基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法及系统与流程

1.本发明属于电磁装备制造技术领域，尤其是涉及一种基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法及系统。


背景技术：

2.电磁能装备是在较短时间内通过能量的存储、功率放大和调控，将电能变换为瞬时动能、热能或辐射能的装备。常见的电磁能装备有电磁炮、固体激光器、高功率微波等。以电磁炮为例，它的发射原理是通过系统产生的电磁力来获取超越传统水平的动能，其极快的发射速度、安全性和经济性让大家意识到电磁能装备有着诸多潜在可能性，也使其成为目前研究的热门领域之一。电枢作为电磁能装备的重要组件之一，在能量转换上面起着关键作用。传统电磁发射中电流在通过电枢时，会产生较为明显的集肤效应和邻近效应，导致材料强度发生变化并且应力分布不均匀从而影响发射效果；而电阻率和电流大小成反比，实际上需要控制电阻率和电流相差较小等问题。目前具有梯度特性的材料在航空航工程、核工程、电子工程等方面均有广泛应用，所以为了满足设备在一些极限环境下可以正常工作的需求，以材料调控为基础对电磁能装备研发变革和制造是值得关注的问题。
3.经过对现有技术检索发现，专利文献号cn102181856利用冷喷涂技术在基体表面喷涂几种不同属性的材料，可以实现复合材料厚度的调节控制，从而得到的材料孔隙率低，结合强度高，工艺流程对环境也不存在污染。但是该技术适用范围较小，只是针对复合材料的厚度进行调控，无法达到材料某些特性梯度变化的目的，并不适用于如今对材料特性要求较为严苛的大环境下。
4.专利cn104240974中通过将铜块、铝块、钛块按照电磁发射轨道接触面积和导电率大小进行排列组合实现了导电率梯度变化，是在结构优化方面上的材料调控。但是该方法只适用在一些简单结构上的金属材料。若电枢材料发生变化，或者所需设计的电枢结构较为复杂时，该方法难以制造出所需的结构。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明旨在提出一种基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法及系统，以解决材料特殊结构的制造问题，并根据在一些极限工况下材料结构要实现梯度特性的需求，利用数值仿真软件分析材料在一些电磁、力、热模块中的特征，从而对设计材料选取上迭代优化，最终设计出可调控梯度特性的材料结构。
6.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
7.一方面，本发明提供了一种基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法，包括如下步骤：
8.s1、分析所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态，选取对应类型的电枢结构；
9.s2、确定材料调控方向并设定电枢结构参数；
10.s3、利用仿真工具对设定的参数进行模拟仿真，分析模拟仿真结果，优化电枢结构参数，重复执行步骤s2、s3；
11.s4、增材制造梯度特性的电枢结构。
12.进一步的，步骤s1中电枢结构包括v形、u形、c形、马鞍形电枢结构；
13.选好电枢结构后，需要在此结构上进行设计制造以实现电枢导电率的梯度特性。
14.进一步的，所述步骤s2中，根据所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态确定材料调控方向,根据材料调控方向设定电枢结构参数；
15.材料调控方向包括材料改性和结构优化；
16.材料改性是通过对原有材料进行改性，得到具有空间非均匀参数分布特性的材料；
17.结构优化是通过计算设计不同参数材料组合的结构来实现不同梯度特性。
18.进一步的，步骤s3中，将步骤s2中设定的电枢结构参数输入到仿真软件中，同时输入实际应用的各项条件，进行仿真，基于仿真结果对设计的电枢结构参数进行优化，根据得到的仿真结果来对电枢结构参数进行迭代优化，不断步骤s2、s3，在结果数据符合预设期望时，开始执行步骤s4的增材制造。
19.进一步的，步骤s4中，增材制造梯度特性的电枢结构的方法包括冷喷涂方法；
20.冷喷涂的具体方法如下：
21.首先将准备好的材料粉放入储存罐中，在特定的软件中调入打印零件的3d模型数据，对模型进行分层切片处理；
22.在基体表面进行冷喷涂前，利用激光预先处理基体表面来增加基体的表面粗糙度，增强后续涂层与基体的结合强度；
23.设置喷头设备的压力值、喷头距离基体表面距离、气体加热装置温度、且在送粉过程中要保证颗粒速度＞临界速度；
24.启动冷喷涂设备在基体表面喷涂第一类喷涂材料粉末，单道次沉积；根据模型在软件中切片处理得到的数据，随后依次进行第二、第三类喷涂材料粉末的喷涂，设置相应的喷涂速度，喷涂中每打印完一层，喷头和材料的距离需要拉开一个层距，确保整个打印过程中喷涂距离保持不变；
25.打印完成后，根据实际制造的情况需要可继续采取热处理工艺来调节材料的塑性与强度，最后通过精加工处理，实现材料的高精度尺寸目的，最终得到的电枢可以实现预期的电导率梯度变化，并应用到所须的实际环境中。
26.另一方面，本发明提供了一种基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造系统，包括：
27.分析模块，用于分析所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态；
28.选取模块，根据分析模块的分析结果选取对应类型的电枢结构；
29.材料调控模块，根据所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态，通过对原有材料进行改性，得到具有空间非均匀参数分布特性的材料，以及通过计算设计不同参数材料组合的结构来实现不同梯度特性；
30.仿真工具，根据电枢结构设定模块输出的相关参数，进行模拟仿真；
31.仿真结果分析模块，用于分析模拟仿真结果，优化电枢结构设计参数；
32.增材制造模块，当仿真结果数据符合预设期望时，进行增材制造。
33.相对于现有技术，本发明所述的基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法及系统具有以下优势：
34.1、利用基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法极大缩减工艺的制备周期，可满足设备在特殊工况下的应用需求，基体选择上有更大的选择范围，在结构设计上增材制造比传统制造上具有更多选择性，可以考虑一些特殊的结构制造。
35.2.依据材料调控思想制备不同梯度特性的材料结构，可以更加符合实际的应用环境，有效避免实际运行过程中的一些误差。
36.3.将仿真软件模拟设计和实际材料制造结合，可以更好的保证工艺制造的完整性和材料调控的可靠性，同时还可以配合增材制造技术进行新装备结构的设计模拟和制造。
附图说明
37.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
38.图1为本发明实施例所述的仿真结果示意图。
具体实施方式
39.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
40.下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
41.本实施例提供了一种基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造方法，包括如下步骤：
42.s1、分析所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态，选取对应类型的电枢结构；
43.s2、确定材料调控方向并设定电枢结构参数；
44.s3、利用仿真工具对设定的参数进行模拟仿真，分析模拟仿真结果，优化电枢结构参数，重复执行步骤s2、s3；
45.s4、增材制造梯度特性的电枢结构。
46.步骤s1中电枢结构包括v形、u形、c形、马鞍形电枢结构；
47.选好电枢结构后，需要在此结构上进行设计制造以实现电枢导电率的梯度特性。
48.所述步骤s2中，根据所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态确定材料调控方向和设定电枢结构参数；
49.确定材料调控方向后进行材料改性，通过对原有材料进行改性，得到具有空间非均匀参数分布特性的材料，用于后续的增材制造；
50.设定电枢结构参数是通过计算设计不同参数材料组合的结构来实现不同梯度特性。
51.步骤s3中，将步骤s2中设定的电枢结构参数输入到仿真软件中，同时输入实际应用的各项条件，进行仿真，基于仿真结果对设计的电枢结构参数进行优化，根据得到的仿真
结果来对电枢结构参数进行迭代优化，不断步骤s2、s3，在结果数据符合预设期望时，开始执行步骤s4的增材制造。
52.步骤s4中，增材制造梯度特性的电枢结构的方法包括冷喷涂方法；
53.冷喷涂的具体方法如下：
54.首先将准备好的材料粉放入储存罐中，在特定的软件中调入打印零件的3d模型数据，对模型进行分层切片处理；
55.在基体表面进行冷喷涂前，利用激光预先处理基体表面来增加基体的表面粗糙度，增强后续涂层与基体的结合强度；
56.设置喷头设备的压力值、喷头距离基体表面距离、气体加热装置温度、且在送粉过程中要保证颗粒速度＞临界速度；
57.启动冷喷涂设备在基体表面喷涂第一类喷涂材料粉末，单道次沉积；根据模型在软件中切片处理得到的数据，随后依次进行第二、第三类喷涂材料粉末的喷涂，设置相应的喷涂速度，喷涂中每打印完一层，喷头和材料的距离需要拉开一个层距，确保整个打印过程中喷涂距离保持不变；
58.打印完成后，根据实际制造的情况需要可继续采取热处理工艺来调节材料的塑性与强度，最后通过精加工处理，实现材料的高精度尺寸目的，最终得到的电枢可以实现预期的电导率梯度变化，并应用到所须的实际环境中。
59.下面以电磁发射中的电枢制造为例进一步说明本发明，具体包括以下步骤：
60.1.根据所需制造的结构在系统中所受应力状态等选取合适的电枢结构。(常见的有v形电枢、u形电枢、c形电枢、马鞍形电枢)。
61.2.确定材料调控方向并设定电枢结构参数(选取梯度特性材料的制备方法，对结构参数进行初步设定)。
62.3.采用仿真软件对设定参数进行模拟仿真，分析结果对参数设计改进，重复2、3步骤。
63.4.增材制造梯度特性的电枢结构(根据材料的特性选取激光烧结、冷喷涂或热喷涂等工艺来进行金属材料的增材制造)。
64.步骤一中根据电磁炮中电枢的受力状态分析及实际应用条件上分析，本专利中电枢的制造选取c型电枢结构，并在此结构上进行设计制造来实现电枢导电率的梯度特性。
65.步骤二中在不同梯度特性材料的制备制造上有两种方法，
66.第一种是通过对原有材料进行改性为主，得到具有空间非均匀参数分布特性的材料；
67.第二种是以结构优化为主，通过计算设计不同参数材料组合的结构来实现不同梯度特性。
68.材料改性即通过一些物理工艺，如加热、冷却、离子轰击等，或者用一些化学处理方式来改变材料的特性。这些工艺可以影响电子在材料中的流动，并提高相应性能和功率。或者基于一些物理现象例如光、声、电以及辐射等方法对材料进行加工。例如当将材料暴露在磁场中，对磁场参数的设定可以实现改变材料的性质不限于磁化强度、机械强度、电阻率等。
69.考虑到本专利电枢制造中存在材料内部应力分布问题和电磁能装备的使用环境，
以及金属材料的改性处理可能会使电导率发生变化，不易实现材料调控。本专利采用利用不同特性参数材料的特定组合来完成其电导率的梯度变化。
70.选取铜、铝及其合金作为实现电导率特性梯度变化的材料，因为掺杂金属会造成电导率发生很大变化，不易控制金属的电导率。其中铜块、铝块、铜铝合金和电磁轨道的接触面积初步定为1：1.8：1.2。
71.对电枢结构的长、宽、高设定对应的l、w、h，c形电枢的前后端圆弧半径r1,r2，圆弧和最外边的高度l1、l2。
72.步骤三将设定好的长l、宽w、高h，前端和后端圆弧的半径r1,r2等参数数据输入专门设计的仿真软件中。同时输入电磁发射中的各项条件，如电流幅值、电流密度等来进行电磁场仿真，通过对仿真结果的分析来对设计参数进行改善。根据得到的数据结果来对参数进行迭代优化，不断重复步骤二和步骤三，在结果数据符合预设期望时，开始材料的增材制造。
73.更多的，除了对电导率梯度特性的分析，还可利用仿真软件在其他梯度特性下进行模拟仿真，分析其磁通密度、电流分布密度、力分布、温度分布等因素。
74.步骤四本专利中电枢的增材制造选取冷喷涂方法。
75.本发明由于电枢选取的材料为铜、铝及其合金，其中铜和铝热导率过高，其激光反射率非常高，不易采用激光熔积类的方法，所以选取冷喷涂的方法来进行增材制造。铜和铝具有良好的塑性变形能力，可以增强材料的沉积效果，而冷喷涂增材的颗粒极小，可以获得比现有高能束增材制造更好的力学性能，且冷喷涂增材制造效率很高，打印周期快，制造温度低从而金属不会氧化，不需要保护气氛。冷喷涂过程克服了基体工件的高温变形，基体选择范围更广，在金属、塑料、陶瓷等基体上都可以形成防腐涂层。
76.首先将准备好的铜粉、铝粉及其合金粉放入储存罐中，在特定的软件中调入打印零件的3d模型数据，对模型进行分层切片处理，方便后续进行冷喷涂处理。
77.在基体表面进行冷喷涂前，利用激光预先处理基体表面来增加基体的表面粗糙度，增强后续涂层与基体的结合强度。
78.设置喷头设备的压力值为1.2mpa，喷头距离基体表面距离为20mm，气体加热装置温度设置300℃，送粉过程中要保证颗粒速度＞临界速度。
79.启动冷喷涂设备在基体表面喷涂第一类喷涂金属粉末，单道次沉积。根据模型在软件中切片处理得到的数据，随后依次进行第二、第三类喷涂金属粉末的喷涂，喷涂速度为20mm/s。喷涂中每打印完一层，喷头和材料的距离需要拉开一个层距，确保整个打印过程中喷涂距离保持不变。
80.打印完成后，根据实际制造的情况需要可以继续采取热处理工艺来调节材料的塑性与强度，最后通过精加工处理，实现材料的高精度尺寸目的，最终得到的电枢可以实现预期的电导率梯度变化，并应用到所须的实际环境中。
81.综上，结构优化完成后的增材制造材料可以实现如电导率的梯度变化，当电流通过电枢整个结构时，可以得到电导率由大变小的梯度趋势，有效解决了实际工况中的电流通过电枢时材料内部应力分布不均匀等问题，达到了电流再分配的目标，其梯度特性还亦可拓展到其他方向的实施与应用。增材制造的方法也可以更好的在其他电磁能装备中实现材料调控，从而在各种极限、复杂工况中达到预期的效果。
82.本实施例提供了一种基于材料调控的电磁能装备设计与增材制造系统，包括：
83.分析模块，用于分析所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态；
84.选取模块，根据分析模块的分析结果选取对应类型的电枢结构；
85.材料改性模块，根据所需制造的电枢结构的实际应用条件及所在系统中所受应力状态，通过对原有材料进行改性，得到具有空间非均匀参数分布特性的材料；
86.电枢结构设定模块，通过计算设计不同参数材料组合的结构来实现不同梯度特性；
87.仿真工具，根据电枢结构设定模块输出的相关参数，进行模拟仿真；
88.仿真结果分析模块，用于分析模拟仿真结果，优化电枢结构设计参数；
89.增材制造模块，当仿真结果数据符合预设期望时，进行增材制造。
90.本实施例中的各个模块能够采用实现上述功能的硬件或软件。
91.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
92.在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。上述单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本发明实施例方案的目的。
93.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
94.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。