材料加工過程實驗建模方法

前言

　　材料、能源和信息構(gòu)成了人類現(xiàn)代文明的三大支柱，它的發(fā)展與應(yīng)用在一定程度上標(biāo)志和影響著國家的綜合實力.材料加工過程既是材料實現(xiàn)應(yīng)用的前提，又是對材料的深度加工?？赏ㄟ^改變和控制材料的外部形狀和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，將材料制造成為形狀、尺寸和性能都滿足不同需要的零部件產(chǎn)品。因此，材料加工具有技術(shù)密集、增值高和技術(shù)經(jīng)濟效益顯著等特點。作為先進制造技術(shù)的重要組成部分，材料加工過程和技術(shù)是推動科技進步、國防現(xiàn)代化以及經(jīng)濟和社會發(fā)展的必要條件?！　〔牧霞庸み^程的研究任務(wù)是發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象、揭示規(guī)律、闡明機理，并使材料加工過程定量化（模型化）和精確化（最優(yōu)化），其目的是從理論上得出更有效地處理材料加工工藝問題的途徑，增加科學(xué)預(yù)見性，減少依靠經(jīng)驗處理問題的盲目性，改善材料加工過程，進而對材料加工過程進行優(yōu)化設(shè)計與精確控制，從而提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更合理地利用材料、節(jié)約材料和能源，并使其發(fā)展成為高質(zhì)量、短周期、低成本、節(jié)約型的先進加工技術(shù)?！　〔牧霞庸すこ淌且婚T建立在基礎(chǔ)理論和大量實驗基礎(chǔ)上的技術(shù)學(xué)科，而材料加工過程往往是多工步、多因素耦合和多場耦合，包含幾何、物理和邊界條件三重高度非線性的復(fù)雜過程，有很多問題到目前也難以完全明確其物理機制，即使在完全明確其物理機制后，要想從理論角度用數(shù)學(xué)解析方法直接描述也是非常困難的。因此，材料加工工程學(xué)科遠不像數(shù)學(xué)、物理學(xué)那樣有系統(tǒng)和縝密的理論和精確的數(shù)學(xué)描述方法。如何從材料加工過程明晰的基本概念出發(fā)，通過深入思考，抓住主要矛盾，盡可能地實現(xiàn)材料加工過程定量化和精確化的描述與分析，直至優(yōu)化設(shè)計與精確控制，即使難以做到也要盡可能實現(xiàn)定性描述其規(guī)律，這是我和我的團隊多年來銘心向往和投入熱情的一項追求。材料加工過程實驗建模方法也正在朝著這一目標(biāo)前進，以至于作者努力寫出這樣一部書來貢獻于相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者和學(xué)生。從控制和提高材料成形加工質(zhì)量的角度來看，如果我們明確了影響材料加工過程和質(zhì)量（包括性能、組織、形狀尺寸精度）的主要因素，以此為基礎(chǔ)，主動設(shè)計并進行一定量的實驗，進而獲得這些因素和影響結(jié)果的數(shù)據(jù)，就有可能建立影響材料加工過程和質(zhì)量的主要因素的定量或半定量的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這一環(huán)節(jié)即構(gòu)成了材料先進加工技術(shù)走向?qū)嵱没年P(guān)鍵一步，這也就是材料加工過程實驗建模方法所要關(guān)注的目標(biāo)。其研究內(nèi)容包括：①如何以盡可能少的主動實驗獲取盡可能多的反映事物本質(zhì)的信息。

內(nèi)容概要

　　材料科學(xué)與技術(shù)的研究與發(fā)展迫切需要建立材料成形加工過程的數(shù)學(xué)模型。材料加工工程是建立在學(xué)科基礎(chǔ)理論和大量實驗基礎(chǔ)上的應(yīng)用技術(shù)學(xué)科，在很多情況下，理論建模存在很大難度，因此有必要通過一定量的實驗建立并求解相關(guān)的數(shù)學(xué)模型?！　　恫牧霞庸み^程實驗建模方法》主要內(nèi)容包括三大部分，即回歸分析、試驗優(yōu)化設(shè)計以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在實驗建模中的應(yīng)用。其中回歸分析又包括簡單回歸分析、多元最優(yōu)回歸分析；試驗優(yōu)化設(shè)計包括簡單試驗設(shè)計、正交試驗設(shè)計、回歸正交試驗設(shè)計和均勻試驗設(shè)計?！　　恫牧霞庸み^程實驗建模方法》適合用作相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的教材，力求培養(yǎng)學(xué)生將工程問題模型化、定量化的能力，適應(yīng)培養(yǎng)高水平、高素質(zhì)人才的需求。

作者簡介

　　楊合，1962年生，博士，長江學(xué)者，國家杰出青年基金獲得者，入選國家首批“新世紀(jì)百千萬人才工程”。西北工業(yè)大學(xué)國家“985工程”“航宇材料”一級科技創(chuàng)新平臺精確塑性成形團隊學(xué)術(shù)帶頭人，材料加工工程國家重點學(xué)科博士生導(dǎo)師，材料成型及控制系主任。先后于1983年、1986年在南京航空航天大學(xué)獲學(xué)士、碩士學(xué)位，1990年在哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲博士學(xué)位，1992年在西北工業(yè)大學(xué)博士后出站并破格晉升教授；1994年被評為博士生導(dǎo)師。現(xiàn)任中國塑性工程學(xué)會副理事長，國家基金委學(xué)科評審專家組專家，材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員會副主任，金屬材料擠壓／鍛造國家重點實驗室學(xué)術(shù)委員，重慶市模具技術(shù)重點實驗室學(xué)術(shù)委員會主任，中德“材料成形”研討會主席，5個國際會議學(xué)術(shù)委員與分會場主席，8種國際刊物審稿人，全國沖壓學(xué)術(shù)委員會副主任，《塑性工程學(xué)報》《鍛壓技術(shù)》等期刊編委。從事精確塑性成形先進理論與技術(shù)及建模仿真的研究與教學(xué)工作，在局部加載控制不均勻變形與面向薄壁輕量化構(gòu)件和重大復(fù)雜構(gòu)件省力、高效與數(shù)字化精確塑性成形等方面取得重要研究進展。主持國家自然科學(xué)基金、國家863等重要課題45項，在材料成形加工、力學(xué)領(lǐng)域頂級學(xué)報IJP（IF=4.516）等重要刊物和會議上發(fā)表論文300多篇，包括特邀報告16篇，SCI收錄70篇，EI、ISTP收錄170多篇，SCI等他人引用400多次；主編“中國材料工程大典”《板料沖壓成形》篇；獲國際學(xué)術(shù)獎、國家發(fā)明獎、國家及省部級科技進步獎8項；還曾獲國務(wù)院頒發(fā)的政府特殊津貼、中國機械工程學(xué)會青年科技成就獎以及教育部“高校青年教師獎”等。

書籍目錄

第一章　緒論1.1　材料加工過程及其復(fù)雜性1.1.1　材料及其加工過程1.1.2　材料加工過程影響因素的復(fù)雜性1.2　材料加工過程的研究方法1.3　材料加工過程實驗建模的必要性1.4　內(nèi)容概述參考文獻第二章　材料加工過程實驗建模方法概述2.1　材料加工過程中三要素的流動2.2　數(shù)學(xué)模型及其建立方法2.2.1　數(shù)學(xué)模型的定義、功能及分類2.2.2　材料加工過程理論建模方法2.3　材料加工過程的實驗建模方法2.3.1　材料加工過程實驗建模步驟2.3.2　基于回歸分析的實驗建模方法2.3.3　基于實驗設(shè)計的直接建模方法2.3.4　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實驗建模方法2.4　材料加工實驗建模方法的發(fā)展趨勢2.4.1　材料加工實驗建模方法的優(yōu)缺點2.4.2　材料加工實驗建模方法的發(fā)展趨勢2.5　實驗建模的邏輯思維方法參考文獻第三章　基本回歸分析及其應(yīng)用3.1　回歸分析簡介3.2　一元線性回歸分析3.2.1　一元線性回歸方程的數(shù)學(xué)模型3.2.2　一元線性回歸系數(shù)的確定方法3.2.3　一元線性回歸方程的顯著性檢驗3.2.4　一元線性回歸方程的精度及應(yīng)用3.3　多元線性回歸分析3.3.1　多元線性回歸方程的數(shù)學(xué)模型3.3.2　多元線性回歸系數(shù)的確定方法3.3.3　多元線性回歸方程的顯著性檢驗3.3.4　多元線性回歸系數(shù)的顯著性檢驗3.3.5　多元線性回歸方程的精度及應(yīng)用3.4　線性化回歸3.4.1　非線性關(guān)系與相應(yīng)圖形3.4.2　不同數(shù)學(xué)模型結(jié)果的比較3.4.3　線性化回歸的計算步驟3.5　多項式回歸3.5.1　一元多項式回歸3.5.2　多元多項式回歸3.6　基本回歸分析在材料加工過程中的應(yīng)用3.6.1　數(shù)控彎管力能參數(shù)的預(yù)報與控制3.6.2　數(shù)控彎管回彈角的預(yù)報與控制3.6.3　熔煉參數(shù)對鋼鐵含碳量的影響3.6.4　合金膨脹系數(shù)與成分的關(guān)系3.6.5　不均勻壓下板帶面內(nèi)彎曲外緣厚度的預(yù)測參考文獻第四章　最優(yōu)回歸分析4.1　選擇“最優(yōu)”回歸方程的方法4.2　逐步回歸分析4.2.1　逐步回歸的數(shù)學(xué)模型4.2.2　正規(guī)方程組及其常規(guī)解法4.2.3　逐步回歸分析的計算方法4.3　逐步回歸方法的應(yīng)用4.4　正交多項式回歸4.4.1　一元正交多項式回歸的數(shù)學(xué)模型4.4.2　一元正交多項式回歸系數(shù)的確定方法4.4.3　一元正交多項式回歸方程的顯著性檢驗4.4.4　一元正交多項式回歸系數(shù)的顯著性檢驗4.4.5　一元正交多項式回歸的精度4.4.6　正交多項式的確定4.4.7　正交多項式回歸分析的計算步驟4.5　正交多項式回歸的應(yīng)用4.5.1　合金膨脹系數(shù)與成分的一元正交多項式回歸分析4.5.2　磷青銅強度與退火制度的多元正交多項式回歸分析4.6　基于回歸分析的實驗建模方法的其他應(yīng)用概述參考文獻第五章　簡單試驗設(shè)計5.1　試驗設(shè)計的基本概念5.2　單因素試驗設(shè)計5.2.1　完全隨機化試驗5.2.2　隨機的分塊試驗設(shè)計5.2.3　拉丁方試驗設(shè)計5.3　多因素試驗設(shè)計5.3.1　全面試驗法5.3.2　單因素輪換法5.3.3　采用單因素輪換法確定板帶面內(nèi)彎曲的成形極限參考文獻第六章　正交試驗設(shè)計6.1　正交試驗設(shè)計原理6.1.1　基本原理6.1.2　正交表的選用原則6.1.3　正交試驗設(shè)計所要解決的問題6.1.4　正交試驗設(shè)計的步驟6.2　正交試驗的直觀分析6.2.1　單指標(biāo)正交試驗設(shè)計的直觀分析6.2.2　多指標(biāo)試驗設(shè)計的直觀分析6.2.3　水平不同的正交試驗設(shè)計的直觀分析6.2.4　有交互作用的正交試驗設(shè)計的直觀分析6.3　正交試驗設(shè)計的方差分析6.3.1　正交表上的偏差平方和分解6.3.2　正交試驗方差分析的基本任務(wù)和方法6.3.3　正交試驗設(shè)計方差分析的應(yīng)用參考文獻第七章　回歸正交試驗設(shè)計7.1　一次回歸正交試驗設(shè)計7.1.1　因素水平編碼7.1.2　選擇正交表7.1.3　回歸系數(shù)的計算7.1.4　回歸方程和回歸系數(shù)的顯著性檢驗7.1.5　回代求原回歸方程7.2　二次回歸正交試驗7.2.1　安排試驗計劃的組合設(shè)計法7.2.2　二變量試驗組合設(shè)計7.2.3　三變量試驗組合設(shè)計7.2.4　二次回歸正交試驗的計算步驟與檢驗7.3　回歸正交試驗設(shè)計的應(yīng)用7.3.1　硬質(zhì)合金磨刀片切削力公式的建立7.3.2　線管環(huán)焊接工藝與CTOD之間回歸方程的建立7.3.3　酚醛樹脂增韌工藝優(yōu)化參考文獻第八章　均勻試驗設(shè)計8.1　概述8.1.1　均勻性8.1.2　均勻試驗設(shè)計的優(yōu)點8.2　均勻設(shè)計表和使用表8.2.1　均勻設(shè)計表與使用表8.2.2　均勻設(shè)計表的特點8.3　均勻試驗設(shè)計8.3.1　均勻試驗方案設(shè)計8.3.2　試驗結(jié)果的計算與分析8.3.3　均勻試驗設(shè)計的步驟8.4　均勻試驗設(shè)計的應(yīng)用8.5　基于試驗設(shè)計的直接建模方法的其他應(yīng)用參考文獻第九章　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)9.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本組成9.1.1　基本組成9.1.2　神經(jīng)元模型9.1.3　傳遞函數(shù)的類型9.1.4　神經(jīng)元的信息處理過程和特點9.2　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作方式、分類及特點9.2.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作方式9.2.2　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)9.2.3　有代表性的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)9.2.4　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特點9.3　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)方法9.4　誤差反向傳播（BP）網(wǎng)絡(luò)9.4.1　BP訓(xùn)練算法的導(dǎo)出9.4.2　BP訓(xùn)練算法的實現(xiàn)步驟9.4.3　BP網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中存在的問題9.4.4　應(yīng)用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)注意的問題9.5　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在材料及其加工過程中的應(yīng)用9.5.1　概述9.5.2　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實驗建模方法在材料加工過程中的應(yīng)用9.5.3　BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用舉例9.6　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)展望9.6.1　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的局限性9.6.2　發(fā)展人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的良好機遇9.6.3　前景參考文獻第十章　實驗建模方法在材料加工過程中的綜合應(yīng)用10.1　鈦合金熱變形材料本構(gòu)模型研究10.1.1　建模方法的選擇及建模思路10.1.2　材料熱變形過程本構(gòu)模型的分類10.1.3　材料熱變形本構(gòu)模型的研究現(xiàn)狀10.1.4　材料熱變形本構(gòu)模型的實驗方案與實施10.1.5　應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析10.1.6　基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的鈦合金本構(gòu)模型的建立10.1.7　基于逐步回歸法的TA15鈦合金本構(gòu)模型的建立10.1.8　基于逐步回歸法的TC11鈦合金本構(gòu)模型的建立10.2　大口徑薄壁管材塑性本構(gòu)參數(shù)的確定10.2.1　建模方法的提出及實現(xiàn)流程10.2.2　雙向應(yīng)力狀態(tài)的拉伸試樣尺寸確定10.2.3　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的本構(gòu)參數(shù)識別方法10.2.4　管材本構(gòu)關(guān)系對數(shù)控彎管成形質(zhì)量的影響10.3　不均勻壓下面內(nèi)彎曲半徑預(yù)測模型研究10.3.1　實驗結(jié)果的評價指標(biāo)10.3.2　正交表的選用10.3.3　各因素的水平選取10.3.4　實驗結(jié)果與分析10.3.5　面內(nèi)彎曲半徑回歸方程的確定及應(yīng)用參考文獻附錄附錄1　優(yōu)化與梯度下降法簡介附錄2　相關(guān)系數(shù)檢驗表附錄3　正態(tài)分布函數(shù)數(shù)值表附錄4　t檢驗的臨界值表附錄5　F檢驗的臨界值表附錄6　常用正交試驗表附錄7　常用均勻設(shè)計表附錄8　正交多項式表附錄9　隨機數(shù)表1附錄10　隨機數(shù)表2

章節(jié)摘錄

　　第一章 緒論　　材料、能源和信息構(gòu)成了人類現(xiàn)代文明的三大支柱Ⅲ。材料科學(xué)與技術(shù)已成為當(dāng)代高科技發(fā)展的先導(dǎo)，又是其中的重要組成部分。材料加工過程是材料實現(xiàn)應(yīng)用的前提，材料加工技術(shù)不但是先進制造技術(shù)的重要組成部分，而且是推動科技進步、國防現(xiàn)代化以及經(jīng)濟和社會發(fā)展的必要條件?！　?.1 材料加工過程及其復(fù)雜性　　1.1.1 材料及其加工過程　　材料是可以直接制造成產(chǎn)品的物質(zhì)，是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料和我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，它的使用與發(fā)展一直是標(biāo)志人類進步的里程碑。材料是工業(yè)革命的先導(dǎo)，并與能源、信息構(gòu)成了人類現(xiàn)代文明的三大支柱，它的發(fā)展與進步在一定程度上標(biāo)志和影響著國家和國防的綜合實力。材料領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)本身為社會創(chuàng)造著豐富的物質(zhì)財富，并為人們提供了大量的就業(yè)機會，同時又與國民經(jīng)濟的幾乎所有其他支柱產(chǎn)業(yè)及各種社會需求之間有著密切的關(guān)聯(lián)。　　新材料和先進材料的研究與開發(fā)始終是高科技開發(fā)乃至國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)。歷史上的每一次工業(yè)變革，無不受到新材料和先進材料的影響。甚至如果哪個國家掌握了新材料和先進材料的開發(fā)和生產(chǎn)技術(shù)，則這個國家就能夠真正站立在世界高科技的前沿。當(dāng)前，材料的高性能化、先進材料的制備與加工成形技術(shù)、材料環(huán)境的行為與失效、材料的計算設(shè)計及模擬仿真，已成為材料科學(xué)自身發(fā)展的重大科學(xué)問題，也是國家中長期材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略重點中“擇需、擇重、擇優(yōu)”支持的重要研究方向。材料學(xué)與數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)、現(xiàn)代控制理論、信息科學(xué)及計算機科學(xué)等的交叉、融合和優(yōu)勢互補是新材料學(xué)和先進材料學(xué)發(fā)展的必由之路。

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