硬质合金自适应参数化建模的方法
【专利摘要】本发明提供一种硬质合金自适应参数化建模的方法，包括：步骤1，采集特征参数；步骤2，构造多边形WC晶粒；步骤3，投放WC颗粒；步骤4，对重叠晶粒进行去重叠处理；步骤5，按目标WC晶粒尺寸分布对WC颗粒进行多删少补，按WC晶粒尺寸投放概率计算新投放WC晶粒尺寸；步骤6，按目标WC颗粒位置分布对颗粒堆积现象进行均布化处理，并按照WC颗粒位置投放概率计算新投放WC颗粒位置；以及步骤7，设定算法结束判据，若满足判据要求则投放结束，若未满足则重复步骤3到6。该硬质合金自适应参数化建模的方法能准确反映真实微观组织结构，能生成各种不同硬质合金材料的参数化模型，对指导材料的研制与开发具有普遍的现实意义。
【专利说明】硬质合金自适应参数化建模的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及合金材料结构设计【技术领域】，特别是涉及到一种基于硬质合金真实微 观组织建立的"自适应"参数化设计硬质合金材料结构的方法。
【背景技术】
[0002] 硬质合金作为一种工具材料，具有高硬度、高强度、高弹性模量等性能，广泛应用 于各种切削工具、矿山工具和耐磨零件。WC硬质合金主要成分是WC，并存在金属粘结相Co, 是硬质合金中牌号最多、产量最大、用途最广的。目前国内外对硬质合金的研究主要集中在 实验的基础上，真实的实验研究需要花费大量的人力、物力、财力并受材料本身复杂性的影 响，使得实验数据相对离散，较难反映实际材料的真实力学性能指标，并难以得出材料内部 微观结构对材料宏观性能的影响。
[0003] 随着计算科学的迅猛发展，利用数值计算和计算仿真，通过各种算法手段设计实 现材料的微观结构参数化，对现阶段的材料性能优化具有极大的现实意义。目前国内外学 者开展了大量基于硬质合金微观结构参数化建模方法的研究，但都存在一定的局限性。P Connol Iy和PEMchugh等建立了硬质合金微观结构包含WC晶粒及Co相的镶嵌体胞模 型，但体胞模型对材料实际微观结构做了大量简化，与实际不符；Chang-Soo kim等建立了 包含方形、圆形的WC晶粒的微观结构模型，然而方形与圆形结构与实际的WC晶粒结构差异 较大；Sunghyuk Park等提出了利用计算机编程进行WC晶粒投放及采用Boo lean算法进行 WC晶粒重叠处理的参数化建模方法，但存在局部WC晶粒堆积现象与实际不符；王东等提出 的基于"随机法"构建了反映材料二维微观结构WC晶粒尺寸近似正态分布的参数化模型， 但不能准确反映实际WC晶粒尺寸分布，也不能生成1μm以下的WC晶粒。综上所述，传统 方法存在三个方面主要问题，一是组织模拟结果的尺寸分布与设定的目标分布或真实组织 尺寸分布相差较大，二是模拟结果存在WC颗粒局部堆积问题，也即WC的位置分布不均匀与 真实组织不符合，三是针对Co含量小以及WC颗粒小的很难模拟出满足实际要求的结果。因 此以上建立的参数化模型在微观结构表征上均未能准确和全面的反映真实微观组织结构， 不能在普遍意义上指导材料的研制与开发。为此我们发明了一种新的硬质合金自适应参数 化建模的方法，解决了以上技术问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种能准确反映真实WC-Co硬质合金微观组织的硬质合金 自适应参数化建模的方法，保证模拟组织的位置分布均匀性，尺寸分布准确性和小颗粒小 Co含量组织模拟的可靠性。
[0005] 本发明的目的可通过如下技术措施来实现：硬质合金自适应参数化建模的方法， 所述硬质合金自适应参数化建模的方法包括：步骤1，采集参数化模型中的特征参数；步骤 2,基于真实微观组织的WC晶粒的多边形特征，构造多边形WC晶粒；步骤3,投放WC颗粒； 步骤4,投放过程中采用布尔运算算法对重叠晶粒进行去重叠处理；步骤5,按目标WC晶粒 尺寸分布对WC颗粒进行多删少补，按WC晶粒尺寸投放概率计算新投放WC晶粒尺寸；步骤 6,按目标WC颗粒位置分布对颗粒堆积现象进行均布化处理，并按照WC颗粒位置投放概率 计算新投放WC颗粒位置；以及步骤7,设定算法结束判据，WC颗粒在循环投放过程中，若满 足判据要求则投放结束，若未满足判据要求则重复步骤3到步骤6。
[0006] 本发明的目的还可通过如下技术措施来实现：
[0007] 在步骤1中，采集的参数化模型中的特征参数包括WC平均晶粒尺寸、WC晶粒尺寸 分布、目标Co含量、区域目标Co含量分布、最大WC投放晶粒数等微观结构特征参数，其中 利用公式：
[0008] T_numXd2 =pX(l~Co% ) (I)
[0009] 计算得到的WC目标晶粒数T_num，d为WC平均晶粒尺寸，d2为WC晶粒面积，P为 设定的投放区间面积，从而得到WC晶粒尺寸分布区间中各区间目标投放的WC晶粒数。
[0010] 在步骤2中，在构造多边形WC晶粒时，取多边形两边绕原点0分别在 α(75°，105° )，θ(-15°，15° )之间转动，并分别在圆弧上得到顶点1，3,顶点2则是 A与B的交点，其中A与B分别垂直于Y轴与X轴且交于圆弧，因此确定并连接四边形顶点 0、1、2、3构建多边形，其中晶粒长短径A与B均服从实际WC平均晶粒尺寸分布，并且多边形 绕形心在（0?180° )之间任意旋转β角，最后构成WC晶粒，构造的多边形WC晶粒的特 征信息包括WC平均晶粒尺寸、晶粒取向角、及晶粒形心位置。
[0011] 在步骤4中，采用布尔运算算法进行去重叠处理，新生成的WC颗粒与所有的WC颗 粒进行布尔运算，存在以下几种情况：
[0012] (1)较小WC颗粒完全投放在较大WC颗粒中，则较小颗粒消失，并存储布尔运算后 的WC颗粒；
[0013] (2)存在两颗粒交叉重叠，则通过布尔运算后，生成新的多边形WC颗粒；
[0014] (3)多个WC颗粒重叠，逐一两两进行布尔运算，并存储布尔运算后的WC颗粒。
[0015] 步骤5包括：
[0016] a)统计产生的新WC晶粒尺寸分布；
[0017] b)判断对比目标WC晶粒尺寸分布中存在超出目标WC颗粒数，删除超出的WC颗 粒；
[0018] C)计算每次WC晶粒尺寸的投放概率，根据在投放区域内WC颗粒总目标投放数及 投放过程中已经投放的总WC颗粒数，结合晶粒尺寸既定分布区间内目标WC颗粒投放数及 该分布区间内已投放的WC颗粒投放数，从而得到每次WC晶粒尺寸投放概率；
[0019] d)按WC晶粒尺寸投放概率计算新投放WC晶粒尺寸，根据目标区间的WC晶粒尺寸 投放概率以及目标WC晶粒尺寸，在概率取值范围内每次产生新的随机数LA_TMP，结合每次 目标区间WC晶粒尺寸投放概率值，从而计算该区间的新投放WC晶粒尺寸LA。
[0020] 步骤6包括：
[0021] a)统计区域目标Co含量分布，将矩形投放区域按边A与边B均匀划分成Num_a与 Num_b份，则投放区域被均布化划分，每个被划分区间的WC颗粒位置目标投放概率值为1/ (Num_aXNum_b)，若存在某特定区域超出目标Co含量则该区域WC颗粒投放概率为0 ;
[0022] b)计算WC颗粒位置投放概率，根据WC颗粒位置目标投放概率1八Num_aXNum_ b)，及投放过程中结合每次投放的颗粒面积占已投放颗粒面积的概率，从而确定每次新投 放的WC颗粒位置投放概率值；
[0023] c)按照WC颗粒位置投放概率计算新投放WC颗粒位置，根据实际目标区间WC晶 粒位置投放概率及目标位置坐标，在投放概率取值范围内每次产生新的随机数LA_TMP，结 合每次投放的WC晶粒位置投放概率，计算每次新投放WC晶粒位置X与Y坐标值，从而确定 WC颗粒投放位置。
[0024] 在步骤7中，设定的算法结束判据包括目标WC晶粒数的限制，目标Co含量的限 制，最大WC投放晶粒数的限制，满足其中之一判据则投放结束，否则重复步骤3到步骤6继 续投放。
[0025] 本发明中的硬质合金自适应参数化建模的方法，主要针对目前WC-Co硬质合金的 研究主要集中在实验基础上，且实验中较难生成多峰分布，梯度分布结构等结构的合金，并 且实验花费大量的人力物力财力；在硬质合金参数化模型研究方面，开发的参数化模型均 未能准确反映硬质合金真实微观结构特征，而不能在普遍意义上指导材料的研制与开发， 因此建立了能准确反映真实WC-Co硬质合金微观组织的自适应参数化模型。本发明具有以 下有益效果及优点：
[0026] 1.能准确反映真实微观组织结构，参数化模型的微观结构参数特征包括WC平均 晶粒尺寸、Co含量值、邻接度、区域目标Co含量分布、WC晶粒尺寸分布、晶粒形貌等与实验 测得的基本接近，验证了参数化模型的可靠性及准确性。
[0027] 2.能生成各种不同硬质合金材料的参数化模型，包括多峰分布、梯度结构、涂层结 构等合金材料，并可通过改变微观结构包括WC平均晶粒尺寸，Co含量，WC晶粒尺寸分布，区 域目标Co含量分布、晶粒形貌等来研究材料的宏观力学性能，缩短了产品开发周期及降低 试验成本，对指导材料的研制与开发具有普遍的现实意义。
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1为本发明的硬质合金自适应参数化建模的方法的一具体实施例的流程图；
[0029] 图2为本发明的WC-Co硬质合金WC晶粒特征表征图；
[0030] 图3为本发明的WC颗粒重叠处理图；
[0031] 图4为本发明的WC-Co硬质合金微观组织参数化模拟的WC晶粒尺寸分布与实验 测得的WC晶粒尺寸分布的对照图；
[0032] 图5为本发明的WC-Co硬质合金参数化模型的微观组织形貌图与真实的微观组织 形貌图的对照；
[0033] 图6为本发明的WC-Co硬质合金参数化模拟得到的微观结构WC晶粒尺寸及方差， Co含量，邻接度（C)与实验测得的误差对照图；
[0034] 图7为本发明新设计的WC-Co硬质合金微观结构WC晶粒尺寸分布的模拟与设计 的对照图；
[0035] 图8为本发明新设计的WC-Co硬质合金微观结构形貌图；
[0036] 图9为本发明的一实施例中按目标WC晶粒尺寸分布投放WC颗粒的步骤的具体流 程图；
[0037] 图10为本发明的一实施例中按目标WC颗粒位置分布投放WC颗粒的步骤的具体 流程图。
【具体实施方式】
[0038] 为使本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施 例，并配合所附图式，作详细说明如下。
[0039] 如图1所示，图1为本发明的硬质合金自适应参数化建模的方法的流程图。
[0040] 在步骤101，采集参数化模型中的特征参数：WC平均晶粒尺寸、WC晶粒尺寸分布、 目标Co含量、区域目标Co含量分布、最大WC投放晶粒数等微观结构特征参数，其中利用公 式：
[0041] T_numXd2 =pX(l~Co% ) (I)
[0042] 计算得到的WC目标晶粒数T_num，d为WC平均晶粒尺寸，d2为WC晶粒面积，P为 设定的投放区间面积，从而得到WC晶粒尺寸分布区间中各区间目标投放的WC晶粒数。流 程进入到步骤102。
[0043] 在步骤102,基于真实微观组织的WC晶粒的多边形特征，本发明构建如图2所示的 WC晶粒，取多边形两边绕原点0分别在α(75°，105°)，Θ(-15°，15° )之间转动，并分 别在圆弧上得到顶点1，3,顶点2则是A与B的交点，其中A与B分别垂直于Y轴与X轴且 交于圆弧，因此确定并连接四边形顶点〇、1、2、3构建多边形，其中晶粒长短径A与B均服从 实际WC平均晶粒尺寸分布，并且多边形绕形心在（0?180° )之间任意旋转β角，最后构 成WC晶粒。构造的多边形WC晶粒主要特征信息包括WC平均晶粒尺寸、晶粒取向角、及晶 粒形心位置等。流程进入到步骤103。
[0044] 在步骤103,投放WC晶粒。流程进入到步骤104。
[0045] 在步骤104，WC颗粒投放过程中，不断的有颗粒重叠的现象出现，本发明采用图3 所示的布尔运算算法去重叠处理，新生成的WC颗粒与所有的WC颗粒进行布尔运算，存在多 种情况：（1)较小WC颗粒完全投放在较大WC颗粒中，则较小颗粒消失，处理过程如图3中 左上图所示，并存储布尔运算后的WC颗粒；（2)存在两颗粒交叉重叠，则通过布尔运算后， 生成新的多边形WC颗粒，处理过程如图3中右上图所示；（3)多个WC颗粒重叠，逐一两两 进行布尔运算，处理过程如图3中下图所示，并存储布尔运算后的WC颗粒。流程进入到步 骤 105。
[0046] 在步骤105,采用"多删少补"的算法，按目标WC晶粒尺寸分布投放WC颗粒。WC颗 粒投放过程中，运用分布区间颗粒筛选算法，生成与真实WC晶粒尺寸分布近似的参数化模 型。
[0047] 如图9所示，图9为本发明的一实施例中按目标WC晶粒尺寸分布投放WC颗粒的 步骤的具体流程图，所述的步骤105包括：
[0048] a)统计产生的新WC晶粒尺寸分布；
[0049] b)判断对比目标WC晶粒尺寸分布中存在超出目标WC颗粒数，删除超出的WC颗 粒。
[0050] c)计算每次WC晶粒尺寸的投放概率，根据在投放区域内WC颗粒总目标投放数及 投放过程中已经投放的总WC颗粒数，结合晶粒尺寸既定分布区间内目标WC颗粒投放数及 该分布区间内已投放的WC颗粒投放数，从而得到每次WC晶粒尺寸投放概率。
[0051] d)按WC晶粒尺寸投放概率计算的新投放WC晶粒尺寸。根据目标区间的WC晶粒 尺寸投放概率以及目标WC晶粒尺寸，在概率取值范围内每次产生新的随机数LA_TMP，结合 每次目标区间WC晶粒尺寸投放概率值，从而计算该区间的新投放WC晶粒尺寸LA。流程进 入到步骤106。
[0052] 在步骤106,采用"均布化"算法，按目标WC颗粒位置分布投放WC颗粒，从而WC颗 粒投放中的堆积现象进行均布化处理。多边形WC颗粒投放过程中，为避免颗粒堆积则按照 区域目标Co含量分布，利用均布化算法，生成满足区域目标Co含量分布即目标WC位置分 布的参数化模型。
[0053] 如图10所示，图10为本发明的一实施例中按目标WC颗粒位置分布投放WC颗粒 的步骤的具体流程图，所述的步骤106包括：
[0054] a)统计区域目标Co含量分布，将矩形投放区域按边A与边B均匀划分成Num_a与 Num_b份，则投放区域被均布化划分，每个被划分区间的WC颗粒位置目标投放概率值为1/ (Num_aXNum_b)，若存在某特定区域超出目标Co含量则该区域WC颗粒投放概率为0 ;
[0055] b)计算WC颗粒位置投放概率，根据WC颗粒位置目标投放概率1八Num_aXNum_ b)，及投放过程中结合每次投放的颗粒面积占已投放颗粒面积的概率，从而确定每次新投 放的WC颗粒位置投放概率值；
[0056] c)按照WC颗粒位置投放概率计算新投放WC颗粒位置。根据实际目标区间WC晶 粒位置投放概率及目标位置坐标，在投放概率取值范围内每次产生新的随机数LA_TMP，结 合每次投放的WC晶粒位置投放概率，从而计算每次新投放WC晶粒位置X与Y坐标值。从 而确定WC颗粒投放位置，使颗粒投放更均匀，避免局部堆积。流程进入到步骤107。
[0057] 在步骤107,设定算法收敛判据，包括目标WC晶粒数的限制，目标Co含量的限制， 最大WC投放晶粒数的限制，满足其中之一判据则算法停止，否则重复步骤103至步骤106 直至满足收敛判据结束。
[0058] 以下为应用本发明的一具体实施例：
[0059] 1)本发明的硬质合金自适应参数化模型是基于真实微观组织结构建立的模型。其 中WC-Co硬质合金微观组织的WC平均晶粒尺寸，Co含量，WC晶粒尺寸分布，晶粒邻接度是 表征微观组织特征的主要参数。首先通过统计SEM扫描图中微观组织WC平均晶粒尺寸，分 布方差，Co含量，邻接度，最大及最小晶粒尺寸得到的结果如表1所示：
[0060] 表1实验测得的微观组织特征参数统计表
[0061]
【权利要求】
1. 硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，所述硬质合金自适应参数化建模 的方法包括： 步骤1，采集参数化模型中的特征参数； 步骤2,基于真实微观组织的WC晶粒的多边形特征，构造多边形WC晶粒； 步骤3,投放WC颗粒； 步骤4,投放过程中采用布尔运算算法对重叠晶粒进行去重叠处理； 步骤5,按目标WC晶粒尺寸分布对WC颗粒进行多删少补，按WC晶粒尺寸投放概率计算 新投放WC晶粒尺寸； 步骤6,按目标WC颗粒位置分布对颗粒堆积现象进行均布化处理，并按照WC颗粒位置 投放概率计算新投放WC颗粒位置；以及 步骤7,设定算法结束判据，WC颗粒在循环投放过程中，若满足判据要求则投放结束， 若未满足判据要求则重复步骤3到步骤6。
2. 根据权利要求1所述的硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，在步骤1 中，采集的参数化模型中的特征参数包括WC平均晶粒尺寸、WC晶粒尺寸分布、目标Co含量、 区域目标Co含量分布、最大WC投放晶粒数等微观结构特征参数，其中利用公式： T_numXd2 = pX (1-Co% ) (I) 计算得到的WC目标晶粒数T_num，d为WC平均晶粒尺寸，d2为WC晶粒面积，P为设定 的投放区间面积，从而得到WC晶粒尺寸分布区间中各区间目标投放的WC晶粒数。
3. 根据权利要求1或2所述的硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，在步骤 2中，在构造多边形WC晶粒时，取多边形两边绕原点0分别在α (75° ,105° )，θ (-15°， 15° )之间转动，并分别在圆弧上得到顶点1，3,顶点2则是A与B的交点，其中A与B分别 垂直于Y轴与X轴且交于圆弧，因此确定并连接四边形顶点〇、1、2、3构建多边形，其中晶粒 长短径A与B均服从实际WC平均晶粒尺寸分布，并且多边形绕形心在（0?180° )之间任 意旋转β角，最后构成WC晶粒，构造的多边形WC晶粒的特征信息包括WC平均晶粒尺寸、 晶粒取向角、及晶粒形心位置。
4. 根据权利要求1所述的硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，在步骤4 中，采用布尔运算算法进行去重叠处理，新生成的WC颗粒与所有的WC颗粒进行布尔运算， 存在以下几种情况： (1) 较小WC颗粒完全投放在较大WC颗粒中，则较小颗粒消失，并存储布尔运算后的WC 颗粒； (2) 存在两颗粒交叉重叠，则通过布尔运算后，生成新的多边形WC颗粒； (3) 多个WC颗粒重叠，逐一两两进行布尔运算，并存储布尔运算后的WC颗粒。
5. 根据权利要求1或2所述的硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，步骤5 包括： a) 统计产生的新WC晶粒尺寸分布； b) 判断对比目标WC晶粒尺寸分布中存在超出目标WC颗粒数，删除超出的WC颗粒； c) 计算每次WC晶粒尺寸的投放概率，根据在投放区域内WC颗粒总目标投放数及投放 过程中已经投放的总WC颗粒数，结合晶粒尺寸既定分布区间内目标WC颗粒投放数及该分 布区间内已投放的WC颗粒投放数，从而得到每次WC晶粒尺寸投放概率； d)按WC晶粒尺寸投放概率计算新投放WC晶粒尺寸，根据目标区间的WC晶粒尺寸投放 概率以及目标WC晶粒尺寸，在概率取值范围内每次产生新的随机数LA_TMP，结合每次目标 区间WC晶粒尺寸投放概率值，从而计算该区间的新投放WC晶粒尺寸LA。
6. 根据权利要求1或2所述的硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，步骤6 包括： a) 统计区域目标Co含量分布，将矩形投放区域按边A与边B均匀划分成Num_a与Num_ b份，则投放区域被均布化划分，每个被划分区间的WC颗粒位置目标投放概率值为lANum_ aX Num_b)，若存在某特定区域超出目标Co含量则该区域WC颗粒投放概率为0 ; b) 计算WC颗粒位置投放概率，根据WC颗粒位置目标投放概率lANum_aXNum_b)，及 投放过程中结合每次投放的颗粒面积占已投放颗粒面积的概率，从而确定每次新投放的WC 颗粒位置投放概率值； c) 按照WC颗粒位置投放概率计算新投放WC颗粒位置，根据实际目标区间WC晶粒位置 投放概率及目标位置坐标，在投放概率取值范围内每次产生新的随机数LA_TMP，结合每次 投放的WC晶粒位置投放概率，计算每次新投放WC晶粒位置X与Y坐标值，从而确定WC颗 粒投放位置。
7. 根据权利要求1或2所述的硬质合金自适应参数化建模的方法，其特征在于，在步骤 7中，设定的算法结束判据包括目标WC晶粒数的限制，目标Co含量的限制，最大WC投放晶 粒数的限制，满足其中之一判据则投放结束，否则重复步骤3到步骤6继续投放。
【文档编号】G06F17/50GK104318039SQ201410657910
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】张光亮, 童和强 申请人:张光亮