پیش بینی تنش جریان فلز در دمای بالای تبلور مجدد در نورد گرم فولاد

1–1. مقدمه   ………………………………………………………………………………………………………………….

1

1-2. تغییر شکل پلاستیک کریستال ……………………………………………………………………………..

3

1-3. فلزات و نابجايي­ها   …………………………………………………………………………………………………

5

1-4. بردار و مدار برگرز  ………………………………………………………………………………………………….

7

1-5. حرکت نابجایی­ها   ………………………………………………………………………………………………….

11

1-5-1. نابجایی­ها و لغزش  ……………………………………………………………………………………………..

11

1-6. مواد پلی کریستال   ………………………………………………………………………………………………..

13

1-6-1.مدل­های پلی­کریستال  ………………………………………………………………………………………

13

1-7. مرزدانه  ……………………………………………………………………………………………………………………

15

1-7-1. اثر مرزهای دانه بر خواص مکانیکی  ………………………………………………………………….

16

1-8. مواد نانو کریستال و مکانیزم­های تغییر شکل  ……………………………………………………….

17

1-8-1. انباشتگی نابجایی­ها   ………………………………………………………………………………………….

18

1-8-2. لغزش مرزدانه  …………………………………………………………………………………………………..

21

1-8-3. نفوذ   ………………………………………………………………………………………………………………….

22

1-9. تحولات ریز ساختار در فرآیند نورد گرم  ……………………………………………………………….

26

1-9-1. فرآیند بازیابی  ……………………………………………………………………………………………………

28

1-9-2. تبلور مجدد  ………………………………………………………………………………………………………..

29

1-9-2-1. تبلور مجدد استاتیکی  ………………………………………………………………………………….

31

عنوان                                                                                          

صفحه

1-9-2-2. تبلور مجدد دینامیکی  …………………………………………………………………………………..

1-9-2-3. تبلور مجدد متادینامیکی  …………………………………………………………………………….

33

35

1-10.  مدول یانگ و عوامل موثر بر آن …………………………………………………………………………

40

1-10-1. عوامل موثر بر مدول الاستیسیته………………………………………………………………………

1-11. پایان­نامه در یک نگاه  …………………………………………………………………………………………..

40

      41

2-1. مقدمه  …………………………………………………………………………………………………………………….

43

2-2. تاریخچه نورد  …………………………………………………………………………………………………………

43

2-3. مروری بر پژوهش­های انجام گرفته در زمینه نورد……………………………………………….

44

2-4. فرآیند اساسی نورد  ………………………………………………………………………………………………..

49

2-4-1. کار گرم  ……………………………………………………………………………………………………………..

49

2-4-2. مقایسه­ی کار گرم و کار سرد  ……………………………………………………………………………

51

2-5. تحلیل فرآیند نورد گرم  …………………………………………………………………………………………

51

2-5-1. نیروهای اصطکاکی نورد  ……………………………………………………………………………………

54

2-6. ماده­ی اولیه مورد استفاده در تحلیل فرآیند نورد گرم  ………………………………………….

55

2-6-1. تاثیر عناصر آلیاژی در فولادها  ………………………………………………………………………….

56

2-7. لزوم پیش­بینی تنش جریان در نورد…………………………………………………………………….

57

2-7-1. وابستگی تنش جریان به آهنگ کرنش  …………………………………………………………….

57

2-7-2. وابستگی تنش جریان به دما…………………………………………………………………………….

62

2-8. شبیه سازی فرآیند نورد گرم  …………………………………………………………………………………

64

2-8-1. روابط هندسی در نورد ……………………………………………………………………………………….

عنوان

66

صفحه

2-8-2. شرایط انتقال حرارت  …………………………………………………………………………………………

67

2-8-3. مش بندی…………………………………………………………………………………………………….

69

2-9. آشنایی با شبکه عصبی مصنوعی………………………………………………………………………..

70

2-9-1. تاریخچه شبکه­های عصبی مصنوعی  ……………………………………………………………..

70

2-9-2. مفاهيم پايه در شبکه های عصبی مصنوعی  …………………………………………………….

71

2-10. ویژگی­های شبکه عصبی مصنوعی  ……………………………………………………………………..

72

2-10-1. قابلیت یادگیری  ………………………………………………………………………………………………

73

2-10-2. پراکندگی اطلاعات  …………………………………………………………………………………………

73

2-10-3. قابلیت تعمیم  …………………………………………………………………………………………………

73

2-10-4. سرعت پاسخگویی بالا حین کاربرد  ……………………………………………………………….

73

2-10-5. مقاوم بودن  ……………………………………………………………………………………………………..

74

2-11. مدل ریاضی نرون  ……………………………………………………………………………………………….

74

2-12. توابع انتقال  …………………………………………………………………………………………………………

75

2-12-1. تابع محرک خطی  ………………………………………………………………………………………….

75

2-12-2. تابع محرک پله­ای  …………………………………………………………………………………………..

76

2-12-3. تابع محرک سیگموئید  …………………………………………………………………………………..

76

2-12-4. تابع محرک تانژانت هایپربولیک سیگموئید  ……………………………………………………

77

2-13. شبكه عصبي پرسپترون ساده  …………………………………………………………………………….

77

2-14. شبكه عصبي پرسپترون چند لايه ………………………………………………………………………..

78

2-15. توپولوژی شبکه­های عصبی مصنوعی  ………………………………………………………………….

79

2-16. انواع مختلف یادگیری شبکه­های عصبی……………………………………………………………..

عنوان

80

صفحه

2-16-1. یادگیری با سرپرستی……………………………………………………………………………………

80

2-16-2. یادگیری تقویتی  ……………………………………………………………………………………………..

80

2-16-3. یادگیری بدون سرپرستی  ……………………………………………………………………………….

80

2-17. روشهايآموزشدرشبكه­هايپرسپترونچندلايه  …………………………………………

81

2-17-1. الگوریتم لونبرگ- مارکوارت برای آموزش شبکه عصبی  ……………………………….

81

2-18. هوش جمعی  ……………………………………………………………………………………………………….

82

2-18-1. الگوریتم بهینه سازی جامعه ذرات  …………………………………………………………………

82

3-1. مقدمه ……………………………………………………………………………………………………………………

86

3-2. بررسی اثرات پارامترهای فرآیند نورد گرم در محصول نهایی  ………………………………

87

3-2-1. تاثیر سرعت غلتک بر فرآیند نورد  …………………………………………………………………….

87

3-2-2. تاثیر شعاع غلتک بر فرآیند نورد  ………………………………………………………………………

89

3-2-3. تاثیر ضخامت ورودی قطعه کار بر فرآیند نورد  ………………………………………………..

90

3-2-4. تاثیر دمای قطعه کار بر فرآیند نورد  ………………………………………………………………..

91

3-3. روش پیشنهادی برای پیش بینی تنش جریان در نورد گرم  ……………………………….

92

3-3-1. محاسبه نیروی نورد از طریق المان محدود و مقایسه با مقدار تجربی  …………..

92

3-3-2. محاسبه مقادیر کرنش و نرخ کرنش در نورد گرم  …………………………………………….

94

3-4. طراحی و آموزش شبکه عصبی به منظور پیش بینی تنش جریان  ………………………

102

3-5. استفاده از الگوریتم بهینه­سازی pso به منظور پیش بینی تنش جریان  …………….

110

3-5-1. مدلسازی ریاضی  ………………………………………………………………………………………………

عنوان

112

صفحه

4-1. نتیجه­گیری…………………………………………………………………………………………………………….

116

پیشنهادات………………………………………………………………………………………………………………………

118

مراجع  ………………………………………………………………………………………………………………………………

120

پیوست (الف)  …………………………………………………………………………………………………………………..

125

پیوست (ب)  …………………………………………………………………………………………………………………….

139

شکل 1- 1: نمایش هندسی لغزش در مواد بلوری  ………………………………………………………..

3

شکل1- 2 : تغييرات  برحسب جهت­گيري سیستم­های لغزش از بورک و هیبارد  ….

5

شکل 1-3: نمايش موقعيت اتم­ها براي محاسبه تنش برشي بحراني در لغزش  ……………

7

شکل 1-4: مدل يك شبكه مكعبي ساده، نابجایی ساده، پیچی و چپگرد  …………………….

8

شکل 1-5: مدار برگرز در اطراف یک نابجایی پله­ای و بلور کامل  …………………………………

8

شکل 1-6: (الف) مدار برگرز در یک نابجایی پیچشی و بلور کامل  ……………………………….

10

شکل 1-7: تشکیل نابجایی خالص پله­ای FE  ………………………………………………………………..

12

شکل 1-8: حرکت یک نابجایی پله­ای  ……………………………………………………………………………

12

شکل 1-9: مرزدانه که با روش اچ­ کردن به­دست آمده است……………………………………………

15

شکل 1-10: تنش جریان تیتانیم به­صورت تابعی از عکس ریشه دوم اندازه دانه……..

17

شکل 1- 11: تفکیک انباشتگی نابجایی­ها در ناحیه میکروکریستالی و نانوکریستالی  ….

19

شکل 1-12: مقایسه دقیق و تقریبی از مدل پانده و همکارانش با رابطه هال-پچ  ……….

21

شکل 1-13: مدل لغزش مرزدانه  …………………………………………………………………………………..

22

شکل 1-14: اثر مرکب نفوذهای مرزدانه­ای و حجمی  …………………………………………………..

24

شکل 1-15: نفوذ شبکه­ای و مرزدانه­ای در نقره  ……………………………………………………………

25

شکل 1-16: شماتیک مکانیزم­های نرم شدن در خلال نورد گرم  …………………………………

27

شکل1-17: منحنی تنش-کرنش فولادها در خلال تغییر شکل پلاستیک  …………………..

29

شکل 1-18: منحنی تنش-کرنش فولاد و وقوع پدیده تبلور مجدد دینامیکی  …………….

31

عنوان

شکل 1-19:  تصاویر متالوگرافی فولاد ضد زنگ 304 در خلال تغییر شکل گرم……….

صفحه

39

شکل 1-20: تحول تبلور مجدد دینامیکی با افزایش مقدار کرنش  ……………………………….

39

شکل 1-21: نمودار اندازه­ی مدول یانگ با افزایش دما  …………………………………………………

40

شکل 1-22: نمودار اندازه­ی مدول الاستیک بر حسب اندازه­ی دانه­ها در آهن نانو  ………

41

شکل2-1: فرضیات مربوط به نظریه تغییر شکل همگن و ناهمگن  ……………………………….

46

شکل2-2: تخت شدگی غلتک­ها  …………………………………………………………………………………….

47

شکل 2-3: شماتیکی از تحولات ریز ساختار ورق حین نورد گرم  …………………………………

50

شکل 2-4: سرعت قطعه کار، نیروهای اصطکاکی، نیرو و گشتاور نورد  ………………………

52

شکل 2-5: المانی از ورق در ناحیه ورودی  …………………………………………………………………….

53

شکل 2-6: المانی از ورق در ناحیه خروجی  …………………………………………………………………..

53

شکل2-7: نیروهای اصطکاک در نورد  ……………………………………………………………………………

55

شکل 2-8: اثر آهنگ کرنش بر تنش جریان  ………………………………………………………………….

58

شکل 2-9: دو روش تعیین ضریب حساسیت نرخ کرنش  ……………………………………………..

59

شکل 2-10: تغییرات ضریب حساسیت به آهنگ کرنش با دمای مانسته­ی   ……

60

شکل 2-11: منحنی­های تنش-کرنش حقیقی به ازای چند آهنگ کرنش مختلف ………

61

شکل2-12: منحنی­های تنش-کرنش در مقیاس لگاریتمی  ………………………………………….

62

شکل 2-13: کاهش n در رابطه­ی   ……………………………………………………………..

62

شکل 2-14: شماتیکی از کاهش نمای کرنش سختی، n، آلومینیم خالص با دما  ………..

63

شکل 2-15: نمودار شماتیک وابستگی تنش جریان به دما  ………………………………………….

63

شکل 2-16: نمای x-z و نمای y-z از فرآیند نورد  ………………………………………………………

عنوان

66

صفحه

شکل 2-17: وضعیت هندسی شکاف غلتک  ………………………………………………………………….

66

شکل 2-18: نیروهای نورد  ……………………………………………………………………………………………..

67

شکل 2-19: مش­بندی ورق و غلتک  ……………………………………………………………………………..

69

شکل 2-20: شمایی از یک سلول عصبی بیولوژیک  ………………………………………………………

72

شکل 2-21: مدل ریاضی یک نرون تک ورودی  ……………………………………………………………

74

شکل 2-22: نرون با چند ورودی  …………………………………………………………………………………..

75

شکل 2-23: تابع محرک خطی  ……………………………………………………………………………………..

76

شکل 2-24: تابع محرک پله­ای  ……………………………………………………………………………………..

76

شکل 2-25: تابع محرک سیگموئید  ………………………………………………………………………………

77

شکل 2-26: تابع محرک تانژانت هایپربولیک سیگموئید  ………………………………………………

77

شکل 2-27: شبکه عصبی تک لایه  ……………………………………………………………………………….

78

شكل 2-28: ساختار پرسپترون چندلايه  ……………………………………………………………………….

79

شکل 2-29: مفهوم اصلاح نقطه جستجو با استفاده از الگوریتم pso  ………………………….

84

شکل 3-1: تغییرات کرنش با افزایش سرعت دورانی غلتک­ها  ………………………………………

87

شکل 3-2: تغییرات نرخ کرنش با افزایش سرعت دورانی غلتک­ها  ……………………………….

88

شکل 3-3: تغییرات نیروی نورد با افزایش سرعت دورانی غلتک­ها  ………………………………

89

شکل 3-4: تغییرات نیروی نورد با افزایش شعاع غلتک­ها  …………………………………………….

90

شکل 3-5: تغییرات نیروی نورد با افزایش ضخامت ورودی قطعه کار  ………………………….

90

شکل 3-6: تغییرات نیروی نورد بر حسب زمان برای دماهای مختلف  ………………………….

91

شکل 3-7: نمودارنیروینوردبرحسبزمانبااستفادهازالمانمحدود  …………………….                                                          93

عنوان

93

صفحه

شکل 3-8: مقایسه­ی نیروی تجربی و نیروی بدست آمده از طریق  FE………………………..

94

شکل 3-9: تغییر شکل نیمه بالایی ورق  ………………………………………………………………………..

96

شکل 3-10: نمای کامل از تغییر شکل ورق بین غلتک­ها  …………………………………………….

96

شکل 3-11: کانتور تنش­های اعمالی به ورق در نورد گرم فولاد  ………………………………….

97

شکل 3-12: فلوچارت مربوط به روش پیشنهادی برای پیش بینی تنش جریان  …………

97

شکل 3-13: نمودار تنش جریان بر حسب تغییرات کرنش  …………………………………………..

98

شکل 3-14: نمودار تغییرات تنش جریان بر حسب نرخ کرنش  ……………………………………

100

شکل 3-15: نمودار تنش جریان بر حسب تغییرات درجه حرارت  ……………………………….

100

شکل 3-16: نمودار تنش جریان-کرنش پلاستیک برای پاس­های مختلف  …………………..

102

شکل 3-17: پارامترهای ورودی و خروجی در طراحی شبکه عصبی  ……………………………

103

شکل 3-18: تقسیم بندی داده­های ورودی و خروجی  ………………………………………………….

104

شکل 3-19: میانگین مربعات خطا و ضرایب همبستگی بین خروجی مطلوب و عملی

108

شکل 3-20: مقادیر رگرسیون برای داده­های آموزشی، آزمایشی، آزمون و ترکیبی ………

108

شکل 3-21: هیستوگرام خطا برای خروجی مطلوب و خروجی عملی  ………………………….

109

شکل 3-22: روند تغییرات تابع عملکرد خطا برای شبکه بهینه  ……………………………………

109

شکل 3-23: شمایی از شبکه عصبی طراحی شده به منظور پیش بینی تنش جریان……

110

شکل 3-24: فلوچارت مربوط به پیاده سازی الگوریتم بهینه سازی توده ذرات  ……………

113

شکل 3-25: نمودار اختلاف بین مقادیر تابع تخمین زده شده با مقادیر واقعی تنش…….

114

شکل 3-26: همگرایی متوسط تابع هدف با افزایش تعداد تکرار در الگوریتم PSO ……..

115

جدول 1-1: مدل­های اندازه­گیری سایز دانه­ها در پدیده تبلور مجدد  …………………………..

37

جدول 2-1: ترکیب شیمیایی فولاد گرید 1012 در تحلیل فرآیند نورد ……………………….

55

جدول 2-2: اطلاعات اولیه مربوط به شش پاس از خط نورد فولاد  ………………………………

65

جدول 2-3: ضریب اصطکاک و زاویه درگیری بین ورق و غلتک …………………………………..

67

جدول 2-4: گرمای ویژه و انتقال حرارت بین ورق و غلتک  ………………………………………….

69

جدول 2-5: ضریب هدایت حرارتی فولاد ساده کربنی در دماهای مختلف  …………………..

69

جدول 2-6: ضریب پخش گرمایی فولاد  ………………………………………………………………………..

69

جدول 3-1: پارامترهای نورد به منظور بررسی تغییرات نیروی نورد بر حسب زمان  ……

92

جدول 3-2: نمونه­ای از مقادیر تجربی نیروی اندازه­گیری شده خط  …………………………….

93

جدول 3-3: مقادیر دمای میانگین،کرنش و نرخ کرنش متوسط برای هر پاس  …………….

95

جدول 3-4: تنش تسلیم و تنش جریان به دست آمده از روش سعی و خطا  ………………

98

جدول 3-5: ورودی­ها و خروجی­های شبکه عصبی و دامنه تغییرات آن­ها  …………………..

104

جدول 3-6: خلاصه­ای از مشخصات و پارامترهای شبکه عصبی به کار رفته در پروژه……

105

جدول 3-7: خلاصه نتایج بهترین شبکه­های عصبی طراحی شده  ………………………………..

107

جدول 3-8: پارامترهای انتخاب شده برای الگوریتم pso  …………………………………………….

113

جدول 3-9: ثابت­های رابطه اینوی با استفاده از الگوریتم pso  …………………………………….

113