學(xué)校名稱

長沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

李明

201621030222

機(jī)制設(shè)計(jì)制造及其自動化

男

2016

張浪

201621030211

機(jī)制設(shè)計(jì)制造及其自動化

男

2016

陳馳

201621030231

機(jī)制設(shè)計(jì)制造及其自動化

男

2016

陳旭鴻

201621030216

機(jī)制設(shè)計(jì)制造及其自動化

男

2016

金程

201621030208

機(jī)制設(shè)計(jì)制造及其自動化

男

2016

指導(dǎo)教師

唐昆，李河清

職稱

講師，副教授

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

    項(xiàng)目組成員李明參加了長沙理工大學(xué)大學(xué)生科技項(xiàng)目《FSAE制動液壓管道布局優(yōu)化設(shè)計(jì)》， 項(xiàng)目組成員張浪參加長沙理工大學(xué)大學(xué)生科技項(xiàng)目《FSAE賽車懸架立柱設(shè)計(jì)與優(yōu)化》，主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)開展和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理等工作。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

    以項(xiàng)目負(fù)責(zé)人身份分別主持國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、湖南省教育廳項(xiàng)目、湖南省自然科學(xué)基金項(xiàng)目、工程車輛輕量化與可靠性技術(shù)湖南省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目各一項(xiàng)。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

一、項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的

近年來，伴隨各類光電產(chǎn)品小型化、精密化的發(fā)展趨勢，高精度、高性能小口徑玻璃鏡片的需求與日俱增。該類鏡片多采用非球面面型，可有效修正影像的畸變、色差、彗差，改善成像質(zhì)量、提高系統(tǒng)鑒別能力及簡化儀器結(jié)構(gòu)。同時，在各類玻璃材質(zhì)中，鑭系玻璃具有高折射率、低色散的特性，因此廣泛應(yīng)用于軍用與民用光電系統(tǒng)中。目前，對于小口徑鑭系玻璃鏡片的批量、精密制造，主要采用精密熱壓成型技術(shù)，相比傳統(tǒng)研拋法，該技術(shù)具有工序少，成本低，工藝參數(shù)可控，環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，可獲得高尺寸及面形精度、低表面粗糙度的玻璃鏡片。

然而，由于鑭系玻璃脆而易碎，直接通過成型實(shí)驗(yàn)來確定最優(yōu)工藝參數(shù)的方法耗時長、成本高，且易導(dǎo)致昂貴的精密模具出現(xiàn)損傷。因此，本項(xiàng)目擬將有限元仿真分析技術(shù)運(yùn)用于鑭系玻璃的精密熱壓成型，通過模擬不同工藝參數(shù)條件下鏡片的應(yīng)力、溫度分布及輪廓偏移量等，對實(shí)驗(yàn)條件下成型鏡片的表面質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，以此獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，并采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行模壓成型實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證仿真分析模型及分析結(jié)果的有效性。通過項(xiàng)目的開展，可提高小口徑鑭系玻璃鏡片熱壓成型工藝的可靠性，并降低其成本。

二、研究內(nèi)容

1、通過對鑭系玻璃應(yīng)力松弛、結(jié)構(gòu)松弛及熱傳遞模型的分析，根據(jù)玻璃及模具的材料熱力學(xué)性能參數(shù)，并結(jié)合模壓工藝實(shí)驗(yàn)參數(shù)，建立起鑭系玻璃鏡片熱壓的有限元模型；

2、通過對熱壓成型過程五個階段，即加熱升溫、高溫浸潤、加壓變形、去應(yīng)力退火和冷卻固化的連續(xù)仿真，獲得不同工藝參數(shù)條件下鏡片的應(yīng)力、溫度分布及輪廓偏移量等，并對成型鏡片的表面質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測，以此獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)；

3、采用優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行小口徑鑭系玻璃鏡片的模壓成型實(shí)驗(yàn)，對鏡片精度進(jìn)行檢測，以驗(yàn)證有限元模型及仿真分析結(jié)果的可靠性。

三、擬解決的主要問題：

1、鑭系玻璃材料高溫?zé)崃W(xué)性能參數(shù)的獲??；

2、基于應(yīng)力松弛、結(jié)構(gòu)松弛及熱傳遞模型的鑭系玻璃鏡片熱壓有限元模型的建立；

3、鑭系玻璃鏡片熱壓過程的五階段連續(xù)仿真及對仿真模型的修正。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

早在20世紀(jì)50年代，模壓成型的雛形開始展現(xiàn)。當(dāng)時在制造玻璃毛坯時，把重量達(dá)到規(guī)定要求的玻璃塊用電爐加熱到軟化狀態(tài)，然后將其放入常溫的壓型機(jī)內(nèi)壓制成形，俗稱二次壓型或再加熱壓型。最早在1960年，美國的康寧（Coming）公司就開始采用連續(xù)焙揀工藝來生產(chǎn)玻璃眼鏡片。而最近幾年我國在模壓成型領(lǐng)域也取得了一系列的成果，積累了一定的研究經(jīng)驗(yàn)，能夠得到較高精度的光學(xué)元件。近年來，湖南大學(xué)由尹韶輝教授帶領(lǐng)的研究小組對光學(xué)玻璃模壓成型進(jìn)行了一系類的研究，其中王玉芳等利用非線性有限元軟件對非球面光學(xué)玻璃透鏡模壓成形進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究發(fā)現(xiàn)成形透鏡和模具的最大殘余應(yīng)力隨著模壓速率的減小而減小，隨著模壓溫度的升高而減小。北京理工大學(xué)的周天豐教授為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)玻璃微溝槽的高精度模壓成形制造，改進(jìn)了玻璃-模具界面摩擦模型并通過模壓成形有限元仿真與試驗(yàn)，揭示玻璃微溝槽模壓成形中材料高溫形變規(guī)律，提高了微溝槽的成型精度。另外，西安工業(yè)大學(xué)在劉衛(wèi)國教授的帶領(lǐng)下對為了對紅外玻璃的精密模壓工藝進(jìn)行仿真分析，利用熱機(jī)械分析方法，對紅外玻璃在高溫下的粘彈性進(jìn)行了研究。并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)表明，玻璃在高溫下會呈現(xiàn)出典型的粘彈性屬性，其彈性模量在較長的時間后會下降 5 個數(shù)量級。選擇微米結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真的結(jié)果表明，當(dāng)模壓時間超過13 min后，時間對模具腔體的填充率的影響不大。

日本東北大學(xué)的Saotome等對兩種光學(xué)玻璃在Tg點(diǎn)到Tg點(diǎn)+30℃的溫度范圍條件下進(jìn)行模壓成形實(shí)驗(yàn)，得到不同溫度下真實(shí)應(yīng)力與應(yīng)變率的關(guān)系，證實(shí)了該溫度區(qū)間玻璃可視為牛頓粘滯流。日本東北大學(xué)Yan等主要研究了玻璃在轉(zhuǎn)變溫度以上時的粘彈性行為，討論了高溫玻璃的不同蠕變模型，對非球面和微結(jié)構(gòu)玻璃元件的模壓成形技術(shù)進(jìn)行了探討分析，使得玻璃模壓成型精度達(dá)到一個新的高度。德國賀利氏石英公司的Haken等研究了假想溫度在熱處理過程中對磁性玻璃折射率分布的影響。德國肖特公司的Fotheringham等在Tool Narayanaswamy Moynihan 模型的基礎(chǔ)上研究了玻璃模壓成型中透鏡折射率下降的現(xiàn)象，并對該規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)一步完善了模壓成型后所得到玻璃透鏡的缺陷。

美國俄亥俄州立大學(xué)的AllenYi 等開展了比較系統(tǒng)的研究工作，其中包括玻璃透鏡模壓成形的數(shù)值仿真，成形過程中的殘余應(yīng)力與應(yīng)力松弛的預(yù)測、工藝優(yōu)化分析以及折射率改變等問題。 同時，美國貝萊姆森大學(xué)的Ananthasayanam對結(jié)構(gòu)松弛進(jìn)行了深入研究，討論了粘彈性理論、結(jié)構(gòu)松弛理論及模壓成形工藝參數(shù)對輪廓偏移量的影響并對L-BAL35型玻璃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，討論得出玻璃預(yù)形體受熱越均勻，模壓速率越小，模壓后得到的玻璃透鏡輪廓偏移量越小。以及美國貝萊姆森大學(xué)的Scott Gaylord對玻璃的結(jié)構(gòu)松弛進(jìn)行了研究，采用光束彎曲和平行板技術(shù)來測量玻璃粘度，分別使用加熱速率和等溫膨脹測量來確定玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg以及轉(zhuǎn)變區(qū)以下的膨脹特性。進(jìn)行差示掃描熱法測量并使用Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）模型進(jìn)行曲線擬合以進(jìn)行結(jié)構(gòu)松弛，并從這些計(jì)算中確定轉(zhuǎn)變區(qū)域中的動力學(xué)玻璃性質(zhì)響應(yīng)。結(jié)果表明，不能使用簡單的線性熱膨脹模型，并且必須實(shí)施結(jié)構(gòu)松弛，以便在通過玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)域快速冷卻時精確地限定玻璃膨脹性能,大大提高了玻璃模壓成型的面型精度以及成型質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]  朱科軍. 光學(xué)玻璃透鏡模壓成形的數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究. 湖南大學(xué), 2013年.  

[2]  尹韶輝；王玉芳. 微小非球面玻璃透鏡超精密模壓成型數(shù)值模擬. 光子學(xué)報(bào)，2010年11期.

[3]  周天豐；解家慶. 光學(xué)玻璃微溝槽模壓成形仿真與試驗(yàn)研究. 光學(xué)精密工程，2016年10期

[4]  劉衛(wèi)國；沈萍.  硫系玻璃的粘彈性及模壓工藝的仿真. 紅外與激光工程，2012年3期

[5]  Jain A．Experimental study and numerical anslysis of compression molding process for manufacturing precision aspherical glass lens：[dissertation]．The Ohio State University，2006，14-56

[6]  Balajee Ananthasayanam. COMPUTIONAL MODELING OF PRECISION MOLDING OF ASPHERIC GLASS OPTICS. Clemson University,  2008,12

[7]  Scott Gaylord. Thermal and Structual Properties of Candidate Moldable Glass Types. Clemson University,  2008,8

本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員來自長沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院2016級機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化專業(yè)。本專業(yè)涉及的知識面廣、信息量大，注重機(jī)械制造、CAD/CAE/CAM和實(shí)際動手能力的培養(yǎng)，使學(xué)生具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力、創(chuàng)新能力、分析和解決問題的能力。

通過前期基礎(chǔ)課的學(xué)習(xí)、專業(yè)基礎(chǔ)課及CAE軟件的自學(xué)，項(xiàng)目組成員系統(tǒng)掌握了機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、有限元分析等專業(yè)知識，對鑭系玻璃鏡片熱壓成型的基礎(chǔ)理論和工藝流程有了一定程度的了解，玻璃材料熱壓過程的有限元分析也做了前期探索。不僅如此，我們小組成員本身就對機(jī)械設(shè)計(jì)與制造有著濃厚的興趣，且小組成員各有所長，善于溝通交流，有組員擅長CAE/CAM仿真與建模，有利于加速項(xiàng)目的推進(jìn)。

我們相信在前期的工作基礎(chǔ)上，通過唐昆、李河清老師的精心指導(dǎo)，充分發(fā)揮我們組的聰明才智和專業(yè)特長，能夠圓滿地完成“小口徑鑭系玻璃鏡片精密熱壓成型仿真與實(shí)驗(yàn)”的項(xiàng)目開展。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

    1、基于玻璃的應(yīng)力松弛、結(jié)構(gòu)松弛及熱傳遞模型，建立起鑭系玻璃鏡片熱壓成型過程的有限元分析模型：本項(xiàng)目通過精密熱壓成型機(jī)測試玻璃材料的熱-機(jī)械特性，并通過試驗(yàn)建立熱壓成型過程的熱粘彈性本構(gòu)模型，分析玻璃粘度隨溫度變化的規(guī)律，測試玻璃和模具的熱傳導(dǎo)和熱膨脹特性，并將試驗(yàn)獲得的高溫?zé)崃W(xué)參數(shù)輸入到仿真計(jì)算模型中修正模具參數(shù)，獲得最優(yōu)的熱壓成型條件，再通過模壓成型機(jī)加工玻璃鏡片。由實(shí)驗(yàn)到仿真然后回歸實(shí)驗(yàn)，并由同一臺成型機(jī)完成玻璃性能測試和鏡片的加工，本項(xiàng)目在熱壓成型技術(shù)的研究方法上具有一定的創(chuàng)新。

    2、采用熱壓過程的五階段連續(xù)仿真理論與方法：將成型過程的加熱軟化、高溫浸潤、加壓成型、去應(yīng)力退火和冷卻固化五個階段分階段仿真實(shí)現(xiàn)，并且又將五個階段依次串聯(lián)起來，結(jié)合實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)，更加真實(shí)的逼近實(shí)驗(yàn)過程，仿真精度更高，對光學(xué)加工的計(jì)算機(jī)仿真具有一定的創(chuàng)新。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

一、項(xiàng)目的技術(shù)路線

   本項(xiàng)目技術(shù)路線如下圖1所示：

圖1 項(xiàng)目的技術(shù)路線圖

    圖1所示的技術(shù)路線具體可分解為：

    1、鑭系玻璃高溫?zé)崃W(xué)性能參數(shù)的實(shí)驗(yàn)獲取和理論本構(gòu)模型的建立

    玻璃成型的高溫?zé)崃W(xué)性能參數(shù)包括玻璃的粘度、表面張力、熱膨脹特性和熱傳導(dǎo)特性等。在仿真計(jì)算中，玻璃的機(jī)械特性，尤其是玻璃粘度隨溫度變化的特性，玻璃和模具的熱傳導(dǎo)和熱膨脹特性至關(guān)重要。通過模壓機(jī)中的加熱板對圓柱形光學(xué)玻璃加熱到成型溫度，再對圓柱形玻璃進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)。將壓縮時的拉力或壓力通過力傳感器采集，建立起拉力或壓力、變形位移與時間的關(guān)系。通過變形位移可計(jì)算圓柱變形后橫截面面積，以此計(jì)算出圓柱體玻璃變形的工程拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力和工程應(yīng)變，這樣就可建立玻璃材料的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系曲線，通過曲線擬合，即可得玻璃材料的本構(gòu)模型。利用本構(gòu)模型，再反向計(jì)算出壓縮實(shí)驗(yàn)過程中的壓力變化，檢驗(yàn)玻璃本構(gòu)模型的正確性和精度，并適當(dāng)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。其中曲線擬合可采用的粘彈性模型通常有Maxwell模型，Kelvin模型和Burgers模型，如圖2所示。

圖2  粘彈性（a） Maxwell模型，（b） Kelvin模型，（c） Burgers模型

    2、鑭系玻璃非球面鏡片的熱壓成型工藝參數(shù)的優(yōu)化

非球面玻璃鏡片的熱壓成型仿真擬采用大型非線性通用仿真軟件MSC.Marc進(jìn)行建模、計(jì)算和處理。MSC.Marc可以進(jìn)行各種線性和非線性求解計(jì)算，能夠?qū)醾鲗?dǎo)和機(jī)械變形實(shí)現(xiàn)耦合計(jì)算，并支持全自動二維網(wǎng)格和三維網(wǎng)格重劃，用以糾正過渡變形后產(chǎn)生的網(wǎng)格畸變，確保大變形分析的繼續(xù)進(jìn)行。其中，模塊Pre-state，可以將前一個階段的計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入后一個計(jì)算模型中，作為后一個計(jì)算模型中的初始條件。利用這個功能，可以將玻璃非球面鏡片成型的五個階段有效的串聯(lián)起來，如圖3所示。

   圖3  玻璃鏡片熱壓成型的五個階段

（a）、（b）：加熱升溫，高溫浸潤；（c）加壓變形;（d）去應(yīng)力退火;（e）冷卻固化

    首先，將第一階段（a）與第二階段（b）的加熱過程和高溫浸潤過程在同一模型中進(jìn)行連續(xù)仿真分析，分析結(jié)果導(dǎo)入第三階段（c）的加壓變形模型中，于是熱變形引起的誤差就被累計(jì)到第三階段。加壓變形中，玻璃的本構(gòu)方程采用實(shí)驗(yàn)測試出的粘彈性模型，并將前一階段計(jì)算出的熱膨脹應(yīng)變、應(yīng)力等作為初始變形條件，將誤差累加到加壓變形中來，更加真實(shí)的反映玻璃的變形過程。接著，將合模后玻璃變形后的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入第四階段（d）的初應(yīng)力退火中，計(jì)算退火溫度和退火時間等參數(shù)。最后，將上述結(jié)果作為第五階段（e）的初始條件，計(jì)算出冷卻收縮量，并最終獲取成型后的玻璃非球面鏡片的形狀。

    比較仿真獲得的玻璃鏡片的形狀和設(shè)計(jì)的形狀，計(jì)算出兩者之間的偏差，即獲得模具的修正量，將模型中的模具減去這個偏差得到模具的理想形狀，并重新計(jì)算一遍，檢驗(yàn)是否獲得理想的非球面玻璃鏡片形狀。在獲得理想的模具形狀參數(shù)后，改變仿真中設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件，如成型溫度、模壓速度、保壓時間、模壓壓力等加工參數(shù)，計(jì)算出最低的成型溫度和最大模壓速度。成型溫度越低，模具的壽命就越長；模壓速度越快，成型效率就越高。在保證鏡片形狀精度的前提下，以此為標(biāo)準(zhǔn)，不斷優(yōu)化加工參數(shù)，反復(fù)仿真計(jì)算，獲取最優(yōu)加工參數(shù)。

    3、小口徑鑭系玻璃鏡片的成型實(shí)驗(yàn)

    熱壓成型實(shí)驗(yàn)在精密熱壓成型機(jī)上完成。利用模壓成型機(jī)，既可以測試玻璃高溫狀態(tài)下的高溫?zé)崃W(xué)特性，為有限元仿真提供可靠的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)；又可以模壓玻璃鏡片，驗(yàn)證有限元模型的可靠性。根據(jù)2中的仿真結(jié)果得到的優(yōu)化參數(shù)來設(shè)定鏡片的成型實(shí)驗(yàn)條件。通過加熱軟化、高溫浸潤、加壓成型、除應(yīng)力退火和冷卻固化五個階段，將圓球形玻璃坯料加工成設(shè)計(jì)的鏡片。最終測試成型加工得到的鏡片表面輪廓，并和設(shè)計(jì)輪廓做比較，驗(yàn)證仿真模型和仿真結(jié)果的正確性和可靠性。

二、預(yù)期成果

1、完成小口徑鑭系玻璃鏡片精密熱壓成型過程的建模與動態(tài)、可視化仿真，獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)；

2、基于優(yōu)化的工藝參數(shù)完成鏡片熱壓成型實(shí)驗(yàn)，并結(jié)合成型鏡片的檢測數(shù)據(jù)對仿真模型的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證；

3、針對鏡片成型仿真與實(shí)驗(yàn)，撰寫國家發(fā)明專利申請說明書一份；

4、撰寫“大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目”總結(jié)報(bào)告一份。

年度目標(biāo)和工作內(nèi)容（分年度寫）

2018.4 - 2018.7 鑭系玻璃應(yīng)力松弛、結(jié)構(gòu)松弛及熱傳遞模型的分析，玻璃材料高溫?zé)崃W(xué)性能參數(shù)的獲??；

2018.8 - 2019.1 鑭系玻璃鏡片精密熱壓成型過程的建模與動態(tài)、可視化仿真，優(yōu)化工藝參數(shù)；

2019.2 - 2019.4 鑭系玻璃鏡片的精密熱壓成型實(shí)驗(yàn)，及仿真模型的驗(yàn)證；

2019.5 - 2019.6 撰寫總結(jié)報(bào)告，申請國家發(fā)明專利。

指導(dǎo)教師意見

該項(xiàng)目充分運(yùn)用機(jī)械制造與材料成型交叉學(xué)科專業(yè)知識，將仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，以獲得小口徑鑭系玻璃鏡片精密熱壓成型的最優(yōu)工藝參數(shù)，可提高鏡片熱壓成型工藝的可靠性，并降低其加工成本，具有一定創(chuàng)新性；同時，項(xiàng)目的開展，可充分培養(yǎng)學(xué)生的探索精神與實(shí)踐能力，建議優(yōu)先資助與支持。

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