提交给所述有限元前处理软件，之后通过所述有限元前处理软件进行复合板爆炸复合过程求解，得到求解结果；步骤六、首先采用有限元后处理软件分别对步骤五中得到的多个求解结果进行分析， 然后结合正交试验对步骤二中选择的多组爆炸复合工艺参数和布药方式进行筛选，确定一组爆炸复合工艺参数和布药方式；步骤七、按照步骤六中确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，将基板(6)、支撑件(5)、 复板G)、保护层C3)和炸药( 从下到上依次设置在地基(7)上，再将雷管(1)设置在炸药( 顶端，进行层状金属复合板的爆炸复合。
2.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 步骤二、步骤六和步骤七中所述的爆炸复合工艺参数包括炸药( 类型、炸药( 高度以及基板(6)和复板⑷之间的间距。
3.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 步骤三、步骤四和步骤五中所述的有限元前处理软件为AUT0DYN软件、ANSYS-LSDYNA软件或ABAQUS软件。
4.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 步骤304中所述的基板(6)和复板的材料参数包括密度、泊松比、熔点、剪切模量和弹性模量。
5.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 所述接触计算方法包括拉格朗日方法、欧拉方法、SPH方法和ALE方法。
6.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 所述接触类型包括单面接触、节点对表面接触和表面对表面接触。
7.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 步骤六中所述有限元后处理软件为LS-PREP0ST软件。
8.按照权利要求1所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 所述基板(6)的材质为碳素钢或低合金钢，所述复板的材质为有色金属或黑色金属。
9.按照权利要求8所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于 所述基板(6)的厚度为IOmm 200mm，所述复板(4)的厚度为Imm 10mm。
10.按照权利要求1 9中任一权利要求所述的层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，其特征在于所述层状金属复合板顶面的面积为0. 5m2 35m2。
全文摘要
本发明公开了一种层状金属复合板基板与复板的结合控制方法，该方法包括以下步骤一、确定基板和复板的材质、性能以及尺寸规格；二、选择多组爆炸复合工艺参数和布药方式；三、分别建立多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型；四、分别对多个层状金属复合板爆炸复合的有限元模型施加载荷并生成多个有限元求解器文件；五、分别对多个有限元求解器文件进行修正并求解，得到多个求解结果；六、分别对多个求解结果进行分析并结合正交试验确定一组爆炸复合工艺参数和布药方式；七、按照确定的爆炸复合工艺参数和布药方式，进行层状金属复合板的爆炸复合。本发明设计合理，实用价值高，能够提高层状金属复合板的成品率、缩短生产周期、降低生产成本。
文档编号B23K20/24GK102489867SQ201110377540
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者张宝军, 李媛, 李平仓, 李昕昱, 杨学山, 樊科社, 薛治国, 赵锋, 车宇锋, 高宝利, 黄杏利 申请人:西安天力金属复合材料有限公司