鍛造成形過程微觀組織優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、金屬塑性加工是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)制造產(chǎn)業(yè)，被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)生產(chǎn)部門，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的地位。隨著全球經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，低成本、高質(zhì)量和高效率成為制造業(yè)企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中取勝的關(guān)鍵因素，也成為制造業(yè)企業(yè)追求的目標(biāo)。這種市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，對(duì)產(chǎn)品開發(fā)周期與成本及產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，對(duì)精密成形工藝和模具設(shè)計(jì)水平的要求越來越高。計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代制造業(yè)正經(jīng)歷著一場(chǎng)深刻的變革-仿真制造/虛擬制造-制造業(yè)信息化。這些新

2、特點(diǎn)、新要求都要有相應(yīng)的數(shù)字化和科學(xué)化的塑性成形工藝和模具設(shè)計(jì)方法及其軟件的支撐?，F(xiàn)有的常規(guī)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)無法適應(yīng)這種狀況，需要研究和開發(fā)基于數(shù)值模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的模擬優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以不斷滿足制造工藝和工裝設(shè)計(jì)數(shù)字化的要求。 隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展及金屬塑性流動(dòng)理論的成熟，使得塑性成形過程的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得以實(shí)現(xiàn)。利用數(shù)值模擬方法，可以實(shí)時(shí)跟蹤描述金屬的流動(dòng)行為，模擬成形過程，揭示金屬的流動(dòng)規(guī)律，研究各種因素對(duì)金屬變形

3、行為的作用與影響，方便地確定成形過程各個(gè)階段所需的變形功和載荷，獲得工件及模具的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布和金屬流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)工件的成形狀況、殘余應(yīng)力、缺陷、晶粒度和晶粒取向分布等，為金屬塑性成形工藝和模具設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的工具。 材料在鍛造過程中的微觀組織演變及最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)分布直接決定著產(chǎn)品機(jī)械性能，因此，鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化的研究是鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)中必須且非常關(guān)鍵的內(nèi)容，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。預(yù)成形模具的形狀與終成形

4、件形狀直接對(duì)應(yīng)，它直接限制金屬的流動(dòng)情況，從而直接影響成形件的最終形狀和微觀組織性能。在工藝設(shè)計(jì)中，預(yù)成形設(shè)計(jì)對(duì)產(chǎn)品的制造成本、質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響最為直接，也最為顯著。因此，預(yù)成形設(shè)計(jì)便成為控制產(chǎn)品質(zhì)量與性能、實(shí)現(xiàn)塑性加工生產(chǎn)要求的必需且非常重要的方面，而預(yù)成形的優(yōu)化設(shè)計(jì)也就成為鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵也最有成效的一個(gè)方面。 近年來，形狀優(yōu)化和各種優(yōu)化理論從結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域被引入到鍛造過程的工藝和模具設(shè)計(jì)中?；陟`敏度分析的工藝

5、和模具設(shè)計(jì)方法，是將工藝和模具設(shè)計(jì)問題處理為優(yōu)化問題，在有限元正向模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝和模具形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)。它充分利用了有限元模擬過程中提供的信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)鍛造過程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，是一種較新穎的設(shè)計(jì)方法。 本文針對(duì)鍛造過程數(shù)值模擬與優(yōu)化技術(shù)及其系統(tǒng)開發(fā)開展研究，研究和建立基于靈敏度分析以及遺傳算法的鍛造過程多目標(biāo)模具優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本文以剛/粘塑性有限元為理論分析根據(jù)，采用基于靈敏度分析和遺傳算法的正向模擬法，以預(yù)成

6、形模具型腔形狀為優(yōu)化對(duì)象，用B樣條曲線表示預(yù)成形模具的形狀，B樣條曲線控制點(diǎn)的坐標(biāo)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量，以獲得包括鍛件形狀和鍛件微觀組織分布在內(nèi)的綜合質(zhì)量較好的終鍛件為目標(biāo)，建立了同時(shí)以鍛件微觀組織和鍛件形狀為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化方法，對(duì)鍛造成形過程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。 本文對(duì)金屬體積成形中的鍛造過程優(yōu)化設(shè)計(jì)建模問題進(jìn)行了研究。鍛造過程中的優(yōu)化設(shè)計(jì)建模包括選取合適的設(shè)計(jì)變量，建立目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，選擇合適的優(yōu)化方法求解數(shù)學(xué)

7、模型。本文詳細(xì)地給出了鍛造過程中各種優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。闡述了鍛造過程中優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選取原則，比較了預(yù)成形件形狀和預(yù)成形模具形狀作為設(shè)計(jì)變量的區(qū)別，給出用三次B樣條函數(shù)表示預(yù)成形模具形狀的方法。比較了用于鍛造過程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本文確立的鍛造過程優(yōu)化設(shè)計(jì)建模方法也同樣適用于其它體積成形過程。 單目標(biāo)優(yōu)化是多目標(biāo)優(yōu)化的基礎(chǔ)。在進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化之前首先進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。鍛件精確的形狀是鍛件質(zhì)量的首要指標(biāo)。本文研究了基于

8、有限元的靈敏度分析法，以獲得少無飛邊的鍛件為優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)，以鍛造過程預(yù)成形模具型腔形狀為優(yōu)化對(duì)象，對(duì)非等溫成形過程進(jìn)行了靈敏度分析。以實(shí)際鍛件與理想鍛件之間不重合部分的面積(體積)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，建立了目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)形式。用三次B樣條函數(shù)表示模具形狀，B樣條函數(shù)的控制點(diǎn)坐標(biāo)作為設(shè)計(jì)變量。推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)相對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的靈敏度。詳細(xì)推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)速度靈敏度方程，給出速度靈敏度邊界條件；給出流動(dòng)應(yīng)力靈敏度計(jì)算公式，詳細(xì)推導(dǎo)了節(jié)點(diǎn)溫度靈

9、敏度方程。 鍛件內(nèi)部微觀組織的分布直接影響著鍛件的機(jī)械性能，因此，對(duì)鍛件內(nèi)部微觀組織的控制和優(yōu)化是鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑。本文應(yīng)用現(xiàn)有的組織分布模型，采用有限元靈敏度分析的方法，對(duì)鍛造過程中的微觀組織進(jìn)行了模擬和優(yōu)化設(shè)計(jì)。以變形結(jié)束時(shí)的晶粒尺寸分布均勻性為目標(biāo)，采用每個(gè)單元的平均晶粒尺寸與整個(gè)鍛件的平均晶粒尺寸之差的平方和作為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)鍛造過程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度

10、及晶粒尺寸對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度公式。建立了鍛造成形過程微觀組織分布變化的模擬系統(tǒng)，給出了微觀組織的優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟。 為獲得形狀和微觀組織分布均勻綜合性能較好的終鍛件，對(duì)鍛造成形過程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。建立了適合于組成總目標(biāo)函數(shù)的新的形狀子目標(biāo)函數(shù)和微觀組織分布均勻性子目標(biāo)函數(shù)，給出了其詳細(xì)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式。采用線性加權(quán)的方式將兩個(gè)子目標(biāo)函數(shù)組合成總目標(biāo)函數(shù)，對(duì)總目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。推導(dǎo)了總目標(biāo)函數(shù)相對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的靈敏度。給出

11、了不同情況下加權(quán)因子的選擇方法。開發(fā)了鍛造預(yù)成形模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的程序，并對(duì)截面為H型的軸對(duì)稱鍛件的預(yù)成形模具形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。給出了優(yōu)化迭代中各目標(biāo)函數(shù)的變化曲線。由預(yù)成形件形狀和終鍛件形狀及其微觀組織分布的比較，可以看出優(yōu)化達(dá)到了同時(shí)對(duì)鍛件形狀和微觀組織分布均勻性進(jìn)行優(yōu)化的目的。說明本文提出的基于有限元靈敏度分析的鍛造過程微觀組織優(yōu)化理論的可行性。 遺傳算法由于思想簡單易于實(shí)現(xiàn)，贏得了許多應(yīng)用領(lǐng)域。本文綜合微觀組織與形狀對(duì)鍛件

12、質(zhì)量的影響，建立了同時(shí)以鍛件微觀組織和鍛件形狀為優(yōu)化目標(biāo)的基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。重構(gòu)了形狀子目標(biāo)函數(shù)和晶粒尺寸子目標(biāo)函數(shù)，并采用加權(quán)和的方式組成總目標(biāo)函數(shù)，對(duì)總目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。用B樣條曲線表示預(yù)成形模具形狀，應(yīng)用所開發(fā)的基于預(yù)成形的鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化軟件，對(duì)截面為H型軸對(duì)稱鍛件進(jìn)行了面向微觀組織優(yōu)化的預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)。并對(duì)圓柱體鐓粗進(jìn)行了基于宏觀工藝參數(shù)的優(yōu)化。同時(shí)，對(duì)毛坯尺寸和預(yù)成形壓下量對(duì)成形后微觀組織的影響進(jìn)行

13、了研究，給出了優(yōu)化結(jié)果。實(shí)現(xiàn)了提高鍛件晶粒尺寸均勻細(xì)小性的目的，取得了較好的優(yōu)化效果。 以截面H型軸對(duì)稱鍛件為例，確定了鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化程序的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案，進(jìn)行了相應(yīng)的模具設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)研究，為計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化結(jié)果的可靠性分析提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算機(jī)模擬優(yōu)化結(jié)果的比較分析表明，計(jì)算機(jī)模擬與優(yōu)化結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。證實(shí)了本文的基于微觀組織優(yōu)化和預(yù)成形形狀優(yōu)化的多目標(biāo)優(yōu)化理論與系統(tǒng)在鍛造成形優(yōu)化過程中的應(yīng)