（机械制造及其自动化专业论文）陶瓷轴承套圈材料的仿真设计及应用基础研究.pdf

山东大学硕士学位论文 t 陶瓷轴承套圈材料的仿真设计及应用基础研究女 摘要 本文对b p 人工神经网络的算法进行了分析，对改进b p 算法的方法或措 施进行了讨论。简要介绍了m a t l a b ( m a t r i xl a b o r a t o r y ) 吾言中的神经网络工具 箱，总结了神经网络技术的选取原则和运用工具箱进行网络设计的原则与过程。 刖用人工神经网络方法建立了复相陶瓷材料力学性能与其组分、配比之间 的非线性映射关系神经网络模型。结合m a t l a b 语言中的神经网络工具箱， 开发了陶瓷材料仿真设计软件系统，该系统可以根据陶瓷材料的力学性能设计 其组分及配比，也可以根据其组分和配比来预测陶瓷材料的力学性能。详细研 究了两个仿真子系统主要模块的结构及功能，并对两相和三相复合陶瓷材料的 仿真设计进行了实例分析。研究了两个子系统中网络模型的部分预测结果，结 果表明，神经网络能较好地掌握训练样本的规律。探讨了计算精度对网络训练 时间的影响，以及计算精度、隐层神经元数目对最终预测结果的影响。计算精 度越高，训练时间就越长，预测结果越精确，隐层神经元数目越多，网络结构 越复杂，预测结果的误差越小，但误差减小的速度逐渐下降。 利用仿真系统，对一种新型陶瓷轴承套圈材料z r o l 2 ( w ，t 1 ) c 进行了仿真设 计，在此基础上，以y - p s z 为基体，添3 n ( w , t i ) c 固溶体，制各了一种新型复 相陶瓷材料。讨论了( w ，t i ) c 含量对晶粒形貌、相组成及力学性能的影响，对 ( w ，t i ) c 的含量进行了优化，发现当( w ，t i ) c 含量为4 5 时，综合力学性能较好， 抗弯强度为6 5 6 m p a ，硬度为1 4 0 6 g p a ，断裂韧性为1 1 7 m p a i t i ”2 ，将仿真结 果与实验结果进行了比较，分析了产生误差的原因。 对 z y a 3 0 ( 3 - p s z + 3 0 w t a 1 2 0 3 ) 、z y w 3 5 ( 3 - p s z + 3 5 v 0 1 ( w , t i ) c ) l i g i 种不 同材料进行了抗磨损对比试验，结果表明z y a 3 0 比z y w 3 5 的耐磨性能好，两 种材料的磨损机理基本相同，主要是塑性变形、粘着磨损和分层剥落。 关键词：神经网络，白 真j 氧化锆，( w ，t i ) c 固溶体，陶瓷轴承套圈，耐磨性 + 本学位论文得到了l u 东省中青年科学家利研奖励基金( 9 8 1 2 ) 、山东省教育厅 ( 5 9 8 a 5 6 ) 和济南市青年科技明星计划( 2 0 1 l o ) 的资助。 山东大学硕士学位论文 a s t u d y o nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ef o r d e v e l o p i n g t h er i n go f c e r a m i c b e a r i n g a n di t sa p p l i c a t i o nf u n d a m e n t a b s t r a c t t h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) ，e s p e c i a l l yt h ea r i t h m e t i co f b pn e t w o r k w a sa n a l y z e d ，m a n ym e a s u r e st oi m p r o v et h i sa r i t h m e t i cw a s r e v i e w e di nt h i sp a p e r t h et o o l b o xo fa n ni nm a t l a b ( m a t r i x l a b o r a t o r y ) w a sb r i e f l yi n t r o d u c e d ，t h e p r i n c i p l eo fs e l e c t i n gt h ea n n t e c h n o l o g ya n dt h em e t h o df o ru s i n gt h et o o l b o xt o d e s i g na n n n e t w o r kw e r es u m m a r i z e d t h em o d e lf o rt h en o n l i n e a rm a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n dt h ec o m p o s i t i o n s ，c o n t e n t so f t h ed e v e l o p e dc e r a m i cm a t e r i a l sw a s e s t a b l i s h e db ym e a n so fa n n b a s e do nt h et o o l b o xi nm a t l a b ，t h es o f t w a r eo f t h es i m u l a t i o ns y s t e mf o rd e s i g n i n gc e r a m i cm a t e r i a l sw a s d e v e l o p e d t h i ss o f t w a r e s y s t e mc a nn o to n l yd e s i g nt h ec o m p o s i t i o n sa n dc o n t e n t so fc e r a m i cm a t e r i a l s a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb u ta l s op r e d i c tt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa c c o r d i n g t ot h ec o m p o s i t i o n sa n dc o n t e n t so f t h ec e r a m i cm a t e r i a l s e a c h s u b s o f t w a r es y s t e m ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o no fi t st h r e em o d u l e s w a si n t r o d u c e di n d e t a i l s a m p l e s o ft h es i m u l a t i o n d e s i g n i n t w o - p h a s ea n d t h r e e p h a s ec o m p o s i t ec e r a m i c sw e r ev e r i f i e da n da n a l y z e d s o m ep r e d i c t e dr e s u l t s i nt w os u b s o f t w a r es y s t e m sw e r es i m u l a t e da n dt h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h en e t w o r k c a nd e d u c et h er u l e so f t r a i n i n gd a t aa n ds i m u l a t er e l i a b l y t h ee f f e c to fc a l c u l a t i o n p r e c i s i o no nt h et r a i n i n gt i m ea n dt h ee f f e c to ft h en u m b e ro fn e u r a lc e l l si nt h e h i d d e nl a yo nt h ep r e d i c t e dr e s u l t sw e r es t u d i e d i ft h ec a l c u l a t i o np r e c i s i o ni s g r e a t e r , t h et r a i n i n gt i m ew i l l b e l o n g e ra n dt h ep r e d i c t e dr e s u l t sw i l l b em o r e a c c u r a t e i ft h en u m b e ro fn e u r a lc e l l si nt h eh i d d e nl a yi si n c r e a s e d ，t h es t r u c t u r eo f t t 山东大学硕士学位论文 t h en e tw i l lb em o r ec o m p l i c a t ea n dt h ee r r o ro ft h ep r e d i c t e dr e s u l t sw i l lb e d e c r e a s e d ，b u tt h ed e c r e a s e r a t i ob e c o m es m a l l e r t h e d e s i g no f an e wk i n do fc e r a m i cm a t e r i a lz r 0 2 ( w t i ) cu s e di nt h er i n go f c e r a m i cb a l lb e a r i n gw a ss i m u l a t e db yt h ed e v e l o p e ds o f t w a r es i m u l a t i o ns y s t e m ( w t i ) cp a r t i c l e sa r ea d d e d t ot h em a t r i xo fy - p s za n dan e wk i n do fm a t e r i a lw a s f a b r i c a t e d s u c c e s s f u l l y t h e e f f e c t so ft h ec o n t e n t o f ( w ，t i ) c o nt h e m i c r o p h o t o g r a p h o fc r y s t a lp a r t i c l e s ，t h e p h a s ea n dt h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s w e r ed i s c u s s e d i tw a sf o u n df r o mt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so f t h ec o n t e n to f ( w i t i ) c t h a tt h ec o n t e n to p t i m u m o f ( w j t i ) c i s4 5 ，t h ei n t e g r a t e dp r o p e r t i e sa r eb e t t e r , t h e v a l u e so f b e n d i n gs t r e n g t h ，h a r d n e s sa n df r a c t u r et o u g h n e s sa r e6 5 6 m p a ，1 4 0 6 g p a a n d11 7 m p a m 1 陀r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tw e r e c o m p a r e de a c ho t h e ra n dt h ec a u s eo f t h es i m u l a t i o ne r r o r sf o rt h ez r 0 2 ( w t i ) c d e s i g nw e r ea n a l y z e d t h ew e a rr e s i s t a n c eo f z y w 3 5 ( 3 - p s z + 3 5 v 0 1 ( w ：t i ) c ) w a si n v e s t i g a t e db y c o m p a r i s o n w i t hz y a 3 0 ( 3 - p s z + 3 0 w t a 1 2 0 3 ) i tw a sp r o v e df r o mt h ew e a r e x p e r i m e n tr e s u l t s t h a tt h ew e a rp e r f o r m a n c eo fz y a 3 0i sb e t t e rt h a nt h a to f z y w 3 5a n dt h ew e a rm e c h a n i s ma r ep l a s t i cd e f o r m a t i o n ，a d h e s i v ew e a ra n d s t i p p i n g k e y w o r d s ：a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k ，s i m u l a t i o n ，z i r c o n i a ，( w , t i ) c ， c e r a m i c b e a r i n gr i n g ，w e a r r e s i s t a n c e i l l 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 先进复相陶瓷的研究现状 陶瓷材料作为一种新型材料，在某些方面具有比金属更为优越的性能。如 高的硬度、耐磨性、化学稳定性以及优良的耐高温性等，可用于一般金属难以 胜任的场合，如高温、强腐蚀环境。另外，由于陶瓷材料制成的零件重量轻， 隔热性好，对提高能源的利用率具有重要的意义。鉴于此，陶瓷材料在近几年 来得到了飞速发展，综合性能不断提高，被广泛应用于各个领域，如航空航天 工业、核能工业、化学工业、石油和食品工业等。在陶瓷材料中以下几方面的 内容已引起研究者的广泛兴趣。 1 1 1 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料( c m c ) ，是8 0 年代后期发展起来并倍受重视的一类高温 结构材料。与非陶瓷基复合材料和单组分相比，这类材料具有耐高温、抗腐蚀、 高硬度等优点，其发展十分迅速。 ( 1 ) 相变增韧陶瓷基复合材料 z r 0 2 相变增韧是一种改善陶瓷脆性的有效途径。自1 9 7 5 年g a r v i e 2 】首先 成功的研制出高韧性的z r 0 2 陶瓷，并提出相变有关理论以来，经过几十年的发 展，人们研制了一系列品种繁多的相变增韧陶瓷，如m g ( c a 或y ) 一p s z ( p a r t i a l l y s t a b l i z e dz i r c o n i a ) ，y ( c e ) 一t z p ( t e t r a g o n a lz i r c o n i ap o l y c r y s t a l ) ，z t a ( z i r c o n i a t o u g h e n e da l u m i n a ) 等。相变增韧陶瓷在室温下具有高强高韧，但其高温性能欠 佳，而且硬度偏低，使这类材料在高温受力、工程耐磨及大批量生产等方面受 到限制。相变增韧陶瓷复合材料强度的改善主要归结于相变增韧( 或微裂纹增 韧) 以及第二相粒子对基质晶粒长大的抑制；相变效应受t - z r 0 2 ( 四方氧化锆) 晶粒尺寸以及其稳定剂的种类，含量和分布等因素的影响。近几年来，z r 0 2 增 韧的基体材料的研究也不断扩大，由一般的氧化物陶瓷( 如a 1 2 0 3 、莫来石等) ， 1 山东大学硕士学位论文 i _ _ _ _ 量旨_ 置_ | 曩_ _ _ - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ 发展到非氧化物陶瓷，包括氮化物陶瓷( s i 3 n 4 ) ，碳化物陶瓷( s i c ) ，硼化物 陶瓷( z r b 2 ，t i b 2 ) 等，效果都十分显著。 ( 2 ) 晶须、纤维补强陶瓷复合材料 陶瓷基体中含有定长径比的晶须或类晶须状不连续弹性增韧相时，断裂 过程中晶须的拔出、桥联作用使裂纹扩展的耗散能量增加，从而提高了复合材 料的断裂韧性。晶须复合陶瓷的研究工作在日本、美国、西德等国家纷纷开展 起来，研究系统主要包括s i c 晶须增强m o s i 2 ，a 1 2 0 3 ，z r 0 2 ，s i 3 n 4 以及玻璃 及微晶玻璃等 引。研究结果表明，晶须的加入可使陶瓷的断裂韧性提高 3 0 1 0 0 1 4 】，目前，进一步促进晶须复合陶瓷的研究和应用，尚需解决的问题 主要有：晶须的品种有限；均匀性分散工艺；晶须与基体界面设计； 烧结致密化；高成本问题：晶须毒性对环境的污染。 ( 3 ) 颗粒弥散强化复合陶瓷材料 弥散复合陶瓷中，囡其二相粒子的种类、含量、分布、结晶形状及尺寸的 不同，对基质的强韧化机理也不尽相同。对延性相弥散强基质( 高弹性模量， 高强度) 复合体系，通过二相粒子的加入，在外力作用下产生一定的塑性变形 或者沿晶界面滑移产生蠕变来缓解应力集中，以达到增强增韧的效果。这类材 料除了人们熟知的反应烧结s i c 材料，它是由s i c 和5 - - 2 0 游离s i 构成的复 相材料，还包括后来发展起来的a 1 2 0 3 、a 1 n 材料( 含a 1 ) 以及高温蔓延技术 制备的t i c n i 复合材料。对刚性颗粒弥散复合陶瓷，主要利用二相粒子与基体 晶粒之间弹性模量与热膨胀系数上的差异，冷却过程中在粒子和基体周围形成 残余应力场，这种应力场与扩展裂纹尖端应力交互作用，从而产生裂纹偏转、 绕道、分支和钉扎等效应，对基体起增韧作用。这类分散相往往是一些高熔点、 高硬度的非氧化物材料( s i c ，t i b 2 ，b 4 c ，c b n 等) ，基体材料一般是a 1 2 0 3 、 莫来石、z r 0 2 等氧化物陶瓷，目前也发展到s i c 、s i 3 n 4 等非氧化物陶瓷。 2 山东大学硕士学位论文 1 1 2 梯度功能材料 梯度功能材料( f u n c t i o n a l l yg r a d i e n tm a t e r i a l s ) 是8 0 年代中期为了适应 未来航空、航天、先进动力等高技术领域对材料的要求，出同本学者提出和发 展起来的种组分结构和性能均呈连续变化的新型复合材料，具有优异的隔热、 防热和缓和热应力的功能。 利用这一概念，对陶瓷的表面进行改性，形成材料的表面压应力，同时可 以愈合表面的缺陷，从而达到改进材料整体性能的同的。从碳化物在定温度 和压力下，在热力学。：处j ：不稳定状态呖转化成氮化物的原理出发，通过热等 静压处理工艺，使s i c 表面生成s i 3 n 4 层，成为梯度结构s i 3 n 4 一s i c 复相陶瓷。 它具有强度高达9 0 0 m p a 和断裂韧性为8 m p a m o 5 的高性能，这一工艺同样 可以制备s i c t i c t i n 或s i c s i 3 n 4 一t i c t i n 复相陶瓷【5 i 。 赵军【6 i 采用粉木叠层填充轴向热压烧结工艺成功制备了梯度功能陶瓷 刀具材料f g 一1 ( a 1 2 0 3 t i c 系) 和f g 一2 ( a 1 2 0 3 ( w ，t i ) c ) 系，并对这两 种陶瓷刀具材料的物理力学性能、显微结构、抗热震性及切削性能进行了研究。 f g 一1 的抗弯强度为7 5 0 8 5 0 m p a ，表层的硬度和断裂韧性分别为h v l 9 4 2 g p a 和6 4 m p am “2 ：f g - - 2 的抗弯强度为7 5 0 8 5 0 m p a ，表层的硬度和断裂韧性 分别为h v l 9 9 5 g p a 和5 6 m p am “2 。通过大量的切削实验证明了梯度功能陶瓷 刀具比均质陶瓷刀具抗磨损性能高，其原因主要是陶瓷材料制备过程中于表层 形成了残余压应力以及导热性能的改善。 1 i 3 纳米复合材料 纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料，它是由纳米级水平显微结 构组成的新型陶瓷材料，其中包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺 寸、缺陷尺寸等都只限于1 0 0 n m 量级水平。纳米复相陶瓷可分为三类：晶粒内、 晶粒问复相陶瓷和纳米纳米复相陶瓷。f 1 本新原皓一 7 1 把纳米级弥散相的作用 归结为：( 1 ) 纳米级颗粒抑制晶粒异常长大，使显微结构细化。( 2 ) 弥散相与 山东大学硕士学位论文 。 基体因热弹性失配，产生热应力。( 3 ) 局部应力使基体晶粒产生穿晶断裂。( 4 ) 高温时牵制位错运动，进而提高高温性能。对于s i 3 n 。一s i c 材料体系，基体中 的s i c 纳米粒子可控制基体晶粒形状及界面状态。粒子量较少时，b s i 3 n 。的 析出起晶核作用，粒子量较多时，可抑制棒状b s i 3 n 。晶粒长大，形成纳米纳 米显微结构。 1 2 陶瓷轴承的研究现状 随着机械工业向高精度、高效率和高度自动化方向的发展，在一些高科技 领域和某些特殊环境下工作的机械，如航空航天工业、核能工业、化学工业、 石油工业、食品工业等，需要在高温高速、耐腐蚀、真空、无磁性、无润滑、 重量轻等特殊环境f ! l 作，现在的轴承铡不能满足这种要求。用陶瓷材料做成 的轴承很适合于在高速、高温、耐腐蚀等特殊环境下工作。实验研究表明，混 合陶瓷轴承与同规格、同精度等级的钢轴承相比，其寿命可提高3 6 倍，温升 可降低3 5 6 0 1 8 1 。 陶瓷轴承有混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承两种，前者作为滚动体的球或柱用 陶瓷材料做成，而内外圈仍用轴承钢，或滚动体与内圈均用陶瓷材料，而外圈 仍用轴承钢；全陶瓷轴承则是滚动体与内外圈均用陶瓷制造。 1 2 1 国内外陶瓷轴承的研究概况 国际上从1 9 7 2 年美国研制成功陶瓷轴承以来，同本、德国急起直追，很 快得到发展。陶瓷轴承在机床上的应用，以h 本发展最快。美国研制成功的陶 瓷轴承使用温度己达到8 0 0 o c ，同本的混合陶瓷轴承的d n ( 轴承内径与转速的 乘积) 值达到2 5 0 万，全陶瓷轴承的d n 值达到2 1 2 l 丁。目前国际上除精密机床 主轴承用陶瓷轴承较多外，在燃氧涡轮发动机、真空泵等机械上也丌始试用陶 瓷轴承，但主要是用混合陶瓷轴承( 球或卡t 为s i 3 n 4 陶瓷) ，全陶瓷轴承仍处于 实验阶段，还没有实际应用。 国内于1 9 9 0 年以后，在一些大学，如广东工学院，进行了陶瓷轴承的基 4 山东大学硕士学位论文 础研究，东北大学、沈阳建工学院、西北工业大学、天津大学等进行了陶瓷球 的精密加工实验研究，哈尔滨工业大学等进行了混合陶瓷轴承的研制和性能实 验研究1 9 l 。总之，国内的研究起步较晚，目前在混合陶瓷轴承方面正处于实验 研究阶段，还没有丌发成功任何产品。全陶瓷轴承除做些基础研究外，还没有 进行任何实验工作。 1 2 2 轴承用陶瓷材料的性能 陶瓷作为滚动轴承材料的主要目的是为了适应轴承的高速化和耐腐蚀的 要求，为了减少高速旋转的滚动体的离，心力和惯性力，首先考虑的是作为轴承 材料的低密度和为满足高温工况条件下的高强度和高硬度特性。此外，作为轴 承材料还必须具有在不同温度下的尺寸稳定性，以保证轴承在温度变化的工况 条件下，保持精密的尺寸和精确的配合。在特殊环境下还必须具备抗腐蚀、抗 分解能力。由于在滚动中存在极大的摩擦，因此，要求摩擦系数要小，耐磨损 性能要高。作为轴承材料本身，要求有很大的接触疲劳强度。 目前己丌发的陶瓷材料有氮化硅、碳化硅、碳化钛、氧化锆、氧化铝等几 种主要陶瓷材料。陶瓷轴承主要具有以下一些优良的性能【l 。 ( 1 ) 陶瓷轴承的高速旋转性能 轴承在运转时，滚动体的离心力会随转速的升高急剧增大，轴承的滚动接 触表面的滑动摩擦加剧，轴承的寿命随之缩短。低密度的陶瓷轴承在低载荷高 速度旋转时，滚动体的离心力大大减小，由于离心力引起的高速打滑现象也大 大降低，从而使滚动体保持架组建的惯性力显著减小，轴承的寿命显著提高。 ( 2 ) 陶瓷轴承的高温性能 温度的变化对轴承的滚动疲劳寿命产生较大的影响，陶瓷轴承在高温工况 条件下具有很好的滚动疲劳强度。在俐热轴承钢谈失硬度和强度的情况下，氮 化硅的强度和硬度依然如故。耐热轴承钢的极限温度为3 0 0 - 4 0 0 。c ，而氮化硅 只是在8 0 0 1 0 0 0 。c 时硬度和强度爿丌始降低，采用陶瓷轴承就意味着轴承具有 山东大学硕士学位论文 较好的接触应力和较长的疲劳寿命。 ( 3 ) 尺寸稳定性能 钢制轴承在运转中随着温度的变化其尺寸将产生变化，这些变化将影响轴 承的运转性能，因此，在较高温度条件下运转的轴承均需进行尺寸稳定处理， 以保证其在高温条件下运转的稳定性。氮化硅陶瓷材料的线膨胀系数大约是 m n 5 0 钢的四分之一，在温度升高时由于低的热膨胀系数可以使轴承有最小的 尺寸变形，保持高温下运转的尺寸稳定性。其运转性能也就相对稳定。同时氮 化硅的导热性能较大，高的导热性可防止轴承过大的温度梯度。 ( 4 ) 抗化学腐蚀性能 对余属材料来说，通常环境下发生的是电化学腐蚀，而陶瓷材料一般是绝 缘体和半导体，因而在溶液中发生的腐蚀是化学腐蚀，其腐蚀主要取决于化学稳 定性，其次还受晶界相和各种添加物的影响。另外，陶瓷材料在制取过程中会 使内部产生残余应力，在许多情况下出于应力集中而加剧了陶瓷的腐蚀和老化。 出于钢制材料的化学稳定性较差，不适合制造化学工业或核动力工业用轴承， 可选用陶瓷轴承来代替。 ( 5 ) 抗高温氧化性能 在惰性介质中，大多数陶瓷在很高的温度下仍然是稳定的，但在氧化介质 中存在时，其中的碳化物、氮化物系等非氧化系陶瓷会发生高温氧化腐蚀，同 本学者研究了9 0 0 1 4 0 0 。c 、高温大气环境中( 水汽分压1 5 - 2 0 m p a ) s i 3 n 4 、s i c 和a 1 n 等陶瓷的高温氧化行为，结果所有的试样都发生了程度不同的氧化腐蚀。 其腐蚀氧化程度a 1 n s i 3 n 4 s i c ( 6 ) 抗疲劳及应力腐蚀性能 陶瓷在常温大气中长时间的使用会逐渐发生破坏，这就是陶瓷的疲劳。实 际上这种疲劳是腐蚀破坏引起的，如同金属材料在使用中遇到的应力腐蚀与腐 蚀疲劳。在循环应力作用下加速陶瓷疲劳的类型有两种：晶界相互作用型和应 力诱导变态型。 山东大学硕士学位论文 ( 7 ) 高耐磨性能 陶瓷轴承的高耐磨性除因其高硬度外，与高速轴承的自旋一滚动比值有关。 由于陶瓷球轴承更适合滚动接触条件，其内应力也小，因此，在高速和接触角 有差别的情况下，陶瓷球轴承产生的摩擦磨损及温升都比较小，在润滑条件恶 劣时，陶瓷轴承更能显示出好的运转性和高的j 时磨性。 1 2 3 陶瓷轴承的应用 6 0 年代以来，随着陶瓷材料的丌发应用，陶瓷轴承也得以发展，美国诺顿 公司已将s i 3 n 4 陶瓷轴承应用在航天飞机的液压泵上，轴承的运转速度提高了 5 0 1 0 0 ；日本n s k 、k o y o 和n t n 三大公司在陶瓷轴承的丌发研究方面 竞争相当激烈。k g m 工厂制造的s i 3 n 4 轴承已用于高温、水、酸、碱等特殊介 质及化工、医药和印染设备上。与国外相比，我国陶瓷轴承的开发应用起步较 晚，目前尚处于开发试制阶段，陶瓷轴承的丌发应用已列入轴承行业“十五” 重点丌发项目，今后将继续加强研究的力度和深度，促进陶瓷轴承的发展，以 适应国民经济建设的需要。 1 3 氧化锆陶瓷的研究现状 氧化锆陶瓷由于具有多种相念，以不同相念存在时具有不同的性能，所以 种类繁多。目前应用最多的氧化锆陶瓷是四方氧化锆多晶体( 简称t z p ) 、部 分稳定氧化锆( p s z ) 、以t z p 或p s z 为基体的增韧陶瓷和以氧化锆为分散相 的复相陶瓷，1 引。 ( 1 ) 四方氧化锆多晶体( t z p ) ：由于稳定剂的作用和氧化锆晶粒间相互 的抑制，t z p 材料中的所有氧化锆晶粒都以四方相( 简称t 相，下文同) 形式 存在，其在应力诱导下可相变的四方氧化锆的比例最高，因此具有特别高的室 温断裂韧性和抗弯强度。由于稳定剂的不同，t z p 有很多种类，常用的有y - t z p ( 稳定剂为y 2 0 3 ) 、c e - t z p ( 稳定剂为c e 0 2 ) 等。 ( 2 ) 部分稳定氧化锆陶瓷( p s z ) ：狭义上的p s z 由四方相和单斜相( 简 山东大学硕士学位论文 称m 相，下文同) 两相组成，在制备过程中，稳定剂的添加量小于使氧化 锆完全稳定所需要的量，通常在四方单相区烧成冷却后，再在m + t 双相 区进行适当的热处理，一部分t 相晶粒发生相变而形成m + t 两相陶瓷。 根据稳定剂的不同，分别有c a p s z ( 稳定剂为c a o ) 、m g p s z ( 稳定剂 为m g o ) 和y p s z 等。 ( 3 ) 以t z p 、p s z 为基体的增韧陶瓷：研究表明，在y t z p ( 或 p s z ) 中加入弥散颗粒或晶须，可以通过第二相的裂纹弯曲增韧来进一步 提高y t z p 的强度和韧性，尤其重要的是可以显著提高y t z p 的高温强 度和断裂韧性，是一类很有发展前途的氧化锆陶瓷。其中，添加s i c ，来 提高y t z p 高温力学性能的工作己取得较好的结果 j 。 1 4 本课题的主要研究内容、目的及意义 随着陶瓷材料研究的不断深入以及陶瓷轴承的开发，尽管我国对陶瓷轴承 的研究起步较晚，而且目前尚处于实验阶段，特别是对全陶瓷轴承的研究刚刚 丌始，但是己经引起我国政府的高度重视。国内的许多大学和科研机构f 在努 力研究，因此研究丌发陶瓷轴承势在必行。本课题旨在研究丌发一种新型陶瓷 轴承内外圈用的陶瓷材料，其特点是强度高、硬度高、断裂韧性大、抗疲劳性 能好。陶瓷球轴承比钢制球轴承的寿命高出很多，适应性强，这就为许多应用 轴承的场合，从性能和寿命方面提供了十分有利的条件。所以，从综合的社会 经济效益来看，陶瓷轴承的研究具有广阔的前景和重要的意义。本课题的研究 内容主要包括两大部分：陶瓷材料的仿真设计、陶瓷轴承内外圈材料的研制。 ( 1 ) 陶瓷材料的仿真设计：本课题采用人工神经网络方法对陶瓷材料进 行没计和性能预测，综合考虑所查文献当中有关神经网络在材料领域的应用， 采用目前研究比较成熟的b p 网络。b p 网络是多层前馈神经网络，能够通过学 习已知t t 确答案的实例集自动提取“合理”的求解规则。b p 网络具有非线性映 射能力，可以实现任意m 维空阳j 到n 维空阳j 的映射。通过人工神经网络进行 山东大学硕士学位论文 综合仿真，可以建立如下的函数映射关系： f ( 陶瓷材料组分、配比、烧结工艺) h 力学性能( 断裂韧性、抗弯强度、 硬度) ( 2 ) 以氧化锆为基体的陶瓷轴承内外圈的研制：以氧化锆为基体，添加 ( t i ，w ) c 固溶体、少量氧化物或会属，制备一种新型陶瓷材料。氧化锆( z r 0 2 ) 陶瓷是7 0 年代发展起来的类极有发展前途的新型结构陶瓷，由于具有优良的 力学性能，所以素有“陶瓷钢”的美称。近二十年来，具有各种力学性能的氧 化锆陶瓷和以氧化锆为增韧相的复合陶瓷迅速发展，在工业和科学技术的许多 领域获得了同益广泛的应用。 氧化锆主要来源于锆英石，在不同的温度下，氧化锆以三种不同的晶型存 在，即立方、四方和单斜晶型。立方晶型稳定于2 3 7 0 至其熔点2 6 8 0 ，四方 晶型稳定于1 1 7 0 2 3 7 0 ，单斜晶型稳定于1 1 7 0 。c 以下，其相变转化过程如下： 单斜一四方一立方一液相。在单斜相到四方相的可逆转变中，伴随体积的收缩， 反之呈明显的体积膨胀，体积变化效应约5 7 。在转变中会出现压应力或 拉应力，产生微裂纹效应。适当的添加剂可以抑制这种微裂纹效应，已知的各 种起稳定作用的添加剂主要是c a 、m g 、y 和其他稀土元素的氧化物中的一种 或几种。 本方案采用y 2 0 3 稳定的氧化锆作为基体，添女t l ( t i ，w ) c 固溶体。( t i ，w ) c 固溶体作为硬质相，具有良好的综合力学性能。许崇海利用( t i ，w ) c 固溶体 增强a 1 2 0 3 基陶瓷，成功制备了一种新型陶瓷刀具材料。 9 - l _ _ _ 一 山东大学硕士学位论文 。 2 人工神经网络及其在材料设计中的应用 2 1 人工神经网络方法 2 1 1 人工神经网络的特点及发展概况 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，简称a n n ) 是真实人脑神经网 络的结构和功能，以及若于基本特征的某种理论抽象、简化和模拟而构成豹一 种信息处理系统。从系统观点看，人工神经网络是由大量神经元通过极其丰富 和完善的连接构成的自适应非线性动态系统，由于神经元之间有着不同的连接 方式，因而它可以组成不同结构形态的神经网络系统。主要有以下几种类型： ( 1 ) 不含反馈的前向网络，( 2 ) 从输出层到输入层有反馈的前向网络，( 3 ) 层 内互相结合的前向网络，( 4 ) 相互结合型网络。 人工神经网络( a n n ) 是用过程技术手段模拟生物神经网络的结构特征和 功能特征的一类人工系统，它用非线性处理单元来模拟生物神经元，用处理生 物之问的可变连接强度( 权值) 来模拟突触行为，从而形成一个规模并行非线 性系统1 2 0 “。其主要特点如下： ( 1 ) 分布存储和容错性：一个信息不是存储在一个地方，而是按内容分 布在整个网络上。每个神经元存储多种信息的部分内容，网络的每部分对信息 的存储有等势作用。 ( 2 ) 大规模并行处理：网络中的信息处理是在大量单元中并行而又有层 次的进行，因此，运算速度高，大大超过传统的序列式运算数字机。 ( 3 ) 自组织、自学习和自适应性：神经网络是一种变结构系统，能完成 对环境的适应和对外界事物的学习，神经元之间的连接具有一定的可塑性，网 络可以通过训练和学习进行自组织以适应不同信息处理的要求。 早在2 0 世纪4 0 年代，作为分布式并行处理系统，神经计算机与目前广泛 使用的数字计算机同时得到了研究，只是由于后者的进展顺利以及当时神经网 山东大学硕士学位论文 络本身的局限性限制了它的发展。直至2 0 世纪8 0 年代中期，人工神经网络的 研究才取得了突破，成功地解决了推销员旅行路径优化问题【1 6 】。使人们又重新 将注意力转移过来，形成了一股研究热潮，并迅速走向各个领域，希望用以解 决专家系统和统计分析方法不易解决的问题，先后在贷款风险评估、股票及市 场分析、天气预报、化工过程控制、电力负载预测等方面获得了应用。从1 9 8 7 年起，神经网络的发展已跨入新的时期，在过去的几年罩，神经网络理论和应 用以令人振奋的速度发展。神经网络不再停留于研究阶段，人们开始设计并实 现一定规模的神经元芯片、神经计算机装置，在现有计算机基础上建立神经网 络开发工具等。迄今为止的神经网络研究，大体上可分为三个大的方向： ( 1 ) 神经元系统的生物结构和机制，这实际上是神经网络理论研究的初 衷： ( 2 ) 用微电子学或光学器件形成特殊功能网络，这主要是新一代计算机 制造领域所关注的问题； ( 3 ) 将神经网络理论作为一种解决某些问题的手段和方法，这些问题在 利用传统方法时无法解决，或者在具体处理技术上尚存困难。 2 1 2 神经网络的应用 神经网络理论的应用取得了令人瞩目的进展。特别是在人工智能、自动控 制、信息处理、机器人、模式识别、c a d c a m 等方面都有较好的应用实例， 下面列出一些主要的应用领域i 1 。 ( t ) 模式识别与图像处理 印刷体和手写体字符识别、语音识别、签字识别、指纹识别、目标检测与 识别、图像压缩与复原等。 ( 2 ) 控制与优化 化工过程控制、机器人运动控制、家电控制、石油精炼优化控制和超大规 模集成电路布线设计等。 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 预报和智能信息管理 股票市场预测、地震预报、有价证券管理、借赁风险分析、i c 卡管理等。 ( 4 ) 通讯 自适应均衡、回波抵消、路由选择和a t m 网络中呼叫接纳识别及控制等。 ( 5 ) 空间科学 空问交会对接控制、导航信息智能管理、飞行器制导和飞行程序优化管理 等。 2 1 3 神经网络学习方法 通过向环境学习获取知识并改进自身性能是神经网络的一个重要特点，在 一般情况下，性能的改善是按某种预定的度量通过调节自身参数( 如权值) 逐 步达到的，学习方式有三种。 ( 1 ) 监督学习( 有教师学习) 如图2 1 所示，这种学习方式需要外界存在一个“教师”，他可对给定一 组输入提供应有的输出结果，这组已知的输入一输出数据称为训练样本集，神 经网络可根据已知的输出与实际输出之间的差值束调节系统参数。 ( 2 ) 非监督学习( 无教师学习) 如图2 2 所示，非监督学习不存在外部教师，学习系统完全按照环境提 供数据的某些统计规律来调节自身的参数或结构，这是一种自组织过程，以表 示出外部输入的某种特性，如聚类或某种统计上的分布特征。 ( 3 ) 再励学习( 强化学习) 如图2 3 所示，这种学习介于上述两种情况之间，外部环境对系统输出结 果只给出评价信息( 奖或惩) ，而不是给出正确答案，学习系统通过强化那些受 奖的动作来改善自身的性能。 1 2 山东大学硕士学位论文 匝p b 围 图21 有剃咐自导的学习框图 图2 2 尤刻j i 砖旨导的学习框图 图23 冉励学习框图 2 2 多层前馈神经网络及b p 算法 2 2 1 多层前馈神经网络 多层前馈神经网络有输入层、输出层及一个或多个隐层组成。网络的工作 过程是信息的前向传播过程，即外部信息由输入层单元经隐层单元逐层向前传 播，输出层负责输出信息的处理结果。其网络结构形式见图2 4 ，由非线性变换 单元组成的前馈网络简称b p 网络。b p 网络的非线性划分比较精确，网络的容 错性好，权的解析式十分明确，它的学习算法称为反向传播法，即b p 算法。 2 2 2b p 学习算法( b a c k p r o p a g a t i o n ) b p 算法是一种有教师指导的学习算法，输入学习样本为p 组x 1 ，x 2 ， x 9 ，已知与其对应的期望输出为t ，t 2 ，t 9 ，学习算法是将实际的输出y l ， 13 山东大学硕士学位论文 y 2 ，y ”与期望输出t 的误差来修改其连接权和阀值，使y 和要求的t 尽可 能的接近。 误筹反传( 学习算法) ： ；i j 1 i 纛一兰 输入层输出层 隐含层 信号流 图2 4 基于b p 算法的神经元嘲络的结构 期望输出向最 ( 导师信号) 设含有共l 层和n 个节点的一个任意网络，每层单元只接受前一层的输出 信息并输出给下一层的单元，各节点的特性为s i g m o i d 型。为简单起见，认为 网络只有一个输出y 。设给定n 个样本( 。k ，y o ( k = 1 ，2 ，n ) ，任一节点的 输出为o ，k ，研究第l 层的第j 个单元，当输入第k 个样本时，节点j 的输入为： n e t ：, = w f ，il ，。i - 1 ( 2 1 ) 0 ，k 。1 表示1 - 1 层，输入第k 个样本时，第i 个单元节点的输出，则此时j 点的输 出为： 巩= f ( n e t ：k ) ( 2 2 ) 使用误差函数为平方型： 驴圭莩( 驴歹 ( 2 - 3 ) 式中，y 且是单元j 的实际输出。 山东大学硕士学位论文 总误差为 耻去静 定义占：墨 。 a n e t j , 于是有 两o e k = 砑o e k 可o n e t j k = 可o e k 。扣擗 下面分两种情况来讨论： ( 1 ) 若节点j 为输出单元，则。么= j ，一 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 耻毒2 舞两o y y k = - - ( y k - - 珀八删盖) ， ( 2 ) 若节点j 不是输出单元，则 耻毒毒等专八脚_ ， 旺s ，