基于類等勢場法的鍛造預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、鍛造是一種主要的材料成形加工方法。鍛件最終成形前，往往需要進(jìn)行一次或多次預(yù)成形，預(yù)成形工序數(shù)目和預(yù)成形形狀設(shè)計是塑性成形工藝和模具設(shè)計的根本和難點，一直未能很好地解決?；诮?jīng)驗、物理模擬或數(shù)值模擬的預(yù)成形設(shè)計方法難以得到合理的預(yù)成形設(shè)計結(jié)果，從理論上研究預(yù)成形設(shè)計方法具有重要的理論和工程意義。
　　 類等勢場法作為一種新興的非優(yōu)化算法，可以用靜電場中不同電壓的兩個導(dǎo)體間等勢場分布模擬塑性變形過程中坯料與鍛件之間最小變形路徑，在三

2、維復(fù)雜鍛件的預(yù)成形設(shè)計中有廣闊的應(yīng)用前景。本文首次將類等勢場法、工程優(yōu)化算法和有限元分析方法相結(jié)合，以預(yù)鍛件形狀為優(yōu)化對象，對三維軸對稱鍛件和三維復(fù)雜鍛件（預(yù)成形件為三維形狀）的預(yù)成形設(shè)計方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究:
　　 (1)結(jié)合類等勢場法和預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計的原理，針對需要兩工步模鍛成形的鍛件，提出了基于類等勢場法進(jìn)行鍛造預(yù)成形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的方法。該方法對只需一步預(yù)成形的三維軸對稱鍛件或形狀復(fù)雜的非軸對稱鍛件均適用。
　　

3、 (2)以典型的H型截面軸對稱鍛件為例，對需要兩工步模鍛成形的鍛件進(jìn)行了基于類等勢場法的預(yù)成形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計研究。首先運用靜電場模擬方法獲得了坯料與鍛件之間的等勢場分布;然后以等勢線電勢值和預(yù)成形件與終鍛件體積比為設(shè)計變量，以鍛造充填率為優(yōu)化目標(biāo)，對H型軸對稱鍛件的終鍛成形過程進(jìn)行了響應(yīng)面分析，確定了最佳預(yù)鍛件體積和合理的等勢線取值范圍;最后以等勢線電勢值為單因素設(shè)計變量，運用共軛梯度優(yōu)化算法，對H型軸對稱鍛件進(jìn)行了基于鍛件變形均勻性和

4、終鍛力的多目標(biāo)預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計，確定了最優(yōu)預(yù)鍛件形狀，得到了飛邊較小、變形均勻而且終鍛力較小的終鍛件。
　　 (3)針對需要多工步模鍛成形的三維復(fù)雜鍛件，提出了基于類等勢場法進(jìn)行兩步預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計的方法。采用反向設(shè)計法，首先結(jié)合類等勢場法、響應(yīng)面優(yōu)化方法和有限元數(shù)值分析，確定最優(yōu)預(yù)鍛件形狀;然后基于優(yōu)化后的預(yù)鍛件形狀，采用縱橫截面曲線方法設(shè)計合理的預(yù)制坯形狀。經(jīng)過兩步預(yù)成形設(shè)計，可以解決三維復(fù)雜鍛件終鍛時容易產(chǎn)生折迭和不易充滿的問

5、題。
　　 (4)以形狀復(fù)雜的擺體鍛件為例，對需要多工步模鍛成形的三維復(fù)雜鍛件進(jìn)行了基于類等勢場法的兩步預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計研究。運用靜電場模擬方法獲得了坯料與擺體鍛件之間的三維等勢場分布，通過等勢面的分布規(guī)律分析了坯料成形過程中的流動特征，判斷擺體鍛件可能出現(xiàn)的鍛造缺陷;采用截面曲線放樣法提取了三維靜電場中等勢面作為預(yù)鍛件形狀;基于靜電場模擬結(jié)果，以等勢面電勢值和預(yù)鍛件與終鍛件體積比為設(shè)計變量，以鍛造充填率為優(yōu)化目標(biāo)對三維復(fù)雜擺體鍛