郭永磊，鄭建新，朱立新，商映舉，鄧瀚林

耦合空化效應(yīng)的超聲滾壓系統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

郭永磊，鄭建新，朱立新，商映舉，鄧瀚林

（河南理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，河南 焦作 454003）

實(shí)現(xiàn)耦合空化效應(yīng)的超聲滾壓系統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升超聲滾壓加工質(zhì)量。首先，利用Fluent流場仿真軟件模擬超聲滾壓加工流場空化情況，獲取滾珠周邊3個(gè)關(guān)鍵位置的氣含率。其次，采用最優(yōu)拉丁超立方方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，并以流場結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化變量，以3個(gè)關(guān)鍵位置氣含率為優(yōu)化目標(biāo)，基于二階響應(yīng)面法建立氣含率近似模型。然后，綜合運(yùn)用AHP和熵權(quán)法確定各個(gè)氣含率的權(quán)重值，采用遺傳算法NSGA-II對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化求解來獲取最優(yōu)流場結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與初始結(jié)構(gòu)下獲得的氣含率進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果。基于20組最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)結(jié)果所構(gòu)建的二階響應(yīng)面近似模型擬合度較好，3個(gè)關(guān)鍵位置氣含率均在95%置信水平上均通過顯著性檢驗(yàn)。綜合分析后，3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重分別為0.2791、0.2516和0.4692，獲得的優(yōu)化結(jié)構(gòu)的3個(gè)關(guān)鍵位置氣含率相較于初始結(jié)構(gòu)分別提升了21.6%、156.4%、44.1%，效果明顯。優(yōu)化后的流場結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在超聲滾壓加工系統(tǒng)中以提升加工過程中的空化效應(yīng)。

超聲滾壓；空化效應(yīng)；氣含率；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

超聲滾壓加工是一種在深滾加工技術(shù)基礎(chǔ)上引入超聲頻振動(dòng)而形成的復(fù)合加工技術(shù)。相較于滾壓加工，超聲滾壓加工過程中僅需要較小的靜壓力[1]就可以獲得較好的加工效果，能消除零件的表面微觀缺陷，降低表面粗糙度值，產(chǎn)生冷作硬化和殘余壓應(yīng)力，并在表層形成納米梯度結(jié)構(gòu)，從而有效提高零件耐磨、耐腐蝕和抗疲勞性能[2-5]。但在超聲滾壓加工時(shí)常利用空氣壓力[6]或彈性組件[7]而非深滾時(shí)的高壓流體系統(tǒng)[1,8]來使?jié)L珠與工件保持緊密接觸，因而無法在滾壓區(qū)域產(chǎn)生超聲空化效應(yīng)。已有試驗(yàn)證明，加工區(qū)域的切削液在超聲波正負(fù)壓相的作用下，能夠發(fā)生有益的空化效應(yīng)[9-14]。

祝錫晶團(tuán)隊(duì)[10,15-16]對(duì)功率超聲珩磨過程中的空化效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在一定的條件下，空化效應(yīng)有助于改善加工過程中工件的表面質(zhì)量。他們對(duì)AZ31B鎂合金分別在水和煤油中進(jìn)行超聲空化改性處理，發(fā)現(xiàn)不同介質(zhì)中，材料均發(fā)生了硬度提高和晶粒尺寸下降的現(xiàn)象。Ding等人[17]對(duì)5052鋁合金進(jìn)行自激振蕩脈沖水射流噴丸，結(jié)果表明，在水射流和空化效應(yīng)的共同作用下，表面質(zhì)量明顯改善，與未處理表面相比，硬度和殘余應(yīng)力分別增加了61.69%和148%。Tan等人[18]對(duì)鉻鎳鐵合金工件進(jìn)行超聲空化拋光處理，結(jié)果表明，工件的表面粗糙度降低高達(dá)40%。由此可見，合理利用空化效應(yīng)可以對(duì)加工質(zhì)量帶來積極影響。

顯然，若在超聲滾壓中也引入空化效應(yīng)，則有望進(jìn)一步提高強(qiáng)化質(zhì)量。在超聲滾壓中，流場的引入還受限于其超聲振動(dòng)聲學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不能影響其諧振狀態(tài)，因此結(jié)構(gòu)不能有較大的變動(dòng)。在此限定條件下，如何設(shè)計(jì)出合適的流場結(jié)構(gòu)來盡可能提高超聲滾壓加工過程的空化效應(yīng)，提升加工質(zhì)量，需要深入研究。

本文將建立超聲滾壓加工過程中流場空化模型，采用最優(yōu)拉丁超立方實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)管道直徑、傾斜段長度和錐口直徑3個(gè)流場結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，選用二階響應(yīng)曲面近似模型建立優(yōu)化目標(biāo)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的近似數(shù)學(xué)模型。最后采用多目標(biāo)遺傳算法NSGA-II求解近似數(shù)學(xué)模型，以期得到最優(yōu)的流場結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，提升超聲滾壓加工質(zhì)量。

1 結(jié)構(gòu)變量與優(yōu)化目標(biāo)

1.1 流場幾何模型

超聲滾壓系統(tǒng)由超聲波發(fā)生器、換能器、變幅桿、工具系統(tǒng)（包含滾珠）組成，如圖1所示[19]。其中滾珠在工具頭前端凹槽中可以自由滾動(dòng)，通過壓蓋限制滾珠的位置防止脫落。凹槽中開有導(dǎo)液溝槽，用于切削液的流動(dòng)。在滾壓過程中，聲學(xué)系統(tǒng)安裝在刀架上。滾珠以進(jìn)給速度r在靜壓力s和超聲頻振動(dòng)作用下對(duì)以轉(zhuǎn)速為的工件表面進(jìn)行沖擊碾壓，實(shí)現(xiàn)表面的沖擊強(qiáng)化和光整加工。滾珠的諧振頻率=24.71 kHz，縱振振幅L=4.2 μm，扭振振幅T=1.8 μm。在滾壓過程中，同時(shí)開啟外接液壓系統(tǒng)和機(jī)床供液系統(tǒng)，使工具頭內(nèi)腔及滾珠滾壓區(qū)域充滿切削液。

圖1 超聲滾壓加工過程示意圖

對(duì)超聲滾壓裝置流場區(qū)域進(jìn)行二維簡化，忽略扭轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)空化效應(yīng)的影響，建立如圖2所示超聲滾壓空化仿真二維模型[19]。圖2中，Roller為滾珠，進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，做超聲頻振動(dòng)；、、、、、組成內(nèi)腔壁；、、為簡化腔內(nèi)外交界面，通過和向腔內(nèi)供液（壓力入口），為壓力出口；為滾壓時(shí)的工件表面。加工過程中，滾珠與工件表面（）在一個(gè)超聲振動(dòng)周期內(nèi)同時(shí)存在接觸和分離狀態(tài)，但是在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中，滾珠與工件表面無法接觸，同時(shí)考慮到網(wǎng)格質(zhì)量與計(jì)算精度，設(shè)置兩者間隔為0.1 mm。設(shè)模型內(nèi)腔中心線為軸，以壓力入口中心線與軸的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。

圖2 空化流場仿真模型

1.2 流場結(jié)構(gòu)參數(shù)

為避免過大影響系統(tǒng)諧振頻率及超聲信號(hào)的傳遞，滾珠周邊結(jié)構(gòu)不宜改變。借鑒Laval噴管漸擴(kuò)段和漸縮段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過改變段形狀來進(jìn)行流場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2所示。選取直管段管道直徑、傾斜段長度和錐口高度作為結(jié)構(gòu)參數(shù)?？紤]實(shí)際工具系統(tǒng)的可加工性和結(jié)構(gòu)參數(shù)的變動(dòng)范圍不能影響超聲滾壓聲學(xué)系統(tǒng)諧振頻率，設(shè)定各參數(shù)的取值范圍為：2≤≤8，3≤≤6，2≤≤6。設(shè)置初始值如下：0=4 mm，0=6 mm，0=4 mm。

1.3 優(yōu)化目標(biāo)

空化效應(yīng)對(duì)超聲滾壓加工過程中的影響可分為兩方面：（1）發(fā)生在工件表面附近的空化效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生微射流沖擊強(qiáng)化和射流拋光效果，直接改善工件的表面質(zhì)量；（2）在滾珠周圍發(fā)生的空化效應(yīng)，可以沖刷滾珠，從而消除切屑粘連問題，降低摩擦因數(shù)，間接提高加工工件的表面質(zhì)量。

在數(shù)值模擬過程中，空化效應(yīng)的強(qiáng)度無法直接體現(xiàn)。中科院吳鵬飛等人[20]從能量的角度定義了空化強(qiáng)度的概念，可以用氣含率作為反映空化強(qiáng)度指標(biāo)，氣含率越高，空化效應(yīng)越強(qiáng)。由此本文選擇滾珠上、、3個(gè)關(guān)鍵位置的氣含率α、α、α作為優(yōu)化目標(biāo)，如圖2所示。

由于管內(nèi)空化過程的復(fù)雜性，不易建立流場結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣含率之間的直接聯(lián)系。但氣含率可由Fluent軟件在考慮空化效應(yīng)的兩相流模擬過程中計(jì)算得出，從而借助近似模型建立兩者之間的映射關(guān)系。氣含率數(shù)值計(jì)算方法簡述如下[19]。

建立二維模型并劃分網(wǎng)格。其中，滾珠的超聲頻振動(dòng)采用動(dòng)網(wǎng)格模型，對(duì)空化模型通過網(wǎng)格尺寸大小控制計(jì)算精度，對(duì)邊界層網(wǎng)格進(jìn)行加密。

選擇兩相流混合模型，湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)的-模型，近壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。選擇液態(tài)水為流動(dòng)介質(zhì)，分別在材料庫中添加水和水蒸氣（氣泡），并設(shè)置液態(tài)水為主相，水蒸氣為次相，在兩相相互作用中添加空化模型。本文采用Schnerr-Sauer空化模型，模型的蒸汽生成率e和蒸汽凝結(jié)率c方程為：

解析：力臂即點(diǎn)到線的距離。找到支點(diǎn)、力的作用線，再作支點(diǎn)到力的作用線的垂線段。作F的力臂找到支點(diǎn)O及F的作用線，從支點(diǎn)開始向力F的作用線作垂線，并標(biāo)出力臂L。

式中：v、l、m分別為氣相密度、液相密度和混合相密度；v為氣相體積分?jǐn)?shù)（氣含率）；B為空化泡半徑；、v分別為流場壓強(qiáng)和空化泡飽和蒸汽壓。

通過UDF（User-Defined Function）對(duì)滾珠施加縱向超聲頻振動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)形式為=Lsin(2π)，其中為超聲振動(dòng)頻率，A為振幅。在動(dòng)網(wǎng)格模型中將編譯好的UDF加載到滾珠上。選擇壓力-速度耦合的求解器，采用SIMPLE算法，壓力離散方式選擇PRESTO，其余都設(shè)置為二階迎風(fēng)格式，以提高計(jì)算精度。

對(duì)模型計(jì)算=24.71 kHz時(shí)的空化情況。在入口施加101 325 Pa的入口壓強(qiáng)；、直接與空氣相連，為開放系統(tǒng)，設(shè)置為常壓。滾珠以正弦運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行超聲頻振動(dòng)，數(shù)值計(jì)算過程將一個(gè)正弦振動(dòng)周期劃分為10個(gè)時(shí)間步。采用4.047 μs的時(shí)間步長，迭代500步，即迭代50個(gè)周期，時(shí)間總長約2 ms。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與近似模型

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法對(duì)3個(gè)結(jié)構(gòu)變量進(jìn)行20組方案設(shè)計(jì)，其優(yōu)點(diǎn)在于讓所有的試驗(yàn)設(shè)計(jì)點(diǎn)盡可能均勻地分布在設(shè)計(jì)空間里，具有較好的空間均衡性。利用Fluent數(shù)值模擬方法對(duì)20組方案進(jìn)行計(jì)算，得到3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的氣含率。試驗(yàn)方案和3個(gè)關(guān)鍵位置的氣含率仿真結(jié)果如表1所示。

表1 20組樣本點(diǎn)設(shè)計(jì)方案及氣含率計(jì)算結(jié)果

Tab.1 Design scheme of 20 groups of sample points and calculation results of vapor volume fraction

2.2 優(yōu)化目標(biāo)近似模型

采用近似模型不僅能夠較好地將優(yōu)化目標(biāo)和設(shè)計(jì)變量關(guān)聯(lián)起來，還可以在一定程度上減小數(shù)值計(jì)算資源以及提高優(yōu)化設(shè)計(jì)效率。本文采用二階響應(yīng)面模型，可表述為：

式中：為優(yōu)化目標(biāo)；x為結(jié)構(gòu)變量；為待定系數(shù)。

由此，基于表1中的20組數(shù)據(jù)建立結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣含率之間的近似模型為：

表2 響應(yīng)面模型檢驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Response surface model test results

Note: “***” indicates significance at the 0.001 level, “*” indicates significance at the 0.05 level.

3 滾壓系統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化算法與優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重

優(yōu)化算法選擇第二代非劣排序遺傳算法NSGA- II，其優(yōu)點(diǎn)在于探索性能良好，在非支配排序中接近Pareto前沿的個(gè)體被選擇，使得Pareto前進(jìn)能力增強(qiáng)。NSGA-II優(yōu)化過程如圖3所示。首先產(chǎn)生一個(gè)初始種群，對(duì)初始種群進(jìn)行交叉、變異操作產(chǎn)生子代，然后將父代和子代組成的整體進(jìn)行非支配和擁擠度排序，并基于精英保留策略選擇種群中排名高和擁擠度高的個(gè)體組成下一次迭代的父代。如此循環(huán)直至迭代結(jié)束。

圖3 優(yōu)化算法流程

種群大小設(shè)為100，進(jìn)化代數(shù)為30次，交叉概率為0.9，變異周期為10，遷移周期為20。優(yōu)化過程共優(yōu)化3000次，以現(xiàn)有裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)為迭代起始點(diǎn)，之后根據(jù)目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化方向不斷搜索最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

優(yōu)化目標(biāo)權(quán)重的選擇對(duì)優(yōu)化結(jié)果具有決定性作用。根據(jù)決策者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來確定權(quán)重的大小往往會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果偏離實(shí)際全局最優(yōu)解，而僅從數(shù)據(jù)出發(fā)的客觀賦權(quán)法則忽略了數(shù)據(jù)本身的優(yōu)先級(jí)。為了在多目標(biāo)優(yōu)化過程中獲得合理的目標(biāo)權(quán)重，本文選擇基于主觀賦權(quán)（AHP層次分析法）和客觀賦權(quán)（熵權(quán)法）的組合賦權(quán)方法，綜合考慮數(shù)據(jù)本身和主觀判斷對(duì)權(quán)重的影響。

3.1.1 AHP確定權(quán)重[21-22]

不同位置的氣含率對(duì)加工的影響不同，對(duì)各位置的氣含率加權(quán)來區(qū)分各優(yōu)化目標(biāo)的重要程度。加工過程中點(diǎn)位置的空化效應(yīng)直接作用于加工區(qū)域，其空化效應(yīng)的劇烈程度直接影響加工質(zhì)量；、兩點(diǎn)通過影響滾珠間接影響加工質(zhì)量。同時(shí)位置的空化效應(yīng)受位置影響[19]，則AHP判斷矩陣如表3所示。

表3 AHP判斷矩陣

Tab.3 AHP judgment matrix

根據(jù)判斷矩陣計(jì)算可得3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)α、α、α的權(quán)重分別為0.2014、0.1180、0.6806。判斷矩陣的最大特征根為3.025，一致性指標(biāo)I=0.012，一致性比率R=0.024<0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

3.1.2 熵權(quán)法確定權(quán)重[23]

熵權(quán)法的基本思路是根據(jù)指標(biāo)變異性的大小來確定客觀權(quán)重。熵權(quán)法基本步驟為：數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化；確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵E；確定各指標(biāo)權(quán)重W。

由表1所給數(shù)據(jù)計(jì)算可知，3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)α、α、α的信息熵分別為0.9086、0.8588、0.9547，最終由熵權(quán)法確定的權(quán)重分別為0.3288、0.5083、0.1629。采用乘數(shù)歸一法對(duì)AHP法和熵權(quán)法的權(quán)值進(jìn)行耦合，耦合后3個(gè)優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重分別為0.2791、0.2516和0.4692。因此最終的優(yōu)化模型可表示為：

3.2 優(yōu)化結(jié)果與模擬驗(yàn)證

基于式（4）—（7），采用NSGA-II遺傳算法經(jīng)過3000步迭代計(jì)算，得到了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。由此重新計(jì)算3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的氣含率，并與初始值對(duì)比，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯鰞?yōu)化后、、3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的氣含率都明顯提升。相對(duì)于初始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的氣含率分別增大21.6%、156.4%和44.1%。對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行取整，最終確定最優(yōu)的空化流場結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為=8、=6、=6。

表4 優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比

Tab.4 Comparison of results before and after optimization

對(duì)初始結(jié)構(gòu)和取整后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行流場分析，優(yōu)化結(jié)構(gòu)與初始結(jié)構(gòu)在1.5～2 ms內(nèi)的氣含率變化如圖4所示。圖4表明優(yōu)化后結(jié)構(gòu)各個(gè)位置的空化強(qiáng)度提升明顯。點(diǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)與初始結(jié)構(gòu)的氣含率變化相同且幅值相差不大。滾珠在位置直接與壓力入口相連，滾珠向流場傳遞的聲壓極易擴(kuò)散，較大的壓力變化使空化泡在一個(gè)滾珠振動(dòng)周期內(nèi)生成、膨脹、壓縮、潰滅，氣泡所能達(dá)到的體積有限，氣含率較低。即使在不同的流場結(jié)構(gòu)中，空化泡潰滅周期不變，因此流場結(jié)構(gòu)對(duì)位置氣含率幅值的影響較小。

位置和位置優(yōu)化結(jié)構(gòu)的氣含率相比于初始結(jié)構(gòu)有明顯提升。位置和位置的空間相對(duì)狹小，壓力波不易耗散，空化泡可以在多個(gè)超聲振動(dòng)周期不斷積累，從而達(dá)到一個(gè)較高的氣含率幅值。流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化后將更有利于空化的發(fā)生，氣含率可以達(dá)到更大的幅值。相對(duì)于位置，位置流場更易受流場結(jié)構(gòu)變化的影響，因此優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生更強(qiáng)的空化效應(yīng)。

圖4 初始結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)下的氣含率對(duì)比

4 結(jié)論

在本研究中，采用有限元分析方法獲取超聲滾壓過程中的氣含率，進(jìn)而構(gòu)建流場參數(shù)和氣含率的近似模型，并利用優(yōu)化算法來進(jìn)行流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲取最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了耦合空化效應(yīng)的超聲滾壓系統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1）采用二階響應(yīng)曲面模型準(zhǔn)確擬合了流場結(jié)構(gòu)參數(shù)和氣含率之間的變化關(guān)系，為流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。、3個(gè)位置氣含率的近似模型在95%置信水平上均通過顯著性檢驗(yàn)。

2）相較于初始流場結(jié)構(gòu)，流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化后滾珠周邊3個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的氣含率分別提升了21.6%、156.4%和44.1%，空化效應(yīng)明顯增強(qiáng)。

[1] BOZDANA A T, GINDY N N Z, LI Hua. Deep Cold Rolling with Ultrasonic Vibrations—A New Mechanical Surface Enhancement Technique[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2005, 45(6): 713-718.

[2] 鄭建新, 蔣書祥. 7050鋁合金二維超聲滾壓加工殘余應(yīng)力場研究[J]. 表面技術(shù), 2017, 46(12): 265-269.

ZHENG Jian-xin, JIANG Shu-xiang. Residual Stress Field in the Process of 2D Ultrasonic Rolling 7050 Aluminum Alloy[J]. Surface Technology, 2017, 46(12): 265-269.

[3] LAI Fu-qiang, QU Sheng-guan, LEWIS R, et al. The Inf-luence of Ultrasonic Surface Rolling on the Fatigue and Wear Properties of 23-8N Engine Valve Steel[J]. Inter-national Journal of Fatigue, 2019, 125: 299-313.

[4] LIU Hong-wei, ZHENG Jian-xin, GUO Yong-lei, et al. Residual Stresses in High-Speed Two-Dimensional Ultra-sonic Rolling 7050 Aluminum Alloy with Thermal- Mec-hanical Coupling[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2020, 186: 105824.

[5] 唐洋洋, 李林波, 王超, 等. 超聲表面滾壓納米化技術(shù)研究現(xiàn)狀[J]. 表面技術(shù), 2021, 50(2): 160-169.

TANG Yang-yang, LI Lin-bo, WANG Chao, et al. Res-earch Status of USRP Nanocrystallization Technology[J]. Surface Technology, 2021, 50(2): 160-169.

[6] 馬夢陽, 李小強(qiáng), 賴福強(qiáng), 等. 表面超聲滾壓加工對(duì)配氣機(jī)構(gòu)凸輪軸材料滾動(dòng)接觸疲勞性能的影響[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2020, 51(9): 2430-2441.

MA Meng-yang, LI Xiao-qiang, LAI Fu-qiang, et al. Effect of Surface Ultrasonic Rolling Processing on Rolling Con-tact Fatigue Performance of Camshaft Material of Valve Train[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2020, 51(9): 2430-2441.

[7] WANG Zhen, GAO Chao-feng, LIU Zhong-qiang, et al. Investigation of Microstructural Evolution in a Selective Laser Melted Ti6Al4V Alloy Induced by an Ultrasonic Surface Rolling Process[J]. Materials Science and Engi-neering: A, 2020, 772: 138696.

[8] ZHANG Meng, LIU Zhi-hua, DENG Jia, et al. Optimum Design of Compressive Residual Stress Field Caused by Ultrasonic Surface Rolling with a Mathematical Model[J]. Applied Mathematical Modelling, 2019, 76: 800-831.

[9] LI Zheng-wei, XU Zhi-wu, MA Lin, et al. Cavitation at Filler Metal/Substrate Interface during Ultrasonic-Assi-sted Soldering. Part II: Cavitation Erosion Effect[J]. Ultr-asonics Sonochemistry, 2019, 50: 278-288.

[10] 葉林征, 祝錫晶, 郭策. 超聲空化微射流建模與仿真[J]. 中國機(jī)械工程, 2015, 26(21): 2890-2894.

YE Lin-zheng, ZHU Xi-jing, GUO Ce. Ultrasonic Cavi-tation Micro-Jet Modeling and Simulation[J]. China Mec-hanical Engineering, 2015, 26(21): 2890-2894.

[11] 梁志強(qiáng), 馬悅, 聶倩倩, 等. 不銹鋼微孔超聲空化輔助鉆削試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2020, 56(1): 205-212.

LIANG Zhi-qiang, MA Yue, NIE Qian-qian, et al. Expe-rimental Study on Ultrasonic Cavitation Assisted Micro Drilling of Stainless Steel[J]. Journal of Mechanical Engi-neering, 2020, 56(1): 205-212.

[12] 計(jì)時(shí)鳴, 陳凱, 譚大鵬, 等. 超聲空化對(duì)軟性磨粒流切削效率和質(zhì)量的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2017, 33(12): 82-90.

JI Shi-ming, CHEN Kai, TAN Da-peng, et al. Effect of Ultrasonic Cavitation on Maching Efficiency and Quality of Soft Abrasive Flow[J]. Transactions of the Chinese So-ciety of Agricultural Engineering, 2017, 33(12): 82-90.

[13] CHEN Feng-jun, DU Jian-hua, HUANG Shuai. Fabrication of Repairable Anti-Corrosive Superhydrophobic Surfaces with Micro-Nano Structures by Ultrasonic Cavi-tation[J]. Applied Surface Science, 2021, 541: 148605.

[14] LIEW P J, YAN Ji-wang, KURIYAGAWA T. Fabrication of Deep Micro-Holes in Reaction-Bonded SiC by Ultras-onic Cavitation Assisted Micro-EDM[J]. International Jo-urnal of Machine Tools and Manufacture, 2014, 76: 13-20.

[15] 祝錫晶, 葉林征. 功率超聲珩磨空化試驗(yàn)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2017, 53(19): 136-142.

ZHU Xi-jing, YE Lin-zheng. Analysis of Power Ultra-sonic Honing Cavitation Test[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2017, 53(19): 136-142.

[16] YE Lin-zheng, ZHU Xi-jing, HE Yan, et al. Surface Stre-ngthening and Grain Refinement of AZ31B Magnesium Alloy by Ultrasonic Cavitation Modification[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2021, 34(4): 508-517.

[17] DING Xiao-long, KANG Yong, LI Deng, et al. Experime-ntal Investigation on Surface Quality Processed by Self- Excited Oscillation Pulsed Waterjet Peening[J]. Materials, 2017, 10(9): 989.

[18] TAN K L, YEO S H. Surface Finishing on IN625 Additi-vely Manufactured Surfaces by Combined Ultrasonic Ca-vitation and Abrasion[J]. Additive Manufacturing, 2020, 31: 100938.

[19] ZHENG Jian-xin, GUO Yong-lei, ZHU Li-xin, et al. Cavitation Effect in Two-Dimensional Ultrasonic Rolling Process[J]. Ultrasonics, 2021, 115: 106456.

[20] WU Peng-fei, BAI Li-xin, LIN Wei-jun. On the Defini-tion of Cavitation Intensity[J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2020, 67: 105141.

[21] SAATY T L. The Modern Science of Multicriteria Decision Making and Its Practical Applications: The AHP/ANP App-roach[J]. Operations Research, 2013, 61(5): 1101-1118.

[22] 武春龍, 朱天明, 張鵬, 等. 基于功能模型和層次分析法的智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)概念方案構(gòu)建[J]. 中國機(jī)械工程, 2020, 31(7): 853-864.

WU Chun-long, ZHU Tian-ming, ZHANG Peng, et al. Conceptual Scheme Construction of Smart PSS Based on Functional Model and AHP[J]. China Mechanical Engine-ering, 2020, 31(7): 853-864.

[23] 朱喜安, 魏國棟. 熵值法中無量綱化方法優(yōu)良標(biāo)準(zhǔn)的探討[J]. 統(tǒng)計(jì)與決策, 2015(2): 12-15.

ZHU Xi-an, WEI Guo-dong. Discussion on the Fine Stan-dard of Dimensionless Method in Entropy Method[J]. Sta-tistics & Decision, 2015(2): 12-15.

Structural Optimization Design of Ultrasonic Rolling System with Coupled Cavitation Effect

,,,,

(School of Mechanical & Power Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454003, China)

The introduction of cavitation effect in ultrasonic rolling is expected to further improve the reinforcement quality. In order to maximize the cavitation effect, the optimized design of the flow field structure in ultrasonic rolling was carried out. Firstly, software Fluent was used to simulate the cavitation in ultrasonic rolling, and the vapor volume fraction (VVF) at three key locations around the roller was determined. Secondly, the optimal Latin hypercube method was used for the experimental design. The flow field structure parameters were used as the optimization variables, and the VVF at three key locations around the roller was used as the optimization target. The VVF approximate models were established with the second-order response surface method. Then, the weight values of each VVF were determined by combined AHP and entropy weight method, and the optimal flow field structure parameters were obtained by optimal solution of the approximate models using genetic algorithm NSGA-II. Finally, comparison of the VVF obtained with the optimized structure and the initial structure was performed to verify the optimization results. The results showed that the second-order response surface approximate models constructed for VVF fit well based on the results of 20 optimal Latin hypercube tests, and VVF at all three locations passed the significance test at 95% confidence level. After comprehensive analysis, the weights of the three optimization objectives were determined as 0.2791, 0.2516 and 0.4692. Compared with the initial structure, the VVF at the three key positions of the optimized structure was increased remarkably by 21.6%, 156.4% and 44.1%, respectively. The optimized flow structure can be applied to the ultrasonic rolling system to improve the cavitation effect.

ultrasonic rolling; cavitation effect; vapor volume fraction; structure optimization

2021-06-07；

2021-08-26

GUO Yong-lei (1996—), Male, Postgraduate, Research focus: precision and non-traditional machining.

鄭建新（1979—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楸砻婀こ毯途芘c特種加工技術(shù)。

ZHENG Jian-xin (1979—), Male, Doctor, Professor, Research focus: surface engineering, precision and non-traditional machining.

郭永磊, 鄭建新, 朱立新, 等. 耦合空化效應(yīng)的超聲滾壓系統(tǒng)流場結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(3): 186-191.

v261.8；TG668

A

1001-3660(2022)03-0186-06

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.019

2021-06-07；

2021-08-26

河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)（202102210062）；河南省高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（NSFRF200309）

Fund：The Key Research and Development and Promotion Program in Henan Province (202102210062); the Fundamental Research Funds for the Universities of Henan Province (NSFRF200309)

郭永磊（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榫芘c特種加工技術(shù)。

GUO Yong-lei, ZHENG Jian-xin, ZHU Li-xin, et al. Structural Optimization Design of Ultrasonic Rolling System with Coupled Cavitation Effect[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 186-191.