装备备件三维打印应急制造材料优选研究

1　研究背景

近年来，三维打印技术因其在制造领域具有重要的应用潜力而受到广泛关注。金属三维打印技术主要采用金属粉末进行成型制造，可快速成型复杂零件，材料利用率高，材料形式为粉末状，占用储存空间小，携带方便。可见，金属三维打印在装备维修乃至战场抢修领域具有重要的应用前景。目前，金属三维打印的速度相对较慢，且精度和性能有待进一步提高，特别是在战场抢修中，能够在规定时间内进行三维打印应急零件的少之又少。随着激光器的发展，以及多激光器与高功率能量技术的应用，金属三维打印制件的速度和性能都得到较大提高，且国内的金属三维打印技术和粉末制备技术将越来越成熟。随着三维打印的市场化发展，打印成本必将大幅下降［1］。三维打印技术用于复杂武器装备零件制造、备件应急制造，以及定制维修工具制造领域，并将越来越普及，对于装备维修的发展具有重要意义［2-8］。三维打印由于相对传统的批量制造而言成本较高，因此在装备维修中更适合用于应急制造。在传统的机械设计中，材料选择需考虑机械性能、工艺性能、经济性及环境性等多方面因素，而应急制造主要考虑制造出的备件是否满足所要求的性能，因此，在装备备件三维打印材料选择时，主要考虑的是机械性能。

摘 要：学习效果评价作为教学活动的一个重要环节，既可检验学生对知识技能的掌握情况，也是教师了解学生学习情况的一种方式。针对传统高职课程评价实施方案不科学、评价指标不健全、评价管理方式落后的问题，提出了以能力本位为核心的“互联网+课程评价”模式。该模式科学、合理，易于实施，有效激发学习活力，提高教学质量。

应用三维打印技术制造装备备件的关键是选择合适的材料，根据机械产品设计中的匹配原则和适度原则［9］可知，选择材料并不能盲目追求高性能，而还应兼顾原零件的材料性能、受力模式、损伤模式等因素，以及战场抢修的任务要求。此外，传统选择的金属粉末材料成本普遍较高，从维修成本考虑，更应合理选择合适的材料，以减少不必要的浪费。

笔者以火炮炮闩备件三维打印材料选择为例，应用灰色关联分析法、层次分析法（AHP）及专家打分法对待选材料进行评估，从而选出性能最接近炮闩零件材料性能的粉末材料。这一方法将主观赋权法和灰色关联分析法相结合，对于合理选择火炮装备备件三维打印材料具有一定的参考意义。

2　灰色关联分析法原理

灰色关联分析法是灰色系统理论的重要成果之一，是目前应用最广泛、成果最多的灰色分析方法之一。灰色关联分析法的实质是将数据与曲线几何形状进行比较，通过计算得出几何形状的接近程度。几何形状越接近，变化趋势就越接近，关联度也就越大［10-11］。灰色关联分析法的步骤如下。

（1）确定评估指标体系，其中待评估的方案集记为 A=｛a1，a2，...，am｝， 评估方案的指标集记为 C=｛c1，c2，...，cn｝。

（2）确定参考数列X0及原始评估矩阵γ。

式中：W（j）为各指标权重，且

 

式中：j为方案号；i为性能指标号。

其次，提升路基养护管理效率。一方面，要求提升养护人员专业水平，并确保人员能够定期对路基加以检查，如发现路基路面出现鼓包、车辙以及裂缝等现象必须及时对这些区域进行检查和维修，并加强养护力度，对于维修后和其他正常区域进行有效维护，同时及时对维修区域、维修面积、养护次数、时间等加以记录，为日后的养护和施工留下资料；另一方面，翻浆现象存在一定季节性，为此必须在春、夏两季内增加养护次数，加强对地下水位的检测和控制，如发现有翻浆现象应对该区域立即进行维修和施工处理，提升路基质量和公路使用效率。

（4） 计算灰色关联因子［12］。对于参考数列 X0，比较数列 X1，X2，...，Xn，令 R=|X0j-Xij|，有：

火炮炮闩零件所用材料为炮钢，民用钢材中40CrNiMoA合金工具钢的成分和性能与炮钢相似，但目前该材料还难以被制成粉末用于三维打印。为了用三维打印方式制造出与原零件性能相似的备件，在选择材料时需要综合考虑各项性能指标。对大多数零件而言，机械性能是主要的必选指标，因此选取表征机械性能的六项主要参数建立评价指标体系，指标集合u=（u1，u2，u3，u4，u5，u6）， 其中 u1为硬度，u2 为抗拉强度，u3为屈服强度，u4为断后伸长率，u5为断面收缩率，u6为冲击吸收功。

 

由于选取的评估指标均为效益型指标，因此根据式（1）对上述原始数据进行无量纲标准化处理，处理结果为：

参考数列X0=［38 980 835 12 55 78］，原始评估矩阵为：

根据专家意见，采用AHP的指数标度，即可得到判断矩阵。AHP的指数标度含义见表1。然后运用加权求和法可以得到权重向量W。

（6）求关联度。每个指标对应一个关联度，而在实际评估中评价指标较多，所代表的信息分散，不能综合表达出评估对象与参考对象的关联度，为此采用非平权处理法对各指标的关联度进行整合。计算灰色关联度值：

 

（3）对数据进行标准化处理。实际评估指标的量纲一般是不同的，为了便于不同指标间相同因素的比较，需要对原始数据进行标准化处理。标准化处理的公式为：

 

表1　AHP指数标度含义

  

标度 含义1两因素比较，前者比后者略微重要5两因素比较，前者相对后者比较重要7两因素比较，前者相对后者非常重要9两因素比较，前者相对后者极其重要2，4，6，8 上述两相邻标度的中间值两因素比较，具有同等重要3

3　实例分析

炮闩是火炮的主要部件，具有闭锁炮膛和发射炮弹的功能。炮闩的技术状况直接影响火炮作战效能的发挥。炮闩作为影响火炮作战效能的重要部件之一，其内部零件数量较多，且大部分体积较小，适合采用三维打印技术进行制造，因此以炮闩备件三维打印为例进行分析。

3.1　评价指标选取及待评价粉末材料确定

然而，即使朱棣身为帝王，迁都也有重重阻碍：北方不是产粮区，整个国家的行政中心迁过去，粮食难以供应；河道不通，许多生活用品无法运达；更有众多臣工的亲朋故旧、社会人脉都在南方，一旦北迁，半生经营付诸东流，他们又如何愿意？故而他迁都的想法一提出，就受到来自各方的压力。

总而言之，建安时期诗与乐的风格有着内在紧密的一致性，且在文人的生活中音乐扮演着重要的角色，文人将在音乐中得到的滋养又转注到诗歌中，在这过程中离不开文人们音乐修养的提高，为了更好地了解建安时期音乐对诗歌的具体影响，我们应当梳理一下此期的音乐来源、特点等。

式（1）适用于效益型因素，式（2）适用于成本型因素。对所有因素进行标准化处理，得到评估矩阵X。

常见的金属粉末材料有钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金、镁合金等。笔者选取17-4PH不锈钢、H13工具钢、316L不锈钢三种应用较成熟的粉末材料进行评估。三种金属粉末材料及40CrNiMoA合金工具钢的机械性能［11］见表2。表2中Rm为抗拉强度，Re为屈服强度，A为断后伸长率，Z为断面收缩率，AKU为冲击吸收功。

3.2　确定原始评估矩阵及数据归一化处理

（5）计算指标权重。在实际决策中，不同指标对决策结果的作用和重要性是不同的，各目标赋予的权重将直接影响最终决策的结果。零件的工作模式和损伤模式不同，对材料性能要求也就不同，因此，各评价指标的权重并不固定，而是由技术人员根据零件对材料的性能要求进行调整。采用 AHP［10］求权重，步骤为：①建立评估对象的递阶层次结构；②构造判断矩阵，并检验其一致性；③根据判断矩阵计算权重向量。

 

表2　金属材料机械性能

  

材料 洛氏硬度（HRC） Rm/MPa Re/MPa A Z AKU/J 40CrNiMoA 38 980 835 12% 55% 78 17-4PH 40 800 750 42% 50% 50 316L 22 640 480 40% 60% 10 H13 55 1 100 915 13% 50% 21

 

式中：为Xij与X0的相对差值，即为关联因子；μ为分辨因子，为了扩大关联因素的差异显著性，提高关联度的分辨效果，取值范围为［0，1］，经证明，一般情况下μ应大于0.4，通常应在0.5～1之间，实际应用时人为给定，通常取 μ=0.5。

 

3.3　计算评价指标权重

应用AHP的指数标度，根据专家意见，采用（1/9，9）最大期望算法，得到各评价指标之间的指数标度，见表3。

1.2.2 专家访谈法 根据本课题研究内容，于2018年3月至6月访谈北京大学校选修课的授课教师与北京体育大学体育舞蹈教研室2位副教授（表1），获得上课的内容、学时分配、负荷量等相关信息。

 

表3　各评价指标间指数标度

  

指标 u1 u2 u3 u4 u5 u6 u1 1 1/4 1/4 1/2 1/2 1/3 u2 4 1 1 2 2 2 u3 4 1 1 2 2 2 u4 2 1/2 1/2 1 1 1/2 u5 2 1/2 1/2 1 1 1/2 u6 3 1/2 1/2 2 2 1

根据得到的判断矩阵，应用加权求和法计算，得到权重向量W。经验证，随机一致性比率CR＜0.1，认为该判断矩阵具有较满意的一致性。

 

3.4　关联度计算

根据前述计算得到 γi=（0.58，0.41，0.67）， 待选材料关联度排序结果为H13工具钢＞17-4PH不锈钢＞316L不锈钢，所以H13工具钢和40CrNiMoA合金工具钢的关联度最大，结论为H13工具钢的性能较其它两种材料更接近于40CrNiMoA合金工具钢。

运输途中装载混凝土的容器不密实，出现漏浆的现象会造成混凝土的比例失衡。运输的次数过多，时间过长等这些因素有可能导致混凝土的开裂。施工过程中，混凝土搅拌不均匀、铺设的时候没有注意均匀铺设，混凝土的密度、强度受到影响会造成开裂的现象。混凝土长时间暴露在阳光下，没有采取相应的防护措施，会出现混凝土中的水分被风干，混凝土失水出现了裂缝，尤其是在风大的环境下，更容易破坏混凝土的结构。

响应社会发展需求以及充分地融入国际发展平台，我国高等工程教育办学理念发生了重大变化。教育部针对高等工程教育提出的卓越工程师教育培养计划是贯彻和充分地落实“两规划纲要”的重大改革措施，也是全面的促进我国更好的实现工程教育强国的重大举措。卓越计划的实施体现了高等工程教育一方面特别重视国家产业结构调整，另一方面满足发展战略性新兴产业人才需求，体现了适度超前培养人才的战略目标。

4　结束语

材料是决定零件性能的根本因素，所以在制造备件前，应选择性能与原零件性能最接近的材料来进行成型制造。评价材料性能的因素有很多，装备备件炮闩三维打印材料的选择主要侧重于备件性能与原零件性能接近，可以采用灰色关联分析法进行评估，综合考虑多种因素，并将决策结果量化，应用AHP将专家知识融合，根据不同零件对性能的要求进行赋权，最终得到待评估材料与40CrNiMoA合金工具钢性能的关联度，选用关联度最大的H13工具钢用于制造备件。笔者设计的方法，同样适合于其它装备备件三维打印材料的选择。

参考文献

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