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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

李明

201621030222

機制設計制造及其自動化

男

2016

張浪

201621030211

機制設計制造及其自動化

男

2016

陳馳

201621030231

機制設計制造及其自動化

男

2016

陳旭鴻

201621030216

機制設計制造及其自動化

男

2016

金程

201621030208

機制設計制造及其自動化

男

2016

指導教師

唐昆，李河清

職稱

講師，副教授

學生曾經參與科研的情況

    項目組成員李明參加了長沙理工大學大學生科技項目《FSAE制動液壓管道布局優化設計》， 項目組成員張浪參加長沙理工大學大學生科技項目《FSAE賽車懸架立柱設計與優化》，主要負責實驗開展和實驗數據整理等工作。

指導教師承擔科研課題情況

    以項目負責人身份分別主持國家自然科學基金項目、湖南省教育廳項目、湖南省自然科學基金項目、工程車輛輕量化與可靠性技術湖南省高校重點實驗室開放基金項目各一項。

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

一、項目研究和實驗的目的

近年來，伴隨各類光電產品小型化、精密化的發展趨勢，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，改善成像質量、提高系統鑒別能力及簡化儀器結構。同時，在各類玻璃材質中，鑭系玻璃具有高折射率、低色散的特性，因此廣泛應用于軍用與民用光電系統中。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，相比傳統研拋法，該技術具有工序少，成本低，工藝參數可控，環境友好等優點，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，直接通過成型實驗來確定最優工藝參數的方法耗時長、成本高，且易導致昂貴的精密模具出現損傷。因此，本項目擬將有限元仿真分析技術運用于鑭系玻璃的精密熱壓成型，通過模擬不同工藝參數條件下鏡片的應力、溫度分布及輪廓偏移量等，對實驗條件下成型鏡片的表面質量進行預測，以此獲得優化的工藝參數，并采用優化參數進行模壓成型實驗，以驗證仿真分析模型及分析結果的有效性。通過項目的開展，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、研究內容

1、通過對鑭系玻璃應力松弛、結構松弛及熱傳遞模型的分析，根據玻璃及模具的材料熱力學性能參數，并結合模壓工藝實驗參數，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、去應力退火和冷卻固化的連續仿真，獲得不同工藝參數條件下鏡片的應力、溫度分布及輪廓偏移量等，并對成型鏡片的表面質量進行預測，以此獲得優化的工藝參數；

3、采用優化參數進行小口徑鑭系玻璃鏡片的模壓成型實驗，對鏡片精度進行檢測，以驗證有限元模型及仿真分析結果的可靠性。

三、擬解決的主要問題：

1、鑭系玻璃材料高溫熱力學性能參數的獲取；

2、基于應力松弛、結構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仿真及對仿真模型的修正。

國內外研究現狀和發展動態

早在20世紀50年代，模壓成型的雛形開始展現。當時在制造玻璃毛坯時，把重量達到規定要求的玻璃塊用電爐加熱到軟化狀態，然后將其放入常溫的壓型機內壓制成形，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焙揀工藝來生產玻璃眼鏡片。而最近幾年我國在模壓成型領域也取得了一系列的成果，積累了一定的研究經驗，能夠得到較高精度的光學元件。近年來，湖南大學由尹韶輝教授帶領的研究小組對光學玻璃模壓成型進行了一系類的研究，其中王玉芳等利用非線性有限元軟件對非球面光學玻璃透鏡模壓成形進行了數值模擬分析，研究發現成形透鏡和模具的最大殘余應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。北京理工大學的周天豐教授為了實現光學玻璃微溝槽的高精度模壓成形制造，改進了玻璃-模具界面摩擦模型并通過模壓成形有限元仿真與試驗，揭示玻璃微溝槽模壓成形中材料高溫形變規律，提高了微溝槽的成型精度。另外，西安工業大學在劉衛國教授的帶領下對為了對紅外玻璃的精密模壓工藝進行仿真分析，利用熱機械分析方法，對紅外玻璃在高溫下的粘彈性進行了研究。并進行實驗表明，玻璃在高溫下會呈現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 個數量級。選擇微米結構進行仿真的結果表明，當模壓時間超過13 min后，時間對模具腔體的填充率的影響不大。

日本東北大學的Saotome等對兩種光學玻璃在Tg點到Tg點+30℃的溫度范圍條件下進行模壓成形實驗，得到不同溫度下真實應力與應變率的關系，證實了該溫度區間玻璃可視為牛頓粘滯流。日本東北大學Yan等主要研究了玻璃在轉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，對非球面和微結構玻璃元件的模壓成形技術進行了探討分析，使得玻璃模壓成型精度達到一個新的高度。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 模型的基礎上研究了玻璃模壓成型中透鏡折射率下降的現象，并對該規律進行了總結，進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的AllenYi 等開展了比較系統的研究工作，其中包括玻璃透鏡模壓成形的數值仿真，成形過程中的殘余應力與應力松弛的預測、工藝優化分析以及折射率改變等問題。 同時，美國貝萊姆森大學的Ananthasayanam對結構松弛進行了深入研究，討論了粘彈性理論、結構松弛理論及模壓成形工藝參數對輪廓偏移量的影響并對L-BAL35型玻璃進行實驗，討論得出玻璃預形體受熱越均勻，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的Scott Gaylord對玻璃的結構松弛進行了研究，采用光束彎曲和平行板技術來測量玻璃粘度，分別使用加熱速率和等溫膨脹測量來確定玻璃化轉變溫度Tg以及轉變區以下的膨脹特性。進行差示掃描熱法測量并使用Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）模型進行曲線擬合以進行結構松弛，并從這些計算中確定轉變區域中的動力學玻璃性質響應。結果表明，不能使用簡單的線性熱膨脹模型，并且必須實施結構松弛，以便在通過玻璃化轉變區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量。

參考文獻：

[1]  朱科軍. 光學玻璃透鏡模壓成形的數值仿真和實驗研究. 湖南大學, 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值模擬. 光子學報，2010年11期.

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

[4]  劉衛國；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

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

項目團隊成員來自長沙理工大學汽車與機械工程學院2016級機械設計制造及其自動化專業。本專業涉及的知識面廣、信息量大，注重機械制造、CAD/CAE/CAM和實際動手能力的培養，使學生具有很強的適應能力、創新能力、分析和解決問題的能力。

通過前期基礎課的學習、專業基礎課及CAE軟件的自學，項目組成員系統掌握了機械原理與機械設計、機械制造、有限元分析等專業知識，對鑭系玻璃鏡片熱壓成型的基礎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械設計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，有利于加速項目的推進。

我們相信在前期的工作基礎上，通過唐昆、李河清老師的精心指導，充分發揮我們組的聰明才智和專業特長，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驗”的項目開展。

項目的創新點和特色

    1、基于玻璃的應力松弛、結構松弛及熱傳遞模型，建立起鑭系玻璃鏡片熱壓成型過程的有限元分析模型：本項目通過精密熱壓成型機測試玻璃材料的熱-機械特性，并通過試驗建立熱壓成型過程的熱粘彈性本構模型，分析玻璃粘度隨溫度變化的規律，測試玻璃和模具的熱傳導和熱膨脹特性，并將試驗獲得的高溫熱力學參數輸入到仿真計算模型中修正模具參數，獲得最優的熱壓成型條件，再通過模壓成型機加工玻璃鏡片。由實驗到仿真然后回歸實驗，并由同一臺成型機完成玻璃性能測試和鏡片的加工，本項目在熱壓成型技術的研究方法上具有一定的創新。

    2、采用熱壓過程的五階段連續仿真理論與方法：將成型過程的加熱軟化、高溫浸潤、加壓成型、去應力退火和冷卻固化五個階段分階段仿真實現，并且又將五個階段依次串聯起來，結合實驗獲得的參數，更加真實的逼近實驗過程，仿真精度更高，對光學加工的計算機仿真具有一定的創新。

項目的技術路線及預期成果

一、項目的技術路線

   本項目技術路線如下圖1所示：

圖1 項目的技術路線圖

    圖1所示的技術路線具體可分解為：

    1、鑭系玻璃高溫熱力學性能參數的實驗獲取和理論本構模型的建立

    玻璃成型的高溫熱力學性能參數包括玻璃的粘度、表面張力、熱膨脹特性和熱傳導特性等。在仿真計算中，玻璃的機械特性，尤其是玻璃粘度隨溫度變化的特性，玻璃和模具的熱傳導和熱膨脹特性至關重要。通過模壓機中的加熱板對圓柱形光學玻璃加熱到成型溫度，再對圓柱形玻璃進行壓縮實驗。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系。通過變形位移可計算圓柱變形后橫截面面積，以此計算出圓柱體玻璃變形的工程拉應力或者壓應力和工程應變，這樣就可建立玻璃材料的應力和應變關系曲線，通過曲線擬合，即可得玻璃材料的本構模型。利用本構模型，再反向計算出壓縮實驗過程中的壓力變化，檢驗玻璃本構模型的正確性和精度，并適當調整相關參數。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的優化

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進行建模、計算和處理。MSC.Marc可以進行各種線性和非線性求解計算，能夠對熱傳導和機械變形實現耦合計算，并支持全自動二維網格和三維網格重劃，用以糾正過渡變形后產生的網格畸變，確保大變形分析的繼續進行。其中，模塊Pre-state，可以將前一個階段的計算結果導入后一個計算模型中，作為后一個計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行連續仿真分析，分析結果導入第三階段（c）的加壓變形模型中，于是熱變形引起的誤差就被累計到第三階段。加壓變形中，玻璃的本構方程采用實驗測試出的粘彈性模型，并將前一階段計算出的熱膨脹應變、應力等作為初始變形條件，將誤差累加到加壓變形中來，更加真實的反映玻璃的變形過程。接著，將合模后玻璃變形后的應力、應變計算結果導入第四階段（d）的初應力退火中，計算退火溫度和退火時間等參數。最后，將上述結果作為第五階段（e）的初始條件，計算出冷卻收縮量，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計的形狀，計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，并重新計算一遍，檢驗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后，改變仿真中設定的實驗條件，如成型溫度、模壓速度、保壓時間、模壓壓力等加工參數，計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，以此為標準，不斷優化加工參數，反復仿真計算，獲取最優加工參數。

    3、小口徑鑭系玻璃鏡片的成型實驗

    熱壓成型實驗在精密熱壓成型機上完成。利用模壓成型機，既可以測試玻璃高溫狀態下的高溫熱力學特性，為有限元仿真提供可靠的實驗模型數據；又可以模壓玻璃鏡片，驗證有限元模型的可靠性。根據2中的仿真結果得到的優化參數來設定鏡片的成型實驗條件。通過加熱軟化、高溫浸潤、加壓成型、除應力退火和冷卻固化五個階段，將圓球形玻璃坯料加工成設計的鏡片。最終測試成型加工得到的鏡片表面輪廓，并和設計輪廓做比較，驗證仿真模型和仿真結果的正確性和可靠性。

二、預期成果

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、可視化仿真，獲得優化的工藝參數；

2、基于優化的工藝參數完成鏡片熱壓成型實驗，并結合成型鏡片的檢測數據對仿真模型的可靠性進行驗證；

3、針對鏡片成型仿真與實驗，撰寫國家發明專利申請說明書一份；

4、撰寫“大學生創新性實驗計劃項目”總結報告一份。

年度目標和工作內容（分年度寫）

2018.4 - 2018.7 鑭系玻璃應力松弛、結構松弛及熱傳遞模型的分析，玻璃材料高溫熱力學性能參數的獲取；

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

2019.2 - 2019.4 鑭系玻璃鏡片的精密熱壓成型實驗，及仿真模型的驗證；

2019.5 - 2019.6 撰寫總結報告，申請國家發明專利。

指導教師意見

該項目充分運用機械制造與材料成型交叉學科專業知識，將仿真與實驗相結合，以獲得小口徑鑭系玻璃鏡片精密熱壓成型的最優工藝參數，可提高鏡片熱壓成型工藝的可靠性，并降低其加工成本，具有一定創新性；同時，項目的開展，可充分培養學生的探索精神與實踐能力，建議優先資助與支持。

簽字：                   日期：