兵工学报 ›› 2023, Vol. 44 ›› Issue (5): 1339-1349.doi: 10.12382/bgxb.2022.0086
陶磊1, 刘检华1,2, 夏焕雄1,2,*(), 敖晓辉1,2, 高丰1
收稿日期:
2022-02-15
上线日期:
2022-06-21
通讯作者:
基金资助:
TAO Lei1, LIU Jianhua1,2, XIA Huanxiong1,2,*(), AO Xiaohui1,2, GAO Feng1
Received:
2022-02-15
Online:
2022-06-21
摘要:
熔铸装药过程中模具内部温度场分布及其变化规律对装药质量具有重要影响。建立基于B样条神经网络的水/油浴熔铸装药工艺瞬态温度场预测模型,通过数值仿真的正交试验,获得不同工艺条件下熔铸装药温度场演变的数据样本;利用B样条神经网络对数据样本进行训练,得到水/油浴工艺的温控参数与药柱内部温度场之间的关系模型,实现温度场及其凝固前沿演变的快速准确预测。所得成果为熔铸装药的温控参数优化和在线控制提供了高效预测方法,为解决熔铸装药智能化发展中的物理场预测问题提供了方法的借鉴。
陶磊, 刘检华, 夏焕雄, 敖晓辉, 高丰. 基于B样条神经网络的熔铸装药温度场预测[J]. 兵工学报, 2023, 44(5): 1339-1349.
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项目 | 炸药 | 模具 | 冒口 |
---|---|---|---|
材料 | DNAN基炸药 | Steel | 铝合金 |
导热系数λ/ (W·m-1K-1) | 0.72(20℃) | 50 | 176 |
0.70(65℃) | |||
0.64(110℃) | |||
密度ρ/(kg·m-3) | 1858(20℃) | 7940 | 2700 |
1810(65℃) | |||
1700(110℃) | |||
比热容cp/(J·kg-1K-1) | 1130(20℃) | 450 | 900 |
1320(65℃) | |||
1450(110℃) | |||
固相线温度Tsol/℃ | 85 | ||
液相线温度Tliq/℃ | 90 | ||
浇注温度Tj/℃ | 100 | ||
与外界的换热系数h1/ (W·m-2K-1) | 20 | 300 | 200 |
与炸药的换热系数h2/ (W·m-2K-1) | 200 | 100 | |
环境温度/℃ | T0 |
表1 炸药、模具和冒口的材料物性参数
Table 1 Material properties of the explosive, mold and riser
项目 | 炸药 | 模具 | 冒口 |
---|---|---|---|
材料 | DNAN基炸药 | Steel | 铝合金 |
导热系数λ/ (W·m-1K-1) | 0.72(20℃) | 50 | 176 |
0.70(65℃) | |||
0.64(110℃) | |||
密度ρ/(kg·m-3) | 1858(20℃) | 7940 | 2700 |
1810(65℃) | |||
1700(110℃) | |||
比热容cp/(J·kg-1K-1) | 1130(20℃) | 450 | 900 |
1320(65℃) | |||
1450(110℃) | |||
固相线温度Tsol/℃ | 85 | ||
液相线温度Tliq/℃ | 90 | ||
浇注温度Tj/℃ | 100 | ||
与外界的换热系数h1/ (W·m-2K-1) | 20 | 300 | 200 |
与炸药的换热系数h2/ (W·m-2K-1) | 200 | 100 | |
环境温度/℃ | T0 |
试验 组 | 水浴初始 温度 T10/℃ | 水浴降温 速率v1/ (℃·min-1) | 油浴初始 温度 T20/℃ | 油浴保温 时间 t2/h | 油浴降温 速率v2/ (℃·min-1) |
---|---|---|---|---|---|
1 | 90 | 0.15 | 95 | 4 | 0.5 |
2 | 90 | 0.2 | 100 | 5 | 0.6 |
3 | 90 | 0.25 | 105 | 6 | 0.7 |
4 | 95 | 0.15 | 95 | 5 | 0.6 |
5 | 95 | 0.2 | 100 | 6 | 0.7 |
6 | 95 | 0.25 | 105 | 4 | 0.5 |
7 | 100 | 0.15 | 100 | 4 | 0.7 |
8 | 100 | 0.2 | 105 | 5 | 0.5 |
9 | 100 | 0.25 | 95 | 6 | 0.6 |
10 | 90 | 0.15 | 105 | 6 | 0.6 |
11 | 90 | 0.2 | 95 | 4 | 0.7 |
12 | 90 | 0.25 | 100 | 5 | 0.5 |
13 | 95 | 0.15 | 100 | 6 | 0.5 |
14 | 95 | 0.2 | 105 | 4 | 0.6 |
15 | 95 | 0.25 | 95 | 5 | 0.7 |
16 | 100 | 0.15 | 105 | 5 | 0.7 |
17 | 100 | 0.2 | 95 | 6 | 0.5 |
18 | 100 | 0.25 | 100 | 4 | 0.6 |
19 | 92 | 0.175 | 102.5 | 5.5 | 0.55 |
20 | 95 | 0.225 | 100 | 5 | 0.6 |
21 | 98 | 0.2 | 97.5 | 4.5 | 0.65 |
表2 数值仿真实验工艺参数
Table 2 Process parameters of the numerical tests
试验 组 | 水浴初始 温度 T10/℃ | 水浴降温 速率v1/ (℃·min-1) | 油浴初始 温度 T20/℃ | 油浴保温 时间 t2/h | 油浴降温 速率v2/ (℃·min-1) |
---|---|---|---|---|---|
1 | 90 | 0.15 | 95 | 4 | 0.5 |
2 | 90 | 0.2 | 100 | 5 | 0.6 |
3 | 90 | 0.25 | 105 | 6 | 0.7 |
4 | 95 | 0.15 | 95 | 5 | 0.6 |
5 | 95 | 0.2 | 100 | 6 | 0.7 |
6 | 95 | 0.25 | 105 | 4 | 0.5 |
7 | 100 | 0.15 | 100 | 4 | 0.7 |
8 | 100 | 0.2 | 105 | 5 | 0.5 |
9 | 100 | 0.25 | 95 | 6 | 0.6 |
10 | 90 | 0.15 | 105 | 6 | 0.6 |
11 | 90 | 0.2 | 95 | 4 | 0.7 |
12 | 90 | 0.25 | 100 | 5 | 0.5 |
13 | 95 | 0.15 | 100 | 6 | 0.5 |
14 | 95 | 0.2 | 105 | 4 | 0.6 |
15 | 95 | 0.25 | 95 | 5 | 0.7 |
16 | 100 | 0.15 | 105 | 5 | 0.7 |
17 | 100 | 0.2 | 95 | 6 | 0.5 |
18 | 100 | 0.25 | 100 | 4 | 0.6 |
19 | 92 | 0.175 | 102.5 | 5.5 | 0.55 |
20 | 95 | 0.225 | 100 | 5 | 0.6 |
21 | 98 | 0.2 | 97.5 | 4.5 | 0.65 |
图8 第1组仿真实验t=2000s时提取的二维温度场 Ω(1,2000)
Fig.8 Two-dimensional temperature field Ω(1,2000) extracted from the simulation at t=2000s using the first group parameters
图9 仿真实验与模型I预测的结果对比图(第1行是仿真实验的结果;第2行是B样条神经网络预测的结果;第3行是各时刻对应的预测误差分布)
Fig.9 Comparison of the temperature field and solidification front between the simulation and prediction model I (The first line: the result of the simulation experiment;the second line:the result of the B-spline neural network prediction; the third line: prediction error distribution at each timepoint)
测试组 | 参数 | 时间/s | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 6000 | 8000 | 10000 | 15000 | 25000 | ||
μ | 0.0778 | -0.0921 | 0.0279 | 0.0578 | 0.0410 | 0.0704 | |
19 | σ | 0.2202 | 0.4657 | 0.5285 | 0.3485 | 0.3903 | 0.3197 |
μabs | 0.1852 | 0.3434 | 0.3842 | 0.2260 | 0.2459 | 0.2070 | |
ΔTmax | 0.5171 | 1.4519 | 1.6954 | 1.3802 | 1.3620 | 1.2470 | |
μ | 0.1737 | -0.0025 | -0.0703 | -0.0063 | 0.0219 | -0.0286 | |
20 | σ | 0.2219 | 0.6407 | 0.4891 | 0.3089 | 0.4052 | 0.1813 |
μabs | 0.2505 | 0.4450 | 0.3360 | 0.2283 | 0.2699 | 0.1153 | |
ΔTmax | 0.5154 | 2.1489 | 2.6952 | 0.9250 | 1.5040 | 0.6326 | |
μ | -0.0060 | 0.0074 | 0.1287 | -0.0456 | 0.0008 | 0.0145 | |
21 | σ | 0.1800 | 0.3327 | 0.5125 | 0.3314 | 0.3535 | 0.1936 |
μabs | 0.1297 | 0.2368 | 0.3699 | 0.2586 | 0.2397 | 0.1574 | |
ΔTmax | 0.5051 | 1.1007 | 1.8330 | 1.2420 | 1.2572 | 0.5140 |
表3 模型Ⅰ预测误差的统计参数
Table 3 Statistical parameters of the prediction error of model I
测试组 | 参数 | 时间/s | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 6000 | 8000 | 10000 | 15000 | 25000 | ||
μ | 0.0778 | -0.0921 | 0.0279 | 0.0578 | 0.0410 | 0.0704 | |
19 | σ | 0.2202 | 0.4657 | 0.5285 | 0.3485 | 0.3903 | 0.3197 |
μabs | 0.1852 | 0.3434 | 0.3842 | 0.2260 | 0.2459 | 0.2070 | |
ΔTmax | 0.5171 | 1.4519 | 1.6954 | 1.3802 | 1.3620 | 1.2470 | |
μ | 0.1737 | -0.0025 | -0.0703 | -0.0063 | 0.0219 | -0.0286 | |
20 | σ | 0.2219 | 0.6407 | 0.4891 | 0.3089 | 0.4052 | 0.1813 |
μabs | 0.2505 | 0.4450 | 0.3360 | 0.2283 | 0.2699 | 0.1153 | |
ΔTmax | 0.5154 | 2.1489 | 2.6952 | 0.9250 | 1.5040 | 0.6326 | |
μ | -0.0060 | 0.0074 | 0.1287 | -0.0456 | 0.0008 | 0.0145 | |
21 | σ | 0.1800 | 0.3327 | 0.5125 | 0.3314 | 0.3535 | 0.1936 |
μabs | 0.1297 | 0.2368 | 0.3699 | 0.2586 | 0.2397 | 0.1574 | |
ΔTmax | 0.5051 | 1.1007 | 1.8330 | 1.2420 | 1.2572 | 0.5140 |
模型 | 参数 | 时间/s | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 6000 | 8000 | 10000 | 15000 | 25000 | ||
μ | -0.0668 | 0.1138 | -0.0747 | 0.1532 | 0.0005 | -0.0848 | |
Ⅱ | σ | 0.1112 | 0.3019 | 0.4439 | 0.2759 | 0.4379 | 0.0628 |
μabs | 0.1098 | 0.3297 | 0.3361 | 0.2622 | 0.2487 | 0.1055 | |
ΔTmax | 0.3417 | 0.9500 | 1.1668 | 0.9906 | 1.2190 | 0.1917 | |
μ | -0.1718 | 0.0822 | -0.1294 | -0.0128 | -0.1905 | 0.0347 | |
Ⅲ | σ | 0.1222 | 0.2595 | 0.5383 | 0.2204 | 0.2852 | 0.0576 |
μabs | 0.1839 | 0.1901 | 0.3508 | 0.1395 | 0.2267 | 0.0584 | |
ΔTmax | 0.3758 | 1.1207 | 1.5442 | 0.9042 | 1.1408 | 0.1251 |
表4 模型Ⅱ和Ⅲ预测误差的统计参数
Table 4 Statistical parameters of the prediction errors of model Ⅱ and model Ⅲ
模型 | 参数 | 时间/s | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1000 | 6000 | 8000 | 10000 | 15000 | 25000 | ||
μ | -0.0668 | 0.1138 | -0.0747 | 0.1532 | 0.0005 | -0.0848 | |
Ⅱ | σ | 0.1112 | 0.3019 | 0.4439 | 0.2759 | 0.4379 | 0.0628 |
μabs | 0.1098 | 0.3297 | 0.3361 | 0.2622 | 0.2487 | 0.1055 | |
ΔTmax | 0.3417 | 0.9500 | 1.1668 | 0.9906 | 1.2190 | 0.1917 | |
μ | -0.1718 | 0.0822 | -0.1294 | -0.0128 | -0.1905 | 0.0347 | |
Ⅲ | σ | 0.1222 | 0.2595 | 0.5383 | 0.2204 | 0.2852 | 0.0576 |
μabs | 0.1839 | 0.1901 | 0.3508 | 0.1395 | 0.2267 | 0.0584 | |
ΔTmax | 0.3758 | 1.1207 | 1.5442 | 0.9042 | 1.1408 | 0.1251 |
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