外文翻譯-一種特殊的預(yù)防電壓波動的保護方案及外文文獻翻譯-az31鎂合金在高溫下的吹塑成型

原文:ASPECIALPROTECTIONSCHEMEFORVOLTAGESTABILITYPREVENTIONTaraAlzahawiStudentMember,IEEEMohindarS.SachdevLifeFellow,IEEEG.RamakrishnaMember,IEEEPowerSystemResearchGroupUniversityofSaskatchewanSaskatoon,SKS7N5A9,CanadaAbstractVoltageinstabilityiscloselyrelatedtothemaximumload-abilityofatransmissionnetwork.Theenergyflowsonthetransmissionsystemdependonthenetworktopology,generationandloads,andontheavailabilityofsourcesthatcangeneratereactivepower.OneofthemethodsusedforthispurposeistheVoltageInstabilityPredictor(VIP).Thisrelaymeasuresvoltagesatasubstationbusandcurrentsinthecircuitconnectedtothebus.Fromthesemeasurements,itestimatestheThévenin’sequivalentofthenetworkfeedingthesubstationandtheimpedanceoftheloadbeingsuppliedfromthesubstation.ThispaperdescribesanextensiontotheVIPtechniqueinwhichmeasurementsfromadjoiningsystembusesandanticipatedchangeofloadaretakenintoconsiderationaswell.Keywords:Maximumloadability;Voltageinstability;VIPalgorithm.IntroductionDeregulationhasforcedelectricutilitiestomakebetteruseoftheavailabletransmissionfacilitiesoftheirpowersystem.Thishasresultedinincreasedpowertransfers,reducedtransmissionmarginsanddiminishedvoltagesecuritymargins.Tooperateapowersystemwithanadequatesecuritymargin,itisessentialtoestimatethemaximumpermissibleloadingofthesystemusinginformationaboutthecurrentoperationpoint.Themaximumloadingofasystemisnotafixedquantitybutdependsonvariousfactors,suchasnetworktopology,availabilityofreactivepowerreservesandtheirlocationetc.Determiningthemaximumpermissibleloading,withinthevoltagestabilitylimit,hasbecomeaveryimportantissueinpowersystemoperationandplanningstudies.TheconventionalP-VorV-Qcurvesareusuallyusedasatoolforassessingvoltagestabilityandhenceforfindingthemaximumloadingatthevergeofvoltagecollapse[1].Thesecurvesaregeneratedbyrunningalargenumberofloadflowcasesusing,conventionalmethods.Whilesuchprocedurescanbeautomated,theyaretime-consuminganddonotreadilyprovideinformationusefulingaininginsightintothecauseofstabilityproblems[2].Toovercometheabovedisadvantagesseveraltechniqueshavebeenproposedintheliterature,suchasbifuricationtheory[3],energymethod[4],eigenvaluemethod[5],multipleloadflowsolutionsmethod[6]etc.Reference[7]proposedasimplemethod,whichdoesnotrequireoff-linesimulationandtraining.TheVoltageIndicatorPredictor(VIP)methodin[7]isbasedonlocalmeasurements(voltageandcurrent)andproducesanestimateofthestrength/weaknessofthetransmissionsystemconnectedtothebus,andcomparesitwiththelocaldemand.Thecloserthelocaldemandistotheestimatedtransmissioncapacity,themoreimminentisthevoltageinstability.ThemaindisadvantageofthismethodisintheestimationoftheThévenin’sequivalent,whichisobtainedfromtwomeasurementsatdifferenttimes.Foramoreexactestimation,onerequirestwodifferentloadmeasurements.ThispaperproposesanalgorithmtoimprovetherobustnessoftheVIPalgorithmbyincludingadditionalmeasurementsfromsurroundingloadbusesandalsotakingintoconsiderationlocalloadchangesatneighboringbuses.ProposedMethodologyTheVIPalgorithmproposedinthispaperusesvoltageandcurrentmeasurementsontheloadbusesandassumesthattheimpedanceofinterconnectinglines(,)areknown,asshownin(Figure1).ThecurrentflowingfromthegeneratorbustotheloadbusisusedtoestimateThévenin’sequivalentforthesysteminthatdirection.Similarlythecurrentflowingfromotherloadbus(Figure2)isusedtoestimateThévenin’sequivalentfromotherdirection.Thisresultsinfollowingequations(Figure3).Notethatthecurrentcomingfromthesecondloadbusoverthetransmissionlinewaskeptoutofestimationinoriginal(VIP)algorithm.[1][2][3][4]WhereandarecurrentscomingfromThéveninbusesno.1and2.Equation(1)-(4)canbecombinedintoamatrixform:*[5]Usingthefirst2rowsinthesystemEquations(1)-(4),thevoltageonbusesnumber1and2canbefoundasshowninEquation(6)below.FromEquation(6)wecanseethatthevoltageisafunctionofimpedances.NotethatthemethodassumesthatallThévenin’sparametersareconstantatthetimeofestimation.[6]Where,andThesystemequivalentseenfrombusno.1isshowninFigure3.Figure4(a)showstherelationshipbetweenloadadmittances(and)andvoltageatbusno.1.Powerdeliveredtobusno.1is()anditisafunctionof(,).[7]Equation7isplottedinfigure4(b)asa‘landscape’andthemaximumloadingpointdependsonwherethesystemtrajectory‘goesoverthehill’.Fig.1.3-BussystemconnectionsFig.2.1-BusmodelFig.3.SystemequivalentasseenbytheproposedVIPrelayonbus#1(2-busmodel)(a)VoltageProfile(b)PowerProfileFig.4.Voltageandpowerprofilesforbus#12.1.On-LineTrackingofThévenin’sParametersThévenin’sparametersarethemainfactorsthatdecidethemaximumloadingoftheloadbusandhencewecandetectthevoltagecollapse.InFigure3,canbeexpressedbythefollowingequation:[8]VandIaredirectlyavailablefrommeasurementsatthelocalbus.Equation(8)canbeexpressedinthematrixformasshownbelow.[9]B=AX[10]Theunknownparameterscanbeestimatedfromthefollowingequation:[11]Notethatalloftheabovequantitiesarefunctionsoftimeandarecalculatedonaslidingwindowofdiscretedatasamplesoffinite,preferablyshortlength.Thereareadditionalrequirementstomaketheestimationfeasible:?TheremustbeasignificantchangeinloadimpedanceinthedatawindowofatleasttwosetofMeasurements.?ForsmallchangesinThévenin’sparameterswithinaparticulardatawindow,thealgorithmcanestimateproperlybutifasuddenlargechangeoccursthentheprocessofestimationispostponeduntilthenextdatawindowcomesin.?Themonitoringdevicebasedontheaboveprinciplecanbeusedtoimposealimitontheloadingateachbus,andshedsloadwhenthelimitisexceeded.Itcanalsobeusedtoenhanceexistingvoltagecontrollers.Coordinatedcontrolcanalsobeobtainedifcommunicationisavailable.Oncewehavethetimesequenceofvoltageandcurrentwecanestimateunknownsbyusingparameterestimationalgorithms,suchasKalmanFilteringapproachdescribed[6].stabilitymargin(VSM)duetoimpedancescanbeexpressedas();wheresubscriptzdenotestheimpedance.Thereforewehave:[12]Theaboveequationassumesthatbothloadimpedances(,)aredecreasingatasteadyrate,sothepowerdeliveredtobus1willincreaseaccordingtoEquation(7).Howeveronceitreachesthepointofcollapsepowerstartstodecreaseagain.Nowassumethatbothloadsarefunctionsoftime.ThemaximumcriticalloadingpointisthengivenbyEquation(13):[13]Expressingvoltagestabilitymarginduetoloadapparentpoweras(),wehave:[14]Notethatbothandarenormalizedquantitiesandtheirvaluesdecreaseastheloadincreases.Atthevoltagecollapsepoint,boththemarginsreducetozeroandthecorrespondingloadisconsideredasthemaximumpermissibleloading.Fig.5.VIPalgorithm2.2.VoltageStabilityMarginsandtheMaximumPermissibleLoadingSystemreachesthemaximumloadpointwhenthecondition:issatisfied(Figure5).ThereforethevoltagestabilityboundarycanbedefinedbyacirclewitharadiusoftheThévenin’simpedance.Fornormaloperationtheissmallerthan(i.e.itisoutsidethecircle)andthesystemoperatesontheupperpart(orthestableregion)ofaconventionalP-Vcurve[2].However,whenexceedsthesystemoperatesonthelowerpart(orunstableregion)oftheP-Vcurve,indicatingthatvoltagecollapsehasalreadyoccurred.Atthemaximumpowerpoint,theloadimpedancebecomessameastheThévenin’s().Therefore,foragivenloadimpedance(),thedifferencebetweenandcanbeconsideredasasafetymargin.HencethevoltageasgiveninanIEEEsurvey,whichdescribed(111)schemesfrom(17)differentcountries[8].Fig.6.Loadactionstopreventfromvoltageinstability2.3.AdvantagesoftheproposedVIPalgorithmByincorporatingthemeasurementsfromotherloadbuses(Figure3),theproposedVIPalgorithmachievesamoreaccuratevalueof.Theon-linetrackingofisusedtotracksystemchanges.TheproposedimprovementsintheVIPalgorithmwillresultinbettercontrolactionforpowersystemvoltagestabilityenhancement.Thecontrolmeasuresarenormallyshuntreactordisconnection,shuntcapacitorconnection,shuntVARcompensationbymeansofSVC’sandsynchrounscondensers,startingofgasturbines,lowpriorityloaddisconnection,andsheddingoflow-priorityload[8].Figure6showsthemostcommonlyusedremedialactions.ConclusionsAnimprovedVoltageInstabilityPredictor(VIP)algorithmforimprovingthevoltagestabilityisproposedinthispaper.ThepreviousVIPmethod[7]usedmeasurementsonlyfromthebuswheretherelayisconnected.Thenewmethodusesmeasurementsfromotherloadbusesaswell.Thevoltageinstabilitymarginnotonlydependsonthepresentstateofthesystembutalsoonfuturechanges.Therefore,theproposedalgorithmusesanon-linetrackingThévenin’sequivalentfortrackingthesystemtrajectory.Thealgorithmissimpleandeasytoimplementinanumericalrelay.TheinformationobtainedbytherelaycanbeusedforloadsheddingactivationatthebusorVARcompensation.Inaddition,thesignalmaybetransmittedtothecontrolcentre,wherecoordinatedsystem-widecontrolactioncanbeundertaken.ThealgorithmiscurrentlybeinginvestigatedonanIEEE30bussystemandresultsusingtheimprovedVIPalgorithmwillbereportedinafuturepublication.References[1]M.H.Haque,“Onlinemonitoringofmaximumpermissibleloadingofapowersystemwithinvoltagestabilitylimits”,IEEproc.Gener.Transms.Distrib.,Vol.150,No.1,PP.107-112,January,2003[2]V.Balamourougan,T.S.SidhuandM.S.Sachdev,“Techniqueforonlinepredictionofvoltagecollapse”,IEEProc.Gener.Transm.Distrib.,Vol.151,No.4,PP.453-460,July,2004[3]C.A.Anizares,“Onbifurcationsvoltagecollapseandloadmodeling“IEEETrans.PowerSystem,Vol.10,No.1,PP.512-522,February,1995[4]T.JOverbyeandS.JDemarco,“ImprovedTechniqueforPowerSystemvoltagestabilityassessmentusingenergymethods“,IEEETrans.PowerSyst.,Vol.6,No.4,PP.1446-1452,November,1991[5]P.ASmedLoof.T.Andersson,G.HillandD.J,”Fastcalculationofvoltagestabilityindex”,IEEETrans.PowerSyst.Vol.7,No.1,PP.54-64,February,1992[6]K.Ohtsuka,”Anequivalentofmulti-machinepowersystemanditsidentificationforon-lineapplicationtodecentralizedstabilizers”,IEEETrans.PowerSyst.,Vol.4No.2,PP.687-693,May,1989[7]KhoiVu,MiroslavMBegovic,DamirNovosel,MurariMohanSaha,“UseoflocalMeasurementstoestimatevoltage–stabilitymargin“IEEETrans.Powersyst.Vol.14,No.3,PP.1029-1035,August,1999[8]G.VerbicandF.Gubina“Fastvoltage-collapselineprotectionalgorithmbasedonlocalphasors”,IEEProc.Gener.Transm.Distrib.,Vol.150,No.4,PP.482-486,July,2003譯文：一種特殊的預(yù)防電壓波動的保護方案塔拉阿里扎哈維學(xué)生會員,IEEE摩亨達瑞S.薩凱戴維院士,IEEEG.羅摩克里希納會員,IEEE（IEEE:美國電氣和電子工程師協(xié)會）薩斯喀徹溫省薩斯卡通大學(xué)的電力系統(tǒng)研究小組,SKS7N5A9,加拿大摘要電壓的波動與輸電線路的最大負載能力密切相關(guān)。輸電系統(tǒng)中電能的傳輸依賴于輸電線路的拓撲結(jié)構(gòu),發(fā)電和負載,以及無功電源的出處。一種用于分析電壓波動的方法是電壓波動的預(yù)測(VIP)。由繼電器測量變電所連接到線路上的電路的電流和電壓。根據(jù)測量結(jié)果,借助戴維南定理估算出輸送到變電所線路和從變電所提供的負載的阻抗。本文描述了一個測量相鄰系統(tǒng)母線并考慮到的負荷預(yù)期變化的擴展的VIP技術(shù)。關(guān)鍵詞:最大負載能力;電壓波動;VIP算法。1.簡介寬松的政策迫使發(fā)電企業(yè)要更好地利用電力系統(tǒng)中的輸電。這導(dǎo)致了輸電量的增加,降低了輸電利潤和減小了電壓安全裕度。操作一個有足夠安全裕度的電力系統(tǒng),在系統(tǒng)的使用信息中估算當(dāng)前操作點的最大允許負載是必要的。一個電力系統(tǒng)的最大負載不是一個固定的值而是取決于各種各樣的因素,比如輸電線路的拓撲、無功電源的出處和他們的位置等等。決定最大允許負載,在電壓穩(wěn)定極限內(nèi),在電力系統(tǒng)運行和規(guī)劃研究中已成為一個非常重要的問題。常見的P-V或V-Q曲線通常當(dāng)作一個評估電壓穩(wěn)定的依據(jù),進而為在電力系統(tǒng)電壓崩潰端尋找最大負載提供依據(jù)[1]。這些曲線常規(guī)的方法是在大量負載流運行使用的情況下產(chǎn)生的。雖然這樣的過程已經(jīng)可以自動化,但它們是耗時的,在發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定性問題的起因時不易提供一些有用的信息[2]。為了克服上述缺點的多個方法已經(jīng)在文獻上提到,比如分叉理論[3],能量法[4]、本征值法[5],多個負載流解法[6]等。參考[7]提出了一個簡單的方法,它不需要離線的模擬和訓(xùn)練。電壓指標預(yù)測方法(VIP)[7]是在本地測量值(電壓和電流)的基礎(chǔ)上,產(chǎn)生一個連接到母線上估算優(yōu)點和缺點的輸電系統(tǒng),并將它與當(dāng)?shù)氐男枨髮Ρ?。估算出最接近本地需求的輸電?更為緊迫的是電壓波動。該方法的主要缺點是在戴維南定理的估算,它在不同時刻獲得兩個測量值。對于一個更精確的估值,一般需要兩個不同的負荷測量值。本文提出了一種提高穩(wěn)定性算法的算法,包括周圍負載母線的額外的測量值外也考慮到相鄰總線之間局部的負載變化。2.提出的方法VIP算法在本文中提到在負載母線和互連線(,)的假設(shè)阻抗在已知的情況下使用電壓和電流測量,如下所示(圖1)。發(fā)電機負載母線的電流被用來估計戴維南等效的輸電方向。類似于用從其他負載母線(圖2)的電流來估計戴維南等效的其他方向。這個結(jié)果在以下方程式(圖3)。注意在輸電線路上來自第二負載母線的電流被排除在最初的估算(VIP)算法。[1][2][3][4]由戴維南定理得來自第一和第二母線的電流和。方程(1)-(4)可以組合為一個矩陣形式:*[5]使用第一行系統(tǒng)方程(1)-(4)中的2,在母線1和2上的電壓可以發(fā)現(xiàn)如以下方程式(6)所示。從方程式(6)中我們可以看到,電壓是一個阻抗的函數(shù)。請注意這個方法是假定所有戴維南的參數(shù)是常數(shù)時的估算。[6]在和中系統(tǒng)等效理解為母線1如圖3所示。圖4(a)顯示了負載通道(y1和y2)和母線1電壓之間的關(guān)系。電力輸送到母線1是(),它是一個(,).的函數(shù)。[7]方程式7如圖4(b)“形象化”繪制并且最大負載點取決于系統(tǒng)軌跡”超過頂點”。圖1.3母線系統(tǒng)連接圖2.1母線模型圖3.系統(tǒng)等效為被提議的VIP轉(zhuǎn)接到母線#1(母線#2模型)(a)電壓分布圖(b)功率分布圖圖4.母線#1的電壓和功率分布圖2.1.即時跟蹤戴維南的參數(shù)戴維南的參數(shù)是決定負載母線最大負載的的主要因素,因此我們可以檢測輸電系統(tǒng)電壓崩潰。在圖3，可以用以下的方程式表示:[8]電壓和電流可以從測量本地母線直接得到。方程式(8)可以用矩陣形式表達,如下所示。[9]B=AX[10]未知參數(shù)可以從以下方程式的估算:[11]注意,上述所有數(shù)量的計算是函數(shù)的時間和在滑動窗口的有限的離散數(shù)據(jù)樣本之內(nèi)計算,最好長度是短的。在額外的需求下做出可行的估算:?必須有一個顯著的變化，負載阻抗數(shù)據(jù)窗口至少兩組測量值。?對于戴維南參數(shù)在一個特殊的數(shù)據(jù)窗口小的變化,該算法可以正確地估算除一個突然大的變化以外，估算的過程推遲到下一個數(shù)據(jù)窗口的到來。?這種監(jiān)視裝置基于上述原理可以用來強加限制裝載在每個母線,和流負載超過限制時。它也可以用來加強現(xiàn)有的電壓控制器。協(xié)調(diào)控制同樣可以得到在交流是否空閑的情況下。一旦我們有了時間序列的電壓和電流，我們可以通過使用參數(shù)估算算法估算未知參數(shù),如卡爾曼濾波方法描述[6]。穩(wěn)定裕度()由于阻抗可以表示為（）;在下標z表示阻抗。因此我們有:[12]上述方程式假設(shè)兩個負載阻抗(,)是在一個穩(wěn)定的速度下減少,所以電力送到母線1將根據(jù)方程(7)增加。然而一旦它達到飽和點的時候電力再一次開始減少?，F(xiàn)在,假設(shè)兩個負載是時間的函數(shù)。最大的臨界負載點方程式(13)給出:[13]電壓穩(wěn)定裕度表示由于負載視在功率為(),我們有:[14]注意,和兩個都是標準化的定量和隨著負載的增加它們的價值減少。在電力系統(tǒng)電壓崩潰點,同時兩個裕度減少到零和相應(yīng)的負載被視為最大允許負載。圖5.VIP算法2.2.電壓穩(wěn)定裕度和最大允許加載系統(tǒng)達到最大負載點當(dāng)滿足條件:(圖5)。所以,電壓穩(wěn)定裕度可以定義為一個戴維南阻抗為半徑的圓。正常操作的是小于(即它是圓外面)和系統(tǒng)對上部(或穩(wěn)定的地區(qū))的一個常見的P-V曲線起作用[2]。然而,當(dāng)超過系統(tǒng)運行在較低的部分(或波動的地區(qū))的P-V曲線,表明電力系統(tǒng)電壓崩潰已經(jīng)發(fā)生。在最大功率點,負載阻抗等同于戴維南()。因此,對于一個給定的負載阻抗()，和之間的差異可以被視為一種安全裕度。因此,給IEEE一份描述(111)計劃從(17)不同的國家[8]的電壓調(diào)查。圖6.負載的行為阻止電壓不穩(wěn)定2.3.提議的VIP算法的優(yōu)點通過整合其他負載母線(圖3)的測量值,這個VIP算法達到更精確的估算。即時地跟蹤是用來跟蹤系統(tǒng)的變化。提議的改進的VIP算法對輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性增強有了更好的控制作用?？刂拼胧┩ǔ２⒙?lián)電抗器用來斷開,并聯(lián)電容器連接,分流器VAR通過SVC補償和同步冷凝器,燃氣渦輪機的開始,低優(yōu)先級負載斷開和低優(yōu)先級負載的脫落[8]。圖6顯示了最常用的補救措施。3.結(jié)論本文提出一種為提高電壓穩(wěn)定性而改進的電壓波動預(yù)測(VIP)算法。前面的VIP方法[7]只使用繼電器連接的母線的測量值。新方法很好地使用其他負載母線的測量值。電壓波動裕度不僅取決于當(dāng)前的輸電系統(tǒng)狀態(tài)還取決于將來的變化。因此,該算法對跟蹤輸電系統(tǒng)的軌跡使用了一個即時跟蹤的戴維南等效。該算法簡易地實現(xiàn)了一個數(shù)字繼電器。通過繼電器得到的信息可以用于在母線減載激活或無功補償。此外,信號可能傳輸?shù)娇刂浦行?協(xié)調(diào)整個輸電系統(tǒng)承擔(dān)的控制作用。該算法是現(xiàn)在正在IEEE母線30輸電系統(tǒng)被研究而且使用改進的VIP算法的研究結(jié)果將被刊登在最近的出版物上。參考文獻[1]M.H.Haque,“一個電力系統(tǒng)在電壓穩(wěn)定極限下在線監(jiān)測最大允許負載”,IEEproc.Gener.Transms.Distrib。,Vol.150,No.1,第112-107頁,2003年1月[2]V.Balamourougan,T.S.Sidhu和M.S.Sachdev,“在線預(yù)測電壓崩潰技術(shù)”,IEEProc.Gener.Transm.Distrib。,Vol.151,No.4,第460-453頁,2004年7月[3]C.A.Anizares,”分支電壓崩潰和負荷建?！盜EEE反式。輸電系統(tǒng)》雜志,Vol.10,No.1,第522-512頁,1995年2月[4]T.JOverbye和S.JDemarco,“用于輸電系統(tǒng)電壓穩(wěn)定評估使用能量法的改進技術(shù),IEEE翻譯.輸電系統(tǒng)。》Vol.6,No.4,第1446-1452頁,1991年11月[5]P.ASmedLoof.T.Andersson,G.HillandD.J,“電壓穩(wěn)定指標的快速估算”,IEEE翻譯.輸電系統(tǒng)。Vol.7,No.1,第54-64頁,1992年2月[6]K.Ohtsuka”,一個類似于多機輸電系統(tǒng)及其為聯(lián)機應(yīng)用識別來分散穩(wěn)定,IEEE翻譯.輸電系統(tǒng)。Vol.4No.2,第693-687頁,1989年5月[7]KhoiVu,MiroslavMBegovic,DamirNovosel,MurariMohanSaha,“使用本地測量值估算電壓穩(wěn)定裕度“IEEE翻譯.輸電系統(tǒng)。Vol.14,No.3,第1035-1029頁,1999年8月[8]G.Verbic和F.Gubina“基于本地相量的電壓崩潰線路保護快速算法”,IEEProc.Gener.Transm.Distrib。Vol.150,No.4,第486-482頁,2003年7月畢業(yè)設(shè)計（論文）的外文文獻翻譯原始資料的題目/來源：BlowformingofAZ31magnesiumalloysatelevatedtemperatures/ORIGINALRESEARCH翻譯后的中文題目：AZ31鎂合金在高溫下的吹塑成型院（系）材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)材料成型及控制工程中文翻譯AZ31鎂合金在高溫下的吹塑成型1.摘要：本文研究和報道了關(guān)于AZ31B鎂合金商業(yè)片在高溫下的成形行為。實驗分兩個階段進行。第一階段是分析自由脹形實驗，第二階段是分析板材填充封閉模具的能力。施加不同的壓力和溫度，用標本圓拱高度表征參數(shù)，在相同時實驗中，使用分析的方法來計算應(yīng)變速率敏感指數(shù)。因此適當(dāng)?shù)某尚螀?shù)如溫度和壓力，對于隨后的成形實驗是有用處的。第二階段中，在帶有棱形空腔的密閉模具中進行成形實驗。同時分析了相關(guān)的過程參數(shù)對成形結(jié)果中壁厚填充、最終樣品上圓角半徑及分布的影響。閉模成形實驗證明：如果工藝參數(shù)選擇適當(dāng)，所研究的商業(yè)鎂板可成形復(fù)雜的幾何形狀。2.關(guān)鍵詞：吹塑成形、材料特性、AZ31鎂合金3.簡介在眾多結(jié)構(gòu)材料中，鎂合金以其低比重得到了行業(yè)廠家越來越多個興趣，鎂合金在具有最低的密度，在輕量化上也有很高的潛力，尤其是在移動正在使用運動部件的領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，越來越多地為輕質(zhì)合金材料，尤其是傳統(tǒng)的成形方法無法快速有效的成形鎂合金等合金，使得超塑性成形（SPF）成為一種有吸引力的成形方法。事實上，具有極其復(fù)雜形狀的輕量化部件可以由具有超塑性的單層板通過超塑性成形制造。輕金屬合金如鋁、鈦和鎂，有些難以在傳統(tǒng)的成形條件下成形，吹塑成形（BF）的應(yīng)用隨之越來越多。吹塑過程主要是將坯料放入模具型腔中，并在其上施加成形氣體（如空氣、氬氣）。相比基于成形操作的流體，在高溫成形的區(qū)域，氣體的耐熱性為實現(xiàn)更高的溫度提供了可能[1]。該氣體可完全替代傳統(tǒng)沖壓工序中的驅(qū)動沖頭，并且允許具有高細節(jié)層次的不同種類材料的變形。在過去，吹塑成型的理念主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的玻璃吹制上，它的主要原理是在材料溫度高于其軟化點后成形。目前，BF的原理已被廣泛應(yīng)用到塑料的制造上。這個過程進行的金屬板料成形相比傳統(tǒng)的成形方法潛力是顯著的。它有如下優(yōu)點：（i）在具有高細節(jié)層次的單一操作中成形大而形狀復(fù)雜的組件；（ii）他們用近似網(wǎng)狀的制造方法大大減少了后續(xù)的成本和在裝配操作上花費的時間；（iii）無需人力損耗；（iv）成品有更高的尺寸精度；（v）回彈對成形部分影響小。然而，金屬的超塑性吹塑成形并沒有在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，因為其原材料和生產(chǎn)過程成本較高，這使得它的競爭力要比其他的傳統(tǒng)技術(shù)弱。為了克服這些缺點，高應(yīng)變速率超塑性和其他技術(shù)比如快速塑料成形應(yīng)用而生，并且為實現(xiàn)大批量生產(chǎn)一直在改進。成功實施QPF技術(shù)需要一個遠離小批量假設(shè)的轉(zhuǎn)換，這種假設(shè)與之前應(yīng)用在航空航天和利基汽車產(chǎn)品的BF技術(shù)是相關(guān)聯(lián)的。另一方面，原材料的準備更加苛刻：控制極小平均晶粒尺寸的顯微結(jié)構(gòu)也是有要求的[2,3]。在這項工作中，分析了在高溫下通過BF技術(shù)的裝置一塊商業(yè)鎂板的成形行為。所使用的剛發(fā)包括兩個方面：（i）通過脹形測試得出的第一相表征；（ii）第二階段在封閉模具中成形過程的分析。該工作主要目標是結(jié)合BF技術(shù)分析鎂合金在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用潛力。這些合金已經(jīng)顯示出在高溫下具有超塑性[4,7]。最終目標是看這種成形技術(shù)對商業(yè)開發(fā)的影響，一旦工藝參數(shù)的優(yōu)化有了顯著的成果，首先可是實現(xiàn)循環(huán)時間的減少。4.實驗裝置：在實驗室規(guī)模的設(shè)備上已經(jīng)進行了材料特性和封閉模具成形測試，這個設(shè)備嵌在INSTRON萬能材料試驗機的圓筒形裂解爐中。設(shè)備包括：（i）一個壓邊器，（ii）具有多個不同型腔的凹模，來滿足不同的成形條件，（iii）連通氬氣缸的供應(yīng)氣體的氣動回路，在靠近成形腔室應(yīng)有成比例電磁閥和鋼管，在低溫地方有靈活的聚氨酯管，（iv）具有電子控制器的電爐，為補償熱擴散，需在上部、中部、下部設(shè)置三種不同的溫度，（v）監(jiān)測板材和工具熱條件的熱電偶，（vi）一個傳感器用于測量在脹形試驗期試樣的圓頂高度（vii）采集I/O設(shè)備上溫度，壓力，壓邊力數(shù)據(jù)的PC機，可以用來監(jiān)控和管理。對于材料特性，脹形試驗在一個直徑為45mm的圓筒形模腔中進行，板材在其中可以自由擴散。在整個實驗過程中通過數(shù)字采集的位置傳感器信號檢測試樣的圓拱高度。設(shè)備上的更多詳情可見參考文獻[8]。在閉模成形試驗中，使用的是具有14mm深棱柱空腔的模具。該空腔截面為方形，邊長為40mm，兩側(cè)之間的圓角半徑為5mm。設(shè)備示意圖如圖1。圖1封閉模具成形試驗的試驗裝置5.材料特性商業(yè)AZ31B鎂合金板材在收獲狀態(tài)中已經(jīng)得到測試。該材料未經(jīng)機械和熱處理；板材在退火條件下已被壓緊，平均晶粒尺寸為15±3μm，厚度0.75mm。關(guān)于材料的超塑性特性，拉伸試驗通常是在不同的溫度和應(yīng)變速率條件下進行，目的是為了得到材料具有最高斷裂伸長率的最佳條件。這個可以通過拉伸試驗測量斷裂伸長率和跳應(yīng)變速率實驗測量應(yīng)變速率敏感性指數(shù)得到[9]。一些學(xué)者證明：當(dāng)晶界滑移（GBS）為主要變形機制時，應(yīng)力和應(yīng)變條件對材料特性影響不大[10]。其他學(xué)者也證明了單軸拉伸應(yīng)力和應(yīng)變條件不能有效地獲得材料的參數(shù)，因為成型過程中板材存在這樣一個現(xiàn)象，與模具相互作用，然后再經(jīng)過一定的應(yīng)力應(yīng)變條件，結(jié)果完全不同。此外，鎂合金具有晶粒粗大的趨勢，并且一些例子證明GBS不能作為主要的變形機制[11]。同時，在超塑性條件下進行單軸拉伸試驗必須合理設(shè)計實驗裝置和試樣幾何形狀。一些標準的存在，如ISO20032和ASTME2448給試驗步驟和設(shè)備以很好的指示。在超塑性條件下，拉伸試驗的顯著優(yōu)勢是在試驗過程中，有可能可以是更加精確的控制應(yīng)變速率，但是另一方面，可以說：—試樣的切割精度必須非常高，因為切割技術(shù)也會影響試驗結(jié)果；機械切割流程必須優(yōu)先熱切割，因為后者會改變靠近切割邊緣材料的顯微結(jié)構(gòu)；—試樣尺寸和形狀（標準長度和寬度，平行和夾緊部分的圓角半徑）會影響實驗結(jié)果；—爐子必須足夠大來容納變形過程中的大應(yīng)變?yōu)榱丝朔@些困難和在應(yīng)力條件下更接近真實過程的測試板材，取代單軸拉伸的一些試驗已經(jīng)有了提議和報道；這些中有一個是基于BF技術(shù)來進行脹形試驗[12-14]。在這項工作中，材料通過吹塑成型試驗表征：使用上述實驗設(shè)備，在不同的溫度和壓力條件下進行恒壓脹形試驗。根據(jù)材料特性和設(shè)備能力，試驗中，壓力從0.2MPa到0.8MPa（分七步），溫度從360℃到520℃（分四步）。在整個過程中，壓力保持恒定直到破裂。試驗中，如果與預(yù)期時間有3000s的出入則被排除在計劃之外。整個試驗期間，每個階段的圓拱高度使用之前的位置傳感器來測定。試樣的最終高度也在試驗結(jié)束后進行了測量。圖2顯示了試驗試樣，破裂前的高度也繪制在內(nèi)。圖2四種溫度條件下破裂時圓拱高度和成形壓力的函數(shù)具有研究意義的最高溫度和壓力為520℃和0.2MPa。盡管使用了惰性氣體來成形，但成形試樣在經(jīng)過2825s后還是出現(xiàn)了明顯氧化。較好的實驗結(jié)果，就破裂圓拱高度而言，在460℃也有出現(xiàn)，尤其是在低壓條件下，相比之前的條件無明顯氧化。另一個試驗明顯說明：降低溫度，成形壓力對試樣破裂的圓拱高度影響很小。根據(jù)[15]，試驗中的等效應(yīng)變速率值可通過下面的公式進行計算：（1）其中，h為圓拱高度，為h相對時間的導(dǎo)數(shù)（潮高比），R是模腔的半徑。例如，在圖3中，顯示了460℃和0.3MPa下的H-T曲線和應(yīng)變速率的變化。圖30.3MPa的恒壓下，460℃脹形試驗中頂點處圓拱高度和應(yīng)變率與成形時間的關(guān)系圖該圖的初始部分的特征是圓拱高度快速增加相對于應(yīng)變速率的增加（高于3x10﹣3S﹣1）;該圖的第二部分顯示當(dāng)保持一個恒定的應(yīng)變速率（約2x10﹣4S﹣3）時，高度時間關(guān)系曲線斜率基本不變；結(jié)束部分，高度和應(yīng)變速率再次增長直到破裂。這個現(xiàn)象也存在與其他不同溫度，壓力，應(yīng)變速率的試驗中。在試驗的第二階段，從0.3MPa到0.8MPa改變壓力，保持恒定的溫度，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變速率保持在一個幾乎恒定的值上，從2x10﹣4S﹣3升到4x10﹣4S﹣3。圖4顯示了460℃，從0.3MPa到0.8MPa6個不同壓力水平下圓拱高度的變化情況?？梢钥闯?，當(dāng)需要相同的圓拱高度時，成形時間會隨壓力水平的提高呈線性減少。類似的現(xiàn)象在其他溫度也出現(xiàn)過?？紤]恒壓水平和分析溫度對成形行為的影響，應(yīng)考慮的因素是，在自由膨脹試驗中的高度速率相比溫度更加線性的增加，如圖4b。通過分析H-T曲線接近線性的那部分，可以根據(jù)斜率計算出圓拱高度速率。由圖4b可知，溫度由360℃升到410℃會使高度速率由0.006mm/s增加到0.03mm/s，當(dāng)溫度由460℃升到520℃時會使高度速率由0.11mm/s升到0.57mm/s。試驗中，每個計算出的高度速率被認為與應(yīng)變速率是成比例的，得出如下結(jié)論，應(yīng)變速率的增加隨溫度呈線性關(guān)系。圖4a圓拱高度在460℃和六個不同壓力下與成形時間的關(guān)系圖b圓拱高度在0.8MPa和四個不同溫度下與成形時間的關(guān)系圖在熱成形過程中一個最重要的參數(shù)就是應(yīng)變速率敏感性指數(shù)，m，它可以通過不同應(yīng)變速率下的拉伸試驗很容易計算出來。在氣脹成形領(lǐng)域，Jovane和其他學(xué)者如Enikeev和Kruglov[16,17]提出了評估脹形試驗本構(gòu)參數(shù)的分析方法。例如，測量兩個不同壓力條件下脹形試驗后的高度，應(yīng)變敏感性指數(shù)可通過如下公式得到：m=lnp其中，下標1、2分別表示第一組、第二組壓力水平，p為壓力值，t為需要得到與凹模圓角半徑相等的圓拱高度所需的成形時間。如之前提到的，鎂合金在高溫下的吹塑成型受到微觀結(jié)構(gòu)的變化也會影響m值。因此，通過（2）式計算出的m值是一個平均值，但它可以被認為是分析壓力如何影響成形性能的良好的開端參數(shù)。m的最高值出現(xiàn)在最高溫度（460℃和520℃），最低壓力（0.2MPa-0.3MPa），最高壓力（0.7MPa-0.8MPa）。確認指數(shù)的重要性，破裂的最高圓拱高度對應(yīng)最大的m值，通過計算不同試驗溫度和相同壓力條件下的m的平均值，可以看到在460℃，該合金表現(xiàn)出更大的m的平均值，如圖5所示。采用高的成形溫度會導(dǎo)致晶粒變粗變大；此外板材的氧化，成形過程中溫度的降低，會帶來更好的最終制件[18]。因此，根據(jù)試驗結(jié)果和這些因素，在那些被檢測的結(jié)果中，這種鎂合金的最佳成形溫度為460℃，在這個溫度可以實現(xiàn)等效斷裂伸長率和后成形材料的良好折中。圖5應(yīng)變速率敏感性指數(shù)與成形溫度的函數(shù)曲線6.封閉模具成形為了分析封閉模腔的填充，2k多因子實驗方案應(yīng)用而生。這兩個因素分兩個層面，壓力為0.4MPa和0.8MPa，成形時間為500S和1000S。另外，為了得出在模腔填充（正比于填充在封閉模腔中板材的體積）和檢測的因素中是否存在非線性，補充了一個中心點。實驗方案如圖6a，各自具有成形壓力和時間。增加了兩點是在單一的壓力條件下（0.8MPa），成形時間為50S和2000S的兩點也被加入。在吹塑成型之后，用數(shù)字圖像相關(guān)系統(tǒng)采集變形的輪廓來得到板材的形狀，并且很容易測量該組件的主要幾何參數(shù)，來量化填充模具的板材。圖6閉模成形試驗a有一個中心點，兩組成形壓力水平和兩組成形時間b在已檢驗的壓力水平下，成形后沿方形板材方向的圓角半徑和成形時間的函數(shù)曲線為了定量填充，進行了3個幾何參數(shù)的測量：（i）板材和閉模底部的接觸面積，（ii）沿著中間軸線所成形的的板材的圓角半徑，（iii）沿對角線的平方部分所成形的板材的圓角半徑。比較二者可以看出，后者的值要大于前者。這兩個參數(shù)之間的差異隨著成形時間的減少而減?。?.8MPa50S后差異為11%，2000S后掉到4%。盡管該材料達不到超塑性成形的目的，閉模試驗已經(jīng)證實了其在高溫條件下具有很高的延展性：在0.8MPa的恒壓條件下，經(jīng)過2000S，板材在不破裂的情況下達到了最小的圓角半徑約為1.2mm（沿中軸方向）。盡管成形時間對于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用來說并無太高成本效益，但對獲得形狀復(fù)雜的材料和成形過程來說是很有啟發(fā)的。所有已分析的幾何參數(shù)證明，充模和溫度、壓力這兩個因素之間為非線性關(guān)系：觀測試驗可以看出，0.8MPa條件下，50S到500S過程中形成的圓角半徑要比500S到2000S過程的大很多（如圖6b所示）。中心點的結(jié)果表示充模和成形壓力之間為非線性關(guān)系：相比0.6MPa條件下獲得的結(jié)果，比0.4MPa條件下的，它更接近于0.8MPa條件下所獲得的結(jié)果。類似的結(jié)果也在自由脹形試驗中獲得，證明板材的應(yīng)變速率比成形壓力會更加線性的增加。眾所周知，在恒壓條件下，當(dāng)板材接觸模腔底部時，坯料的平均應(yīng)變率會突然下降。常見的SPF應(yīng)用中，當(dāng)在最佳壓力周期時，板材模腔底部接觸后壓力會越來越大，來保持接近目標值的應(yīng)變率[19]。在恒壓測試中，板材迅速接觸模腔底部，而0.8MPa條件下經(jīng)過50S后，板材已經(jīng)接觸了模腔底部，但需要更多的時間來校準和接觸模壁（如圖6b）。在這些情況下，使用高壓條件，板材的應(yīng)變率在接觸后還是會變得很低。7.結(jié)論高溫條件下商用AZ31鎂合金的成形行為在脹形和閉模試驗中得到了分析。這些試驗的結(jié)果得出：為了具有超塑性行為，即使對材料不進行前處理，它也會和原來一樣在斷裂錢表現(xiàn)出大的等效伸長率；最大伸長率出現(xiàn)在最高的溫度和最低的壓力下：在已進行試驗的眾多溫度水平下，460℃可以實現(xiàn)斷裂伸長率、應(yīng)變速率敏感性指數(shù)和材料后成形條件的良好折衷；降低成形溫度，壓力對斷裂圓拱高度的影響也會減??；在恒溫條件下，把應(yīng)變率作為壓力的函數(shù)或者在恒壓條件下，把應(yīng)變率作為溫度的函數(shù)都可以得出很明顯的線性關(guān)系；在閉模成形中，材料在高溫下可以達到非常小的圓角半徑，表現(xiàn)出很高的延展性；在檢驗溫度和壓力時，充模和成形壓力有很好的線性關(guān)系，與成形時間幾乎不存在線性關(guān)系。為了更好的了解鎂合金在高溫下吹塑成型的影響因素，還需進一步的試驗研究。由于微觀結(jié)構(gòu)的變化和氣蝕現(xiàn)象，后成形的特點也許更深入的分析。在加快成形周期和優(yōu)化板材厚度分布的過程中，壓力是可以調(diào)節(jié)的，吹塑成形被認為在生產(chǎn)形狀復(fù)雜的薄壁鎂合金組件中有很高的競爭力。8.鳴謝作者感謝意大利機構(gòu)”Ministerodell’Istruzione,dell’UniversitàedellaRicerca”和“FondazioneCassadiRisparmiodiPuglia”對該研究活動的投資和支持。外文文獻的原稿BlowformingofAZ31magnesiumalloysatelevatedtemperaturesDonatoSorgente&LeonardoDanieleScintilla&GianfrancoPalumbo&LuigiTricaricoReceived:29April2009/Accepted:15June2009/Publishedonline:25June2009#Springer/ESAFORM2009AbstractInthiswork,theformingbehaviourofacommercialsheetofAZ31Bmagnesiumalloyatelevatedtemperaturesisinvestigatedandreported.Theexperimentalactivityisperformedintwophases.Thefirstphaseconsistsinfreebulgingtestandthesecondoneinanalysingtheabilityofthesheetinfillingacloseddie.Differentpressureandtemperaturelevelsareapplied.Infreebulgingtests,thespecimendomeheightisusedascharacterizingparameter;inthesametest,thestrainratesensitivityindexiscalculatedusingananalyticalapproach.Thus,appropriateformingparameters,suchastemperatureandpressure,areindividuatedandusedforsubsequentformingtests.Inthesecondphase,formingtestsincloseddiewithaprismaticshapecavityareperformed.Theinfluenceofrelevantprocessparametersconcerningformingresultsintermsofcavityfilling,filletradiionthefinalspecimenprofileareanalysed.Closeddieformingtestsputinevidencehowtheexaminedcommercialmagnesiumsheetcansuccessfullybeformedincomplicatedgeometriesifprocessparametersareadequatelychosen.KeywordsBlowforming.Materialcharacterization.Magnesiumalloys.AZ31IntroductionMagnesium(Mg)alloysarereceivingincreasinginterestfromindustrymanufacturersprincipallybecauseoftheirlowspecificweight:amongstructuralmaterials,Mgalloyshavethelowestdensityandofferthehighestpotentialforsavingweight,especiallyinareaswheremovingcomponentsareinuse.Intheseapplications,theincreasingdemandforlightweightalloys,inparticularforMgalloysandtheinabilityofconventionalformingtechniquestoeffectivelyformthesealloysmakeSuperplasticForming(SPF)anattractiveformingtechnique.Infact,lightweightcomponentswithextremelycomplexshapescanbemanufacturedbySPFfromasinglesheetofsuperplasticmaterial.TheapplicationoftheBlowForming(BF)processisparticularlyinterestingandinnovativeconsideringlightmetallicalloyssuchasaluminium,titaniumandmagnesiumones,someofwhicharehardtoformusingconventionalconditions.TheBFprocessconsistsintheapplicationofaforminggas(e.g.air,argon)pressureontheblankthatisforcedinadiecavity.Incomparisonwithfluidbasedformingoperations,intheareaofformingatelevatedtemperatures,gasoffersthechancetoprovidehighertemperaturesduetoitshightemperatureresistanceincontrasttomostfluids[1].Thegasreplacescompletelythedrivenpunchofconventionalstampingprocesses,andallowsdeformingdifferentkindsofmaterialswiththehighestlevelofdetail.Inthepast,theconceptofformingbyblowingwasappliedinthetraditionalglassblowing,whosefundamentalprincipleisbasedonformingthematerialatatemperaturegreaterthanthesofteningpoint.Currently,thebasicprincipleofBFiswidelyusedinthemanufactureofplastics,forexampleinBlowMouldingprocesses.Insheetmetalforming,potentialitiesofthisprocesscomparedwithconventionalformingtechniquesaresignificant.Itgivesseveraladvantages:(i)formingcomponentswithlargeandcomplexshapes,inasingleoperationwithahighlevelofdetails;(ii)theirmanufacturinginnearlynetshape,drasticallyreducingsubsequentcostlyandtimeconsumingassemblyoperations;(iii)theabsenceofmaletoolscosts;(iv)betterdimensionalaccuracyoffinishedproducts;(v)lowspringbackeffectsontheformedpart.However,SPFwithBFformetalshasnotalargescaleapplicationintheindustry,owingtothehighcostoftheprocessandrawmaterials,whichmadethistypeofprocessgloballylesscompetitivecomparedwithotherconventionaltechnologies.Inordertoovercometheselimits,highstrainratesuperplasticity(HSRSP)andsometechniquesasQuickPlasticFormin