CN111968220B - 一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法 - Google Patents

一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，包括以下步骤：S1：建立真空烧结炉三维模型，并在真空烧结炉三维模型中进行数值仿真采集数据；S2：建立真空烧结炉的评价指标；S3：基于真空烧结炉三维模型，采用响应曲面法设计结构参数优化试验，计算评价指标；S4：根据计算得到的评价指标，建立结构参数优化的回归模型；S5：对回归模型进行方差分析，得到方差分析结果；S6：对回归模型进行回归分析，得到回归分析结果；S7：根据方差分析和回归分析的结果确定优化的真空烧结炉结构参数。本发明提供一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，解决了目前我国的真空烧结炉热效率水平不够高的问题。

Description

一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法
技术领域
本发明涉及结构参数优化技术领域，更具体的，涉及一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法。
背景技术
真空烧结炉是粉末冶金行业中不可缺少的设备之一，属于工业炉中的一种高能耗设备。在真空烧结炉的工作过程中，金属粉末颗粒在高温下扩散形成烧结颈从而连接金属颗粒使粒子间的空隙减少，让零件获得较高的力学强度。为了保证这一现象的正常发生，需要在真空烧结炉工作时中充入具有还原性的气氛，将颗粒表面的的氧化层进行还原，同时保证其他烧结材料的表面不被氧化。我国有着大量的真空烧结炉制造企业，满足了粉末冶金产业的烧结炉需求，同时因为激烈的价格竞争，使得国内的真空烧结炉价格和进口设备对比有着明显的优势，但是气氛和温度的控制技术，尤其是能耗方面存在很大差距，国际上的真空烧结炉的热效率水平达到了60％，而我国的真空烧结炉热效率水平不到35％。
目前我国对于真空烧结炉的研究大部分集中于炉内温度场的研究或者烧结炉的温控系统研究，而缺少对节能降耗的研究，导致我国的真空烧结炉热效率水平不够高。
现有技术中，还没有结合响应曲面法对烧结炉结构参数进行优化的方案，如2015年5月13日授权的中国专利，一种基于响应曲面分析的声屏障优化设计方法，公告号为CN102663199B，采用响应曲面分析优化声屏障设计参数，有效控制声屏障的降噪效果和工程造价，但不能直接用于优化真空烧结炉结构参数。
发明内容
本发明为克服目前我国的真空烧结炉热效率水平不够高的技术缺陷，提供一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，包括以下步骤：
S1：建立真空烧结炉三维模型，并在真空烧结炉三维模型中进行数值仿真采集数据；
S2：建立真空烧结炉的评价指标，包括炉最大能效指标和工件温度均匀性指标；
S3：基于真空烧结炉三维模型，采用响应曲面法设计结构参数优化试验，计算评价指标；
S4：根据计算得到的评价指标，建立结构参数优化的回归模型；
S5：对回归模型进行方差分析，得到方差分析结果；
S6：对回归模型进行回归分析，得到回归分析结果；
S7：根据方差分析和回归分析的结果确定最终优化结果，最终优化结果即为优化的真空烧结炉结构参数；
真空烧结炉三维模型包括真空烧结炉本体、工件和加热体；采集的数据包括工件从常温至最终保温阶段过程中所吸收的热量Qg，真空烧结炉三维模型中电源输入的功率P，真空烧结炉三维模型中电源输入的电能Qq，工件的比热容cg，工件的密度ρg，加热时间t5，工件整体的平均温度
Figure GDA0004227590590000023
工件的初始温度T0，工件温度的标准差σ，工件上所取温度点的数量N，工件上第i个点的温度Ti；
在步骤S3中，设计L次不同加热体结构下的两因素多水平的试验；其中，每次试验均有M个试验组，两因素分别为真空烧结炉三维模型内部前后加热体距炉内壁距离参数d1和左右加热体距炉内部距离参数d2，响应值为炉最大能效指标和工件温度均匀性指标，且各因素在不同加热体结构下的取值相等；
其中L的取值范围为：4≤L≤8；M的取值范围为：20≤M≤30；
采用炉最大效能比值η来评价炉最大能效指标：
Figure GDA0004227590590000021
采用工件温度变异性系数ε来评价工件温度均匀性指标：
Figure GDA0004227590590000022
优选的，在步骤S3中，具体包括以下步骤：
S3.1：在真空烧结炉三维模型中，修改加热体的结构组成和其在真空烧结炉本体内的位置参数，并去除工件，形成真空烧结炉的空炉三维模型；
S3.2：对空炉三维模型进行有效加热空间的测定，得到有效加工空间Vgmax；
S3.3：在空炉三维模型的中心添置工件，形成含工件的真空烧结炉三维模型；
S3.4：求解含工件的真空烧结炉三维模型的炉最大能效指标和工件温度均匀性指标；
S3.5：重复步骤S3.1至步骤S3.4，直到完成L次不同加热体结构下的两因素多水平的试验。
进一步地，在步骤S3.3中，工件为六面体的氮化硅工件。
优选的，结构参数优化的回归模型包括：加热体在真空烧结炉本体内的位置参数与炉最大能效指标的多元二次回归模型和加热体在真空烧结炉本体内的位置参数与工件温度均匀性指标的多元二次回归模型。
进一步地，在步骤S5中，方差分析包括P值分析和复相关系数R2分析，分别得到显著性分析结果和可信度分析结果。
更进一步地，在步骤S6中，回归分析包括残差正态分布图分析和预测值与实验值对比图分析，得到准确性分析结果。
优选的，根据方差分析和回归分析的结果选取炉最大能效指标最高的结构参数作为最终优化结果，得到优化的真空烧结炉结构参数。
附图说明
图1为本发明的技术方案实施步骤流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，包括以下步骤：
S1：建立真空烧结炉三维模型，并在真空烧结炉三维模型中进行数值仿真采集数据；
S2：建立真空烧结炉的评价指标，包括炉最大能效指标和工件温度均匀性指标；
S3：基于真空烧结炉三维模型，采用响应曲面法设计结构参数优化试验，计算评价指标；
S4：根据计算得到的评价指标，建立结构参数优化的回归模型；
S5：对回归模型进行方差分析，得到方差分析结果；
S6：对回归模型进行回归分析，得到回归分析结果；
S7：根据方差分析和回归分析的结果确定最终优化结果，最终优化结果即为优化的真空烧结炉结构参数；
真空烧结炉三维模型包括真空烧结炉本体、工件和加热体；采集的数据包括工件从常温至最终保温阶段过程中所吸收的热量Qg，真空烧结炉三维模型中电源输入的功率P，真空烧结炉三维模型中电源输入的电能Qq，工件的比热容cg，工件的密度ρg，加热时间t5，工件整体的平均温度
Figure GDA0004227590590000041
工件的初始温度T0，工件温度的标准差σ，工件上所取温度点的数量N，工件上第i个点的温度Ti；
更具体的，在步骤S3中，设计四次不同加热体结构下的两因素多水平的试验；其中，每次试验均有25个试验组，两因素分别为真空烧结炉三维模型内部前后加热体距炉内壁距离参数d1和左右加热体距炉内部距离参数d2，响应值为炉最大能效指标和工件温度均匀性指标，且各因素在不同加热体结构下的取值相等。
采用炉最大效能比值η来评价炉最大能效指标：
Figure GDA0004227590590000042
采用工件温度变异性系数ε来评价工件温度均匀性指标：
Figure GDA0004227590590000043
在实施过程中，采用ANSYS软件对真空烧结炉进行仿真建模，建立真空烧结炉三维模型和评价指标，并设计基于响应曲面法的结构参数优化试验，得到结构参数优化的回归模型，然后通过对回归模型进行方差分析和回归分析，从而确定最终优化结果，得到优化的真空烧结炉结构参数，提高了真空烧结炉的热效率，实现了节能降耗。
在实施过程中，结合传热学知识建立真空烧结炉三维模型并采集数据，且对于真空烧结炉三维模型的传热方式只考虑内部热传导和辐射换热，不考虑热对流的影响。在实施过程中，采用Design-Expert软件基于响应曲面法设计四次不同加热体结构组成下加热体位置参数与炉最大能效指标和工件温度均匀性指标的多目标优化模型进行试验，每次均有25个试验组。
更具体的，在步骤S3中，具体包括以下步骤：
S3.1：在真空烧结炉三维模型中，修改加热体的结构组成和其在真空烧结炉本体内的位置参数，并去除工件，形成真空烧结炉的空炉三维模型；
S3.2：对空炉三维模型进行有效加热空间的测定，得到有效加工空间Vgmax；
S3.3：在空炉三维模型的中心添置工件，形成含工件的真空烧结炉三维模型；
S3.4：求解含工件的真空烧结炉三维模型的炉最大能效指标和工件温度均匀性指标；
S3.5：重复步骤S3.1至步骤S3.4，直到完成L次不同加热体结构下的两因素多水平的试验。
在实施过程中，步骤S3.1至步骤S3.4为一次两因素多水平试验，通过修改加热体的结构组成和其在真空烧结炉本体内的位置参数，采用响应曲面法建立真空烧结炉结构参数与两项评价指标之间的函数模型，并对真空烧结炉最大能效指标和工件温度均匀性指标进行多目标优化求解，实现四次不同加热体结构下的两因素多水平的试验设计。
更具体的，在步骤S3.3中，工件为六面体的氮化硅工件。
在实施过程中，结合热平衡原理建立炉最大能效比指标和工件温度均匀性的质量指标。在初始结构参数不变的情况下，原始的氮化硅真空烧结炉的最大能效比值η＝11.165％。
更具体的，结构参数优化的回归模型包括：加热体在真空烧结炉本体内的位置参数与炉最大能效指标的多元二次回归模型和加热体在真空烧结炉本体内的位置参数与工件温度均匀性指标的多元二次回归模型。
更具体的，在步骤S5中，方差分析包括P值分析和复相关系数R2分析，分别得到显著性分析结果和可信度分析结果。
更具体的，在步骤S6中，回归分析包括残差正态分布图分析和预测值与实验值对比图分析，得到准确性分析结果。
在实施过程中，若残差正态分布图中各点的位置分布越靠近图对角线，则该试验组别的残差值呈正态分布且响应面拟合的回归模型的准确性越高；若预测值与实验值的对比图中各点的位置分布越靠近图对角线，则该回归模型的准确性越高。
更具体的，根据方差分析和回归分析的结果选取炉最大能效指标最高的结构参数作为最终优化结果，得到优化的真空烧结炉结构参数。
在实施过程中，优化的真空烧结炉结构参数为：d1＝26mm、d2＝75mm、Vg max＝275mm*275mm*406mm，炉最大能效比值为η＝12.3105％，与原始的真空烧结炉的η＝11.165％相比，炉最大能效比值提高了10.26％，提高了真空烧结炉的热效率，实现了节能降耗。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：建立真空烧结炉三维模型，并在真空烧结炉三维模型中进行数值仿真采集数据；
S2：建立真空烧结炉的评价指标，包括炉最大能效指标和工件温度均匀性指标；
S3：基于真空烧结炉三维模型，采用响应曲面法设计结构参数优化试验，计算评价指标；
S4：根据计算得到的评价指标，建立结构参数优化的回归模型；
S5：对回归模型进行方差分析，得到方差分析结果；
S6：对回归模型进行回归分析，得到回归分析结果；
S7：根据方差分析和回归分析的结果确定最终优化结果，最终优化结果即为优化的真空烧结炉结构参数；
真空烧结炉三维模型包括真空烧结炉本体、工件和加热体；采集的数据包括工件从常温至最终保温阶段过程中所吸收的热量Qg，真空烧结炉三维模型中电源输入的功率P，真空烧结炉三维模型中电源输入的电能Qq，工件的比热容cg，工件的密度ρg，加热时间t5，工件整体的平均温度
Figure FDA0004227590580000011
工件的初始温度T0，工件温度的标准差σ，工件上所取温度点的数量N，工件上第i个点的温度Ti；
在步骤S3中，设计L次不同加热体结构下的两因素多水平的试验；其中，每次试验均有M个试验组，两因素分别为真空烧结炉三维模型内部前后加热体距炉内壁距离参数d1和左右加热体距炉内部距离参数d2，响应值为炉最大能效指标和工件温度均匀性指标，且各因素在不同加热体结构下的取值一致；
其中L的取值范围为：4≤L≤8；M的取值范围为：20≤M≤30；
采用炉最大效能比值η来评价炉最大能效指标：
Figure FDA0004227590580000012
采用工件温度变异性系数ε来评价工件温度均匀性指标：
Figure FDA0004227590580000021
2.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，在步骤S3中，具体包括以下步骤：
S3.1：在真空烧结炉三维模型中，修改加热体的结构组成和其在真空烧结炉本体内的位置参数，并去除工件，形成真空烧结炉的空炉三维模型；
S3.2：对空炉三维模型进行有效加热空间的测定，得到有效加工空间Vgmax；
S3.3：在空炉三维模型的中心添置工件，形成含工件的真空烧结炉三维模型；
S3.4：求解含工件的真空烧结炉三维模型的炉最大能效指标和工件温度均匀性指标；
S3.5：重复步骤S3.1至步骤S3.4，直到完成L次不同加热体结构下的两因素多水平的试验。
3.根据权利要求2所述的一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，在步骤S3.3中，工件为六面体的氮化硅工件。
4.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，结构参数优化的回归模型包括：加热体在真空烧结炉本体内的位置参数与炉最大能效指标的多元二次回归模型和加热体在真空烧结炉本体内的位置参数与工件温度均匀性指标的多元二次回归模型。
5.根据权利要求4所述的一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，在步骤S5中，方差分析包括P值分析和复相关系数R2分析，分别得到显著性分析结果和可信度分析结果。
6.根据权利要求4所述的一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，在步骤S6中，回归分析包括残差正态分布图分析和预测值与实验值对比图分析，得到准确性分析结果。
7.根据权利要求1所述的一种基于响应曲面法的真空烧结炉结构参数优化方法，其特征在于，根据方差分析和回归分析的结果选取炉最大能效指标最高的结构参数作为最终优化结果，得到优化的真空烧结炉结构参数。
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