在期刊*Journal of Manufacturing Processes*的第110卷（2024年）第318-330页上，于2024年1月10日在线发表了一篇题为“研究管电极脉冲电化学加工中多时间尺度溶解过程的模拟方法”的研究论文。该研究由安徽工程大学人工智能学院的方明作为通讯作者，与安徽工程大学机械工程学院的喻亮、褚旭锋、侯亮亮、程旭、王俊龙共同完成。
研究学术背景 本研究属于先进制造技术领域，具体聚焦于电化学加工中的特种工艺——管电极脉冲电化学加工技术。在航空航天等领域，发动机叶片上的气膜孔等深小孔、斜小孔结构对于保障部件在超高温环境下可靠运行至关重要。然而，传统的放电加工、激光加工等方法易产生微裂纹、重铸层等缺陷。相比之下，电化学加工具有无工具损耗、无热影响区、不受材料机械性能限制等优势，成为此类结构加工的优选方案。其中，管电极脉冲电化学加工（TE-PECM）作为一种非接触式的先进穿孔技术，受到了广泛关注。 然而，TE-PECM过程本质上是电、流、热、力等多物理场耦合的复杂过程，并且这些物理场之间的相互作用跨越了从微秒级（脉冲电流）到分钟甚至小时级（材料宏观去除）的巨大时间尺度。这种“多时间尺度”特性使得对加工过程进行全耦合数值模拟面临计算量极其庞大、难以实现的难题。为解决这一问题，精确描述脉冲电流下的多物理场耦合关系并发展高效的仿真方法，对于深入理解TE-PECM机理、优化工艺参数、预测加工形貌具有重要的理论和工程意义。本研究的目标正是建立一种能够精确描述TE-PECM多物理场耦合机制、同时又能高效处理多时间尺度问题的仿真方法，并通过实验验证其准确性。
详细研究流程 本研究的工作流程包含理论模型构建、仿真策略开发、模拟结果分析以及实验验证四个主要环节，环环相扣，逻辑严密。
第一环节：建立多物理场耦合理论模型。 研究者首先构建了TE-PECM的三维几何模型，并基于旋转中心对称性将其简化为二维轴对称模型以降低计算成本。模型明确了电解质流入、电极反应、产物排出的边界条件。在此基础上，建立了耦合四个关键物理场的控制方程： 1. 电场模型： 基于电荷守恒和欧姆定律，描述了加工间隙内的电势和电流密度分布。考虑了电极极化效应、阳极溶解导致的几何边界动态移动（使用变形几何法处理），以及电解质电导率受温度、气泡率影响的动态变化。 2. 流场模型： 鉴于加工间隙内流体雷诺数高，属于湍流状态，并存在阴极产生的大量氢气，研究引入了k-ε气泡流模型来描述气-液两相湍流场。该模型包含了混合相的连续性方程、动量方程以及气相输运方程，能够较为准确地模拟气泡的输运行为及其对流场的影响。 3. 温度场模型： 考虑了加工过程中的两大热源：电解质中的焦耳热以及电极/电解质界面电化学反应产生的反应热。通过热传导方程描述了系统的温度分布。 这三个物理场通过物性参数（如电导率受温度和气泡率影响）和源项（如电流密度决定反应热和产气速率）紧密耦合在一起，构成了一个复杂的多物理场系统。
第二环节：提出并实施多时间尺度仿真策略——基于热源平均的准稳态迭代简化算法。 这是本研究的核心创新方法。面对脉冲微秒尺度与材料去除宏观尺度之间的巨大跨度，若采用全时间耦合的精确方法，计算步长必须小于脉冲周期，导致长期模拟的计算量无法承受。为解决此问题，研究者提出了一个巧妙的解耦迭代策略： 1. 热源平均： 首先，对脉冲周期内快速变化的焦耳热和反应热源进行时间平均，得到一个不随时间快速波动的平均热源。以此平均热源作为初始条件，计算系统达到的一个“平均稳态”，该稳态提供了各物理场（温度、气泡率、电导率等）的初始空间分布。 2. 准稳态迭代： 以上述平均稳态结果为初始值，施加真实的脉冲电流。系统参数（如电导率）会随脉冲快速波动，并逐渐趋于一个“准稳态”——即参数围绕一个均值周期性波动。研究者定义了一个基于电导率波动幅度的收敛判据，自动确定系统达到准稳态所需的时间，并将此时间定义为一个“宏观迭代步长”。 3. 几何更新与循环： 在每个宏观迭代步长结束时，根据该步长内的平均阳极溶解速率，更新阳极工作形状（几何结构）。然后，以更新后的几何和新计算出的平均物理场状态作为新的初始条件，重复上述“施加脉冲→达到准稳态→更新几何”的过程。如此迭代循环，直至模拟结束。 该策略的关键在于，将耗时的、与脉冲周期同步的瞬态热计算，转化为基于平均热源的稳态计算和快速趋于准稳态的脉冲响应计算，从而将计算时间从受限于脉冲周期中解放出来，聚焦于宏观的材料去除过程。
第三环节：仿真结果分析与多时间尺度特性研究。 研究者利用所建立的模型和算法，系统地分析了TE-PECM的加工特性。 1. 算法验证： 将提出的准稳态迭代简化算法与全时间耦合精确方法进行了对比。在5秒加工时间的模拟中，两种方法得到的阳极去除量和最终工件轮廓高度吻合，最大加工偏差仅0.001 mm。然而，简化算法的计算时间仅为全精度方法的三分之一，显著提高了计算效率。 2. 微时间尺度（脉冲周期内）过程分析： 研究了单个脉冲周期内物理场的变化。发现温度和气泡率紧随脉冲电流同步涨落：脉冲开启时，反应热和氢气迅速生成，导致局部温度和气泡率上升；脉冲关闭时，高速流动的电解质迅速将热量和气泡带走。电导率也随温度和气泡率的波动而周期性变化。此外，分析了工艺参数（电压、频率、占空比、流速）对微时间尺度下阳极电流密度和去除率分布均匀性的影响，发现加工电压的影响最为显著，其次是占空比和流速，脉冲频率的影响相对较小。 3. 宏时间尺度（整个加工过程）过程分析： 模拟了长达600秒的加工过程，揭示了加工间隙内流速、气泡率、电流密度和温度随加工时间（即孔深增加）的动态演变规律。例如，气泡率在加工初期增加，约400秒后达到动态平衡；加工间隙电流密度先因间隙减小而增大，后因加工面积增大而减小；电解液温度则因焦耳热积累和流场变化而呈现先升后降的趋势。模拟还预测了工件轮廓的演化过程，发现在孔底会逐渐形成一个凸起，这是由于管电极环状端部电流密度集中所致。
第四环节：实验验证。 为了验证仿真模型的准确性，研究者自主设计并搭建了TE-PECM实验平台，包括运动系统、脉冲电源系统、电解液循环系统等。选用SS304不锈钢作为工件，采用与仿真完全一致的工艺参数（初始间隙0.5 mm，电压26 V，占空比50%，频率1 kHz，流速5 m/s等）进行了一系列不同加工时间（300s, 400s, 500s, 600s）的实验。 实验后，使用工业相机和全自动影像测量仪对加工出的孔入口和截面形貌进行观测和测量，获取孔宽和孔深数据，并与相同时间点的仿真预测轮廓进行对比。同时，采集了加工过程中的电流信号，与仿真电流进行了微观（脉冲周期）和宏观（整个加工过程）的对比。
主要研究结果 1. 算法效能得到证实： 准稳态迭代简化算法在保证与全精度方法几乎相同模拟精度（轮廓最大相对误差仅1.05%）的前提下，将计算时间减少了约三分之二，成功解决了脉冲存在下仿真计算量巨大的难题。 2. 多物理场耦合模型成功建立并迭代求解： 集成了气-液两相流场、温度场、电场和结构场的迭代耦合模型能够稳定运行，并成功获取了加工区域在微时间和宏时间尺度上温度、气泡体积分数、电解质电导率、电流密度等关键参数的空间分布和时序演变。 3. 工艺参数影响规律得以量化： 仿真分析明确了各工艺参数对阳极工件表面电流密度和去除率一致性影响的显著性排序为：加工电压 > 占空比 > 流速 > 加工频率。研究指出，适当提高电压、占空比和频率可提高去除率，但可能降低表面一致性；存在一个最佳流速（本研究中为5 m/s）能使电流密度较高且加工一致性较好。 4. 仿真与实验高度吻合： 实验结果有力地验证了仿真模型的准确性。加工600秒后，实验测得的孔壁宽度与仿真预测值的最大相对误差仅为1.05%，且实验与仿真的工件截面轮廓曲线基本重叠。宏观电流随时间变化的趋势在实验和仿真中也保持一致。微小的误差主要归因于实验中使用管电极表面的绝缘层在加工中可能发生破损，导致二次腐蚀，使得实验加工的孔宽和孔深略大于仿真值。
研究结论与价值 本研究得出结论：所建立的TE-PECM多物理场耦合模型及其基于热源平均的准稳态迭代简化算法是高效且准确的。该模型能够精确预测工件轮廓的动态变化，深刻揭示加工过程中多物理场的耦合作用机制和多时间尺度溶解特性。 其科学价值在于，为处理具有巨大时间尺度跨度的复杂多物理场耦合过程仿真提供了一种有效的方法论（准稳态迭代策略），丰富了电化学加工过程模拟的理论和工具。其应用价值则非常直接和显著：该仿真方法可以为实际TE-PECM加工气膜孔等深小孔结构提供高效的“数字孪生”工具。工程师可以在虚拟空间中快速评估不同工艺参数对加工质量（如孔形、精度）的影响，从而优化工艺方案，减少试错成本，提高加工效率和成功率，为高质量气膜孔加工提供了一条高效可行的技术途径。
研究亮点 1. 方法创新性突出： 提出的“基于热源平均的准稳态迭代简化算法”是解决PECM多时间尺度仿真难题的核心创新。它巧妙地将瞬态脉冲效应与宏观材料去除过程解耦，在保证精度的前提下大幅提升计算效率。 2. 模型耦合程度高且贴近实际： 所建立的多物理场模型不仅耦合了常见的电场、流场、温度场，还特别引入了能描述气泡输运的k-ε气-液两相湍流模型，更真实地反映了加工间隙内的复杂物理状况。 3. 研究系统性强，验证充分： 工作流程完整，从理论建模、算法开发、数值模拟到实验验证，形成了一个闭环。实验与仿真在微观电流信号和宏观工件形貌两个层面进行了细致对比，验证充分，结论可信。 4. 对工程实践有明确指导意义： 研究不仅停留在仿真层面，还深入分析了关键工艺参数的影响规律，给出了具有指导意义的结论（如参数影响排序、最佳流速范围等），对实际生产中的参数优化具有参考价值。
其他有价值内容 研究者还对仿真中观察到的特殊现象进行了解释，例如孔底凸起的形成机制，这有助于理解TE-PECM加工中可能出现的缺陷成因。此外，文中对实验误差来源（绝缘层破损）进行了客观分析，体现了研究的严谨性。本研究得到了安徽省重点研发计划项目和安徽省自然科学基金项目的资助。