بررسی تجربی وعددی تراکم دینامیکی پودر آلومینیوم تحت بارگذاری با سرعت بالا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی (کاربردی)

نویسندگان

1 دانشکده شهید چمران، دانشگاه فنی‌وحرفه‌ای، اهر، ایران

2 دانشکده شهید چمران، دانشگاه فنی‌و‌حرفه‌ای، اهر، ایران

چکیده

مقالۀ حاضر به بررسی تجربی و عددی خواص مکانیکی قطعه تولیدشده با فرایند تراکم دینامیکی پودر تحت بارگذاری ضربه‌ای با نرخ بالا می‌پردازد. تست‌های تجربی روی پودرهای فلزی از جنس آلومینیوم توسط سامانه پرتابگر گازی انجام گرفته است. در بررسی تجربی تأثیرپذیری چگالی، مقاومت نیروی فشار از نظر اندازۀ دانه‌بندی، در سطوح انرژی متفاوتی ارائه شده است که در این راستا پودر آلومینیوم خالص در سه اندازۀ متفاوت به کار رفته است. برای اعتبارسنجی نتایج به‌دست‌آمده از توابع ریاضی، به مقایسۀ بین نتایج حاصل از مدل شبکه عصبی و داده‌های تجربی پرداخته‌ایم. بررسی خطای داده‌های تجربی و پیش‌بینی بر اساس مجذور میانگین مربعات خطاها و ضریب تبیین نشان می‌دهد نتایج به‌دست‌آمده از توابع ریاضی برای خواص نهایی قطعه تحت بارگذاری ضربه‌ای، مطلوب است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Dynamic Density of Aluminum Powder under High Speed Loading

نویسندگان [English]

  • behzad Mohammad Khani Haji KhajeLu 1
  • Mojtaba Maleki 2
1 Faculty of Chamran, Ahar Branch, Technical and Vocational University (TVU), Ahar,
2 Faculty of Chamran, Ahar Branch, Technical and Vocational University (TVU), Ahar, Iran
چکیده [English]

The present paper deals with experimental and numerical investigation of the mechanical properties of a piece produced by a dynamic powder compaction process under high-rate impact loading. Experimental tests are performed on metal powders made of aluminum by a gas launcher system. To validate the results obtained from the presented mathematical functions, we compare the results of the neural network model and the experimental data. In examining the error of experimental data and prediction based on the squared mean of the errors and the coefficient of determination show that the results obtained from the mathematical functions provide mathematical models for the final properties of the segment under optimal impact loading.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Impact Loading
  • Dynamic Powder Density
  • Gas Launcher
  • Aluminum Powder
  • Neural Network

 

1. مقدمه

صنعت شکل‌دهی پودرهای فلزی یکی از صنایع شکوفا و درخشان در تولید قطعات با اشکال نسبتاً پیچیده است. محصولات حاصل از این روش اغلب از شیوۀ دانه‌بندی مطلوبی برخوردارند. همچنین این روش دستیابی به اجسام مرکب را ممکن می‌سازد. در متالورژی پودر، مراحل فرایند دارای انرژی مصرفی اندک است، اتوماتیک بوده، میزان بهره‌گیری از مواد اولیه بالا و هزینه‌ها کمتر است؛ از‌این‌رو آهنگ رشد و گسترش آن در مقایسه با دیگر فرایندها سریع‌تر است. در این فناوری نه‌تنها خواص شیمیایی مواد و پارامترهای عملیات حرارتی بلکه ریز‌ساختارهای قطعه از جمله تخلخل نیز کنترل‌شدنی است. مهم‌ترین کاربردهای این روش، توانایی ترکیب کنترل‌شدۀ پودر فلزات و مواد مختلف، توانایی تولید قطعات انبوه با اشکال هندسی پیچیده و ضایعات بسیار ناچیز است. وجود تخلخل ـ به‌رغم مواد رایج ـ از جمله ویژگی‌های منحصربه‌فرد و مفید این روش است. تخلخل روشی برای کاهش وزن در صنایع هوایی، کنترل چگالی، استحکام نهایی قطعه و روشی برای تولید یاتاقان‌های خود روان است.

رشد روز‌افزون دامنۀ کاربرد متالورژی پودر در سال‌های اخیر موجب پیدایش روش‌ها و شیوه‌های نوینی برای بهبود خواص مکانیکی قطعات ساخته‌شده از پودر فلزات شده است. شکل‌دهی دینامیکی یکی از روش‌هایی است که موجب بهبود خواص از جمله افزایش چگالی، استحکام خام بالاتر، توزیع یکنواخت چگالی و دقت ابعادی بیشتر می‌شود[1].

در اوایل قرن بیستم میلادی، ناتوانی در تولید مذاب یکپارچه از کوره‌ها موجب استفادۀ صنعتی از روش تراکم پودر برای تولید کارهای فلزی شد. این روش نیز شکوفایی خود را مدیون تولید لامپ رشته‌ای تنگستن است. امکان تولید قطعات در شمار بالا با استفاده از روش تراکم پودر، موجب استفادۀ صنعتی از این روش شده است. قطعات تولیدی با استفاده از این روش در صنایع اتومبیل‌سازی، لوازم خانگی و الکترونیک کاربرد دارند که موجب رشد روزافزون استفاده از این حوزۀ فناوری شده است.

القرشی و همکاران با آزمایش روی مواد پودری با اندازه دانه‌های متفاوت، به ارائه مدلی نظری بر اساس حل متقارن تغییر شکل بزرگ پرداختند. آزمایش‌های انجام‌شده منجر به محاسبه ضریب اصطکاک بین ظروف و ذرات و همچنین بیان رابطه‌ای برای پیشگویی استحکام نهایی قطعه ساخته‌شده از مواد پودری شد[2].

پوکلین و همکاران نیز برای درک بهتر رابطۀ بین نوع پودر، فشار تراکم و استحکام نهایی قطعه، دو نوع پودر آهنی با ساختار متفاوت را بررسی کردند و به این نتیجه رسیدند که مواد با ساختار متخلل نسبت به مواد تشکیل‌شده از ذرات کروی، استحکام نهایی بهتری دارند[3].

استاسیاک و همکاران تأثیر فشار ماکزیمم و سرعت تغییر شکل بر مدول الاستیسیته را تخمین زدند. آن‌ها این نتیجه را با بررسی اثر فشرده‌سازی چسب‌های مورد استفاده در صنعت مانند سنگ آهک، ریزسلولز و بنتونیت در لوله استوانه‌ای با نیروی تک‌محوری به دست آوردند[4].

کدهیم و همکاران با بررسی عددی حالت پایدار ماده در حین جریان تراکم روی استوانه با روش تفاضلات محدود، مدل ساختاری دقیقی را برای توزیع فشار و چگالی در طول فرایند تراکم ارائه دادند[5].

در آزمایش‌های انجام‌شده توسط اژدر و همکارانش، از پودر با اندازه‌های متفاوت تحت سطوح انرژی و سرعت‌های مختلف برای بررسی فرایند شکل‌دهی پودرهای پلیمری با سرعت بالا استفاده شده است. آن‌ها با تمرکز روی ویژگی‌های تراکم و استفاده از دستگاه میکروسکوپ الکترونی به تحلیل و بررسی ریزساختارهای قطعه حاصل‌شده پرداختند و به این نتیجه رسیدند که مرحله نخست تراکم نسبت به مرحلۀ دوم آن تأثیر بیشتری بر استحکام نهایی ماده دارد[6].

ظهور و همکارانش با آزمایش روی پودر تنگستن از دو روش تراکم پودر انفجاری زیر آب و بدون آب به آستانۀ تحمل تنگستن متالورژی تحت موج انفجاری دست یافتند. آن‌ها همچنین با مقایسۀ تراکم انفجاری زیر آب با دیگر روش‌های متالورژی پودر انجام‌گرفته روی پودر تنگستن به این نتیجه رسیدند که با روش تراکم انفجاری زیر آب می‌توان به بالاترین خواص و مکانیکی ممکن از پودر دست یافت[8-7].

در جدیدترین تحقیقات انجام‌شده با سامانه چکش پرتابه‌ای، بابایی و همکارانش به بررسی تجربی و تحلیل تراکم پودر آلومینیوم با سرعت پایین پرداختند. نتیجۀ کار این بود که با افزایش انرژی، چگالی نیز افزایش می‌یابد[9].

تحقیقات صورت‌گرفته در زمینه تراکم دینامیکی پودرهای فلزی اغلب در حوزه شبه‌استاتیکی و نرخ اعمال بارگذاری متوسط بوده است و تاکنون در پژوهش‌های دینامیکی به بررسی پارامترهای مؤثر برای دستیابی به نرخ انرژی بالا در فرایند شکل‌دهی پرداخته نشده است. هدف از این بررسی، بهبود خواص مکانیکی قطعه با فرایند تراکم پودر با سرعت بالاست که در بخش تجربی به تأثیرپذیری چگالی و مقاومت فشاری قطعۀ تولید‌شده از نظر دانه‌بندی پرداخته می‌شود. پودر مورد استفاده در این فرایند آلومینیوم خالص است. دلیل به‌کارگیری روش دینامیکی در شکل‌دهی پودرهای فلزی، توزیع یکنواخت چگالی با وارد‌کردن انرژی زیاد در بازه زمانی کم، و بی‌نیازی به گرما با توجه به آدیاباتیک‌بودن تراکم است.

هدف اصلی این تحقیق، بررسی اثر اندازۀ ذرات پودرهای فلزی در چگالی و استحکام قطعات تولید‌شده به روش تراکم دینامیکی با سرعت بالاست. برای این منظور، پودر آلومینیوم با سه اندازۀ دانۀ متفاوت به صورت خالص و همچنین به صورت ترکیبی از ذرات با اندازه‌های متفاوت با استفاده از دستگاه پرتابگر گازی و با سرعت 110 متر بر ثانیه متراکم می‌شود. برای ارزیابی تأثیر روش تراکم دینامیکی بر ریزساختار و استحکام قطعات به‌دست‌آمده، به‌ترتیب از دستگاه میکروسکوپ الکترونی و آزمون فشار قطری استفاده شده است. همچنین در ادامه، مدل‌سازی ریاضی بر مبنای داده‌های تجربی و با استفاده از روش شبکه‌های عصبی مصنوعی ارائه می‌شود. مقادیر پیش‌بینی‌شده توسط این مدل با داده‌های تجربی مقایسه شده و در نهایت دقت مدل مورد ارزیابی قرار می‌گیرد.

2. بررسی تجربی

1-2. دستگاه تفنگ گازی

آماده‌سازی نمونه‌های آزمایشگاهی و قالب تراکم پودر مورد استفاده و همچنین تجهیزات مربوط به انجام فرایند تراکم پودر در دستگاه پرتابگر گازی از جمله مراحلی هستند که باید پیش از انجام آزمایش مورد بررسی قرار گیرند. شکل شماره 1 نمایی از دستگاه پرتابگر گازی را نشان می‌دهد. در آزمایش انجام‌گرفته، از پودر آلومینیوم خالص با دانه‌بندی 127- ، 254-127+ ، 254+ میکرون و شکل سوزنی و استوانه با درجه خلوص 90 درصد استفاده شده است. تراکم‌پذیری پودر آلومینیوم با استفاده از پرتابگر گازی در فشار و سرعت‌های متفاوت مورد آزمایش قرار گرفته است. در روش تجربی، برای تولید قطعات حاصل از فرایند تراکم، 15 گرم از پودر انتخابی در داخل سیلندر و پیستون استوانه‌ای ریخته شده و تحت بارگذاری ضربه‌ای توسط پرتابه قرار گرفته است. بدین‌ترتیب انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و به صورت ضربه به پودر موجود در سیلندر وارد شده و پودر را متراکم می‌کند. برای خارج‌کردن نمونۀ تولید‌شده از داخل سیلندر، از جک هیدرولیکی استفاده می‌شود که با وارد‌کردن نیروی یکنواخت موجب سالم‌ماندن قطعه و همچنین یکنواخت‌ماندن چگالی می‌شود. همچنین برای سهولت در خارج‌کردن قطعه (پودر) از سیلندر، از روان‌کننده برای کاهش اصطکاک بین جداره سیلندر و قطعۀ تولید‌شده استفاده شده است. شکل شماره 2 پرتابه و قالب تراکم پودر را نمایش می‌دهد.

 

شکل شماره 1. پرتابه‌گر گازی و قالب تراکم پودر

 

شکل شماره 2- الف) قالب تراکم پودر                                             شکل شماره 2- ب) پرتابه فلزی

2-2. شیوۀ انجام آزمایش

در آزمایش‌های انجام‌شده در این تحقیق، پودر آلومینیوم با خلوص 90 درصد با سه توزیع اندازه دانه متفاوت شامل کمتر از 127 میکرون (پودر A)، بین 127 تا 254 میکرون (پودر B) و بزرگ‌تر از 254 میکرون (پودر C) مورد استفاده قرار گرفته است. شکل شماره 3 تصویر ذرات پودر آلومینیوم را پیش از تراکم نشان می‌دهد که با استفاده از دستگاه میکروسکوپ الکترونی تهیه شده است. دانه‌بندی پودر آلومینیوم با استفاده از دستگاه الک با مش‌بندی متفاوت و مجهز به لرزاننده انجام شده است. برای انجام هر آزمایش، مقدار 15 گرم از پودر آلومینیوم با دانه‌بندی معین را درون قالب ریخته و درون اتاقک بر روی نگه‌دارنده بسته می‌شود. سپس گلوله با سرعت 110 متر بر ثانیه به سنبه برخورد کرده و ذرات پودر را متراکم می‌کند. پس از انجام هر آزمایش، برای خارج‌کردن قطعۀ متراکم‌شده از درون قالب، از یک جک هیدرولیکی با ظرفیت 20 تن استفاده شده است. شکل شماره 4 بخشی از نمونه‌های تولیدشده را نشان می‌دهد.

 

شکل شماره 3. ذرات میکروسکوپی پودر آلومینیوم

 

شکل شماره 4. قطعات ساخته‌شده از پودر آلومینیوم

3-2. آزمون مقاومت فشاری

نمونه‌های تولیدشده به صورت قطری بین دو فک دستگاه قرار گرفته و با فشار دکمه، فک متحرک بالایی با نرخ بارگذاری 2 میلی‌متر بر ثانیه به سمت پایین حرکت کرده و نمونه را تحت فشار قرار می‌دهد (شکل شماره 5). افزایش نیروی فشاری توسط فک بالایی تا زمانی ادامه می‌یابد که قطعه دچار شکست شود. نیروی متناظر با شروع ترک در قطعه به‌عنوان نیروی شکست قطعه ثبت می‌شود. با داشتن F (نیروی شکست)، D (قطر نهایی قطعه)، hf (ارتفاع نهایی قطعه) tσ (استحکام کششی قطعه) از رابطۀ زیر محاسبه می‌شود[12].

(1)                                                                                                                              14σt=2FÏ€Dhf">

در رابطه فوق tσ استحکام کششی غیرمستقیم قطعه، F نیروی شکست، H ارتفاع و D قطر قطعه است.

 

شکل شماره 5. مراحل انجام آزمون تست فشار

3. مدل‌سازی با استفاده از روش شبکه عصبی

در این تحقیق از روش مدل‌سازی شبکه عصبی در فرایند تراکم دینامیکی پودر در نرخ بار‌گذاری بالا استفاده شده است؛ بدین‌صورت که شبکه‌های عصبی مصنوعی با پردازش روی داده‌های تجربی، دانش یا قانون نهفته در ورای داده‌ها را به ساختار شبکه منتقل می‌کنند و بر اساس محاسبات روی داده‌های عددی یا مثا‌ل‌ها، قوانین کلی را فرا می‌گیرند. در ساختار این سیستم‌ها، پارامترهایی وجود دارند که ‌قابل تنظیم هستند. تنظیم این پارامترها برای آن است که سیستم رفتار مطلوبی را در برابر تحریکات و اطلاعات خارجی از خود نشان دهد که به اصطلاح به این عمل آموزش سیستم گفته می‌شود. در واقع این سیستم‌ها قادرند یاد بگیرند و از راه یادگیری، دانش لازم برای برخورد مناسب با یک پدیده را جمع‌آوری کرده و از آن به هنگام نیاز بهره ببرند. شبکه‌های عصبی مصنوعی به‌رغم تنوع، از ساختار مشابهی برخوردارند و معمولاً از سه لایه ورودی، پنهان و خروجی تشکیل شده‌اند. لایه ورودی تنها اطلاعات را دریافت کرده و مشابه متغیر مستقل عمل می‌کند؛ بنابراین تعداد نرون‌های لایه ورودی بر اساس طبیعت مسئله تعیین می‌شود و بستگی به تعداد متغیرهای مستقل دارد. لایه خروجی نیز همانند متغیر وابسته عمل کرده و تعداد نرون‌های آن بستگی به تعداد متغیر وابسته دارد، اما برخلاف لایه‌های ورودی و خروجی، لایه پنهان بیانگر هیچ مفهومی نیست، بلکه وظیفه تنظیم وزن‌ها و یادگیری را بر عهده داشته و تنها یک نتیجه میانی در فرایند محاسبه ارزش خروجی است.

 

الف) مغز انسان                                                                                      ب) مدل‌سازی

شکل شماره 6. ساختار شبکه عصبی

4. نتایج

1-4. بررسی نتایج تجربی چگالی و استحکام

در جدول‌های 1تا 3 داده‌ها و نتایج تجربی حاصل از آزمایش‌های انجام‌شده روی ذرات آلومینیوم خالص گردآوری شده است. با توجه به جداول، چگالی نسبی از تقسیم چگالی قطعه نسبت به چگالی آلومینیوم به دست آمده است. گفتنی است چگالی آلومینیوم 2700 کیلوگرم بر مترمکعب در نظر گرفته شده است. آزمون تست فشار برای محاسبه استحکام مکانیکی پودر و مقاومت فشاری آن به کار رفته است.

جدول شماره 1. نتایج آزمایش‌های انجام‌شده بر پودر A

نمونه

پودر

جرم گلوله (gr)

سرعت (m/s)

چگالی (Kg/m3)

چگالی نسبی (درصد)

1

127-

562

110

352/2635

60/97

2

254-127+

562

110

26/2610

67/96

3

254+

562

110

45/2690

64/99

جدول شماره 2. نتایج آزمایش‌های انجام‌شده بر پودر B

نمونه

254-127+

254+

سرعت (m/s)

جرم گلوله (gr)

چگالی (Kg/m3)

چگالی نسبی (درصد)

4

9

1

110

562

2640

8/97

5

8

2

110

562

2648

98

6

7

3

110

562

2655

33/98

7

6

4

110

562

2670

88/98

8

5

5

110

562

2675

07/99

 

جدول شماره 3. نتایج آزمایش‌های انجام‌شده بر پودر C

نمونه

254-127+

127-

جرم گلوله (gr)

254

چگالی (Kg/m3)

چگالی نسبی (درصد)

9

9

1

562

110

2598

22/96

10

8

2

562

110

2615

85/96

11

7

3

562

110

2623

15/97

12

6

4

562

110

2632

48/97

13

5

5

562

110

2652

22/98

جدول شماره 4. نتایج آزمون استحکام پودر A

نمونه

پودر

چگالی نسبی (درصد)

نیروی شکست (N)

1

254-127+

67/96

6773

2

127-

60/97

8290

3

254+

64/99

6033

جدول شماره 5. نتایج آزمون استحکام پودر B

نمونه

127، 254+ (gr)

254+ (gr)

چگالی نسبی (درصد)

نیروی شکست (N)

4

9

1

8/97

5686

5

8

2

98

7210

6

7

3

33/98

5420

7

6

4

88/98

667/7216

8

5

5

07/99

666/7056

جدول شماره 6. نتایج آزمون استحکام پودر C

نمونه

127، 254+ (gr)

127- (gr)

چگالی نسبی (درصد)

نیروی شکست (N)

7

9

1

22/96

9620

8

8

2

85/96

5263

9

7

3

15/97

7766

10

6

4

48/97

10383

11

5

5

22/98

7380

 

 

 

2-4. نتایج بررسی تصاویر میکروسکوپی

شکل شماره 7، تصویر ریزساختار پودر را پس از تراکم نشان می‌دهد. همان‌طور که ملاحظه می‌شود، نمونه از ساختار کاملاً یکنواختی برخوردار است و فضاهای خالی اندکی بین ذرات دیده می‌شود که نشان‌دهندۀ چگالی بالای نمونه است. همچنین اتصال بین ذرات پودر در مرز دانه‌ها به‌خوبی صورت گرفته است. از سویی، در ساختار نمونه ذراتی با اندازه‌های بسیار کوچک‌تر از اندازۀ اولیه نسبت به شکل شماره 3 مشاهده می‌شود. علت این امر برخورد شدید ذرات پودر با یکدیگر در اثر عبور امواج فشاری است که سبب خرد‌شدن ذرات پودر می‌شود.

 

شکل شماره 7. ریزساختار نمونه پس از تراکم

در شکل‌های 8 تا 10نمودار درصد چگالی نسبی بر حسب نیرو ـ فشار وارد‌شده بر سطح پودر رسم شده است. این نمودار نشان‌دهندۀ رابطۀ بین اندازه ذرات و چگالی نسبی قطعات تولید‌شده است؛ به‌طوری‌که قطعات تولید‌شده با دانه‌بندی 254+ بیشترین و پودر 254-127+ کمترین مقدار چگالی را دارند. به‌طورکلی تراکم پودر شامل سه مرحله آرایش مجدد ذرات، تغییر شکل الاستیک پلاستیک و کار سرد و خرد‌شدن ذرات است. با توجه به نتایج آزمایش‌های تجربی و نمودارهای تحلیلی مشخص شد که پودر با دانه‌بندی 127- بیشترین استحکام مکانیکی را دارد. تمام داده‌های محاسبه‌شده در جدول‌های 4تا 6 گزارش شده است.

در شکل‌های 10 تا 13 نمودار مربوط به مقاومت فشاری قطعۀ تولید‌شده بر حسب چگالی نشان داده شده است. همان‌طور که می‌بینیم این خواص با رابطۀ مستقیمی با اندازه دانه دارند. کاهش فضای تخلخل که در مرحله نخست تراکم رخ می‌دهد، سبب کاهش حجم اشغالی توسط پودر شده و در پی آن، افزایش چگالی را به دنبال دارد.

 

شکل شماره 8. نمودار نیروی فشار اعمالی بر حسب چگالی نسبی پودر A

 

شکل شماره 9. نمودار نیروی فشار اعمالی بر حسب چگالی نسبی پودر B

 

شکل شماره 10. نمودار نیروی فشار اعمالی بر حسب چگالی نسبی پودر C

 

شکل شماره 11. نمودار مقاومت فشاری بر حسب چگالی نسبی پودر A

 

شکل شماره 12. نمودار مقاومت فشاری بر حسب چگالی نسبی پودر B

 

شکل شماره 13. نمودار مقاومت فشاری بر حسب چگالی نسبی پودر C

جداول بالا نتایج حاصل از ترکیب پودر با یکدیگر را نشان می‌دهد. بررسی نتایج ارائه‌شده نشان می‌دهد با افزایش سهم پودر B با اندازۀ دانه بزرگ‌تر، چگالی قطعات تولیدشده افزایش یافته است. علت این امر، قرارگیری ذرات پودر A با اندازه کوچک‌تر در فضاهای خالی بین ذرات بزرگ‌تر پودر B است که این امر منجر به کاهش تخلخل قطعه و افزایش چگالی آن می‌شود. همچنین ملاحظه می‌شود بین توزیع اندازۀ ذرات پودر و استحکام قطعۀ حاصل، رابطۀ مشخصی وجود ندارد.

3-4. بررسی ترکیب دانه‌بندی و مدل چگالی در فرایند تراکم دینامیکی پودر

در این بخش به بررسی اثر ترکیب دانه‌بندی و مدل چگالی در فرایند تراکم دینامیکی پودر در نرخ بارگذاری سرعت بالا پرداخته شده است؛ بدین صورت که به کمک داده‌های آزمایشگاهی، شبکه‌ای عصبی از نوع چند‌لایه (MLP) با یک لایه ورودی، دو لایه مخفی و یک لایه خروجی ساخته شده است. این شبکه عصبی شامل هشت نرون مخفی نیز هست. در شکل‌های زیر کارآیی شبکه عصبی و همچنین ضریب همبستگی برای داده‌های آزمایشگاه به تفکیک دسته‌های آموزشی، اعتبار‌سنجی و تست نشان داده شده است. در این مدل‌سازی، ورودی‌های اولیه ترکیب دانه‌بندی پودر است. همان‌طور که در شکل‌های 14 و 15 مشاهده می‌شود تطابق خوبی بین نتایج تجربی و مدل شبکه عصبی وجود دارد.


الف) مدل چگالی پودر آلومینیوم با ترکیب (127-) با (254-127)

 

ب) مدل چگالی پودر آلومینیوم با ترکیب (254) با (254-127)

شکل‌های 14 و 15. نمودار مقایسۀ پیش‌بینی مدل و مقادیر اندازه‌گیری چگالی نسبی قطعات

4-4. بررسی خروجی نمودار میانگین تغییرات در طول گام‌های آموزشی با ورودی چگالی در فرایند تراکم پودر در مدل‌سازی شبکه عصبی

در این قسمت تغییرات میانگین خطا در طول آموزش با ورودی میزان چگالی در ذیل ارائه شده است. محور آبی مربوط به آموزش، محور سبز اعتبار‌سنجی، محور قرمز آزمون و نقطه‌چین مربوط به بهترین اعتبار‌سنجی است که در شکل شماره 16 مشاهده می‌شود.

الگوریتم شبکه عصبی طی شش گام آموزشی، نخستین خروجی بهینه را به نمایش می‌گذارد. محور عمودی بیانگر میانگین مربعات خطا، و محور افقی بیانگر تعداد گام آموزش است.

 

شکل شماره 16. نمودار خروجی میانگین مربعات خطا با ورودی نیرو

1-4-4. تعیین متغیرهای ورودی مدل چگالی

در این مرحله از پژوهش، به تعیین متغیرهای ورودی مدل چگالی در اعتبارسنجی داده‌های تجربی فرایند تراکم دینامیکی و مقایسۀ داده‌های تجربی با مدل عددی پرداخته شده است. یکی از مهم‌ترین مراحل فرایند توسعۀ مدل‌های شبکه عصبی، تعیین متغیرهای ورودی مؤثر است. معمولاً همه متغیرهای ورودی دارای اهمیت یکسان نبوده و مقادیر برخی از آن‌ها ممکن است با نااطمینانی همراه بوده یا هیچ رابطۀ معنی‌داری با متغیر خروجی نداشته باشند. در این پژوهش ابتدا مقادیر تجربی (چگالی و نیرو فشار) به‌عنوان ورودی‌های مدل مد نظر قرار گرفتند. جداول مربوط به آموزش الگوریتم شبکه عصبی با سه زیر نمودار داده ورودی، نیروی شکست مقادیر، منحنی برازش شده و خط 45 درجه که بیانگر مقدار بهینه است به نمایش درآمده است. همچنین در شکل شماره 17 نمودارهای تعیین متغیرهای ورودی مدل چگالی قابل مشاهده است.

 

الف                                                                                         ب

شکل شماره 17- الف) نمودار تعیین متغیرهای ورودی مدل چگالی آموزش و آزمون

شکل شماره 17- ب) نمودار تعیین متغیرهای ورودی مدل چگالی اعتبارسنجی و ترکیب سه نمونه

2-4-4. بررسی مدل ماکزیمم نیرو

در این مرحله، به کمک داده‌های آزمایشگاهی یک شبکه عصبی مانند شبکه عصبی چگالی ارائه می‌دهیم. بررسی داده‌های تجربی با مدل شبکه عصبی در ترکیب با دانه‌بندی پودر آلومینیوم نشان می‌دهد تطابق خوبی با هم دارند که در شکل شماره 18 مشاهده می‌‌شود. ورودی این نمودار، چگالی و مقدار ماکزیمم نیرو است. مقدار ضریب همبستگی برای داده‌های آزمایشگاه به تفکیک دسته‌های آموزشی و اعتبارسنجی برابر است با: R=0.9993

 

شکل شماره 18- الف) نمودار مدل ماکزیمم نیرو برای ترکیب دانه‌بندی (254) با (254-127)

 

ب

شکل شماره 18- ب) نمودار مدل ماکزیمم نیرو برای ترکیب دانه‌بندی (127-) با (254-127)

5. نتیجه‌گیری

در مقاله حاضر، بررسی‌های تجربی و شبکه عصبی روی فرایند تراکم دینامیکی پودر آلومینیوم تحت نرخ بارگذاری با سرعت بالا با استفاده از قالب تحت ضربه محوری، انجام شده و به بررسی اثر ترکیب دانه‌بندی پودر در سرعت یکسان بر روی پودر آلومینیوم پرداخته شده است. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده از تست‌های تجربی و مدل شبکه عصبی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. با افزایش فشار مخزن، سرعت گلوله‌ها افزایش می‌یابد و میزان افزایش سرعت به جرم گلوله وابسته است؛

2. با افزایش سرعت گلوله، میزان تراکم پودر افزایش می‌یابد. از نمودارها و جداول ارائه‌شده به روش تجربی تراکم دینامیکی پودر بدون ترکیب دانه‌بندی مشخص می‌شود با افزایش انرژی، چگالی نیز به‌طور محسوسی افزایش یافته است؛

3. با توجه به ترکیب دانه‌بندی ذرات، مقاومت فشاری بر دانه‌بندی‌های ریز بالاتر است؛ به‌طوری‌که در شرایط اعمال سرعت یکسان، چگالی بیشتری را داراست؛

4. با توجه به تصاویر میکروسکوپی مشاهده می‌شود ساختار فیزیکی پودر تغییر شکل یافته و سبب اتصال بین دانه‌بندی پودر (جوش سرد) شده است؛

5. برای اعتبارسنجی نتایج به‌دست‌آمده از توابع ریاضی ارائه‌شده، مقایسه‌های بین این نتایج و داد‌ه‌های تجربی انجام‌گرفته و بررسی خطای داده‌های آموزشی و پیش‌بینی بر اساس مجذور میانگین مربعات خطاها و ضریب تبیین نشان داد نتایج به‌دست‌آمده از توابع ریاضی رفتار قابل‌قبولی (دقت 4/99 درصد) را در نمونه ترکیبی دارند.

6. مقایسۀ نتایج حاصل از پیش‌بینی چگالی نهایی قطعات با استفاده از روش شبکه‌های عصبی با نتایج تجربی به‌دست‌آمده، انطباق بسیار مناسبی را نشان می‌دهد؛ بنابراین با توجه به ماهیت پیچیدۀ فرایند تراکم دینامیکی و دشواری روش‌های تحلیلی برای مدل‌سازی آن، روش شبکه‌های عصبی می‌تواند ابزار کارآمدی برای مدل‌سازی این پدیده باشد.

7. روش تراکم دینامیکی با سرعت بالا، باعث افزایش موضعی حرارت در سطح ذرات پودر، شکسته‌شدن لایه اکسید حول ذرات و بروز پدیده نرم‌شدگی موضعی می‌شود که مجموعه این عوامل به افزایش جریان پلاستیک و ایجاد اتصالات مستحکم بین ذرات پودر می‌انجامد[12].

 

 

[1] Wang, J. Z., Qu, X. H., Yin, H. Q., Yi, M. J., & Yuan, X. J. (2009). High velocity compaction of ferrous powder. Powder Technology, 192(1), 131-136. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2008.12.007
[2] Al-Qureshi, H., Galiotto, A., & Klein, A. (2005). On the mechanics of cold die compaction for powder metallurgy. Journal of Materials Processing Technology, 166(1), 135-143. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.08.009
[3] Poquillon, D., Baco-Carles, V., Tailhades, P., & Andrieu, E. (2002). Cold compaction of iron powders - Relations between powder morphology and mechanical properties: Part II. Bending tests: Results and analysis. Powder Technology, 126(1), 75–84. https://doi.org/10.1016/S0032-5910(02)00035-9
[4] Stasiak, M., Tomas, J., Molenda, M., Rusinek, R., & Mueller, P. (2010). Uniaxial compaction behaviour and elasticity of cohesive powders. Powder Technology, 203(3), 482-488. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2010.06.010
[5] Kadhim, K. M. J., Alwan, A. A., & Abed, I. J. (2011). Simulation of cold die compaction Alumina powder. Trends in Mechanical Engineering& Technology, 1(1), 1-21. https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.599.6967&rep=rep1&type=pdf
[6] Azhdar, B., Stenberg, B., & Kari, L. (2005). Development of a High-Velocity Compaction process for polymer powders. Polymer Testing, 24(7), 909-919. https://doi.org/10. 1016/j.polymertesting.2005.06.008
[7] Zohoor, M., & Mehdipoor, A. (2007). Comparative study on particles bonding of tungsten samples which were produced by powder metallurgy method and underwater explosive compaction technique. Association of Metallurgical Engineers of Serbia, Metalurgija-Journal of Metallurgy, 13(3), 197-202. http://www.metalurgija.org.rs/ mjom/vol13/No%203/MZOHOOR.pdf
[8] Zohoor, M., & Mehdipoor, A. (2009). Explosive compaction of tungsten powder using a converging underwater shock wave. Journal of Materials Processing Technology, 209(8), 4201-4206. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.11.031
[9] Babaei, H., Darvizeh, A., Alitavoli, M., & Mirzababaie Mostofi, T. (2015). Experimental and Analytical Investigation into Plastic Deformation of Circular Plates Subjected to Hydrodynamic Loading. Modares Mechanical Engineering, 15(2), 305-312. https://www.sid.ir/en/Journal/ViewPaper.aspx?ID=422478
[10] Namazi, N., Alitavoli, M., Darvizeh, A., Babaei, H., Abdoli Kamali, F., & Rajabiehfard, R. (2016). Experimental investigation and numerical modelling of dynamic compaction process of pure iron powder with ceramic particles. Iranian Journal of Manufacturing Engineering, 3(3), 20-28. http://www.iranjme.ir/article_52017.html?lang=en