鍛造成形過程微觀組織優(yōu)化設計方法研究.pdf

1、金屬塑性加工是國民經(jīng)濟的基礎制造產(chǎn)業(yè)，被廣泛應用于許多工業(yè)生產(chǎn)部門，在國民經(jīng)濟中占有極為重要的地位。隨著全球經(jīng)濟競爭的日趨激烈，低成本、高質(zhì)量和高效率成為制造業(yè)企業(yè)在競爭中取勝的關鍵因素，也成為制造業(yè)企業(yè)追求的目標。這種市場競爭和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，對產(chǎn)品開發(fā)周期與成本及產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，對精密成形工藝和模具設計水平的要求越來越高。計算機與信息技術的發(fā)展，使現(xiàn)代制造業(yè)正經(jīng)歷著一場深刻的變革-仿真制造/虛擬制造-制造業(yè)信息化。這些新

2、特點、新要求都要有相應的數(shù)字化和科學化的塑性成形工藝和模具設計方法及其軟件的支撐?，F(xiàn)有的常規(guī)經(jīng)驗設計方法已經(jīng)無法適應這種狀況，需要研究和開發(fā)基于數(shù)值模擬技術和計算機技術的模擬優(yōu)化設計系統(tǒng)，以不斷滿足制造工藝和工裝設計數(shù)字化的要求。 隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展及金屬塑性流動理論的成熟，使得塑性成形過程的計算機數(shù)值模擬得以實現(xiàn)。利用數(shù)值模擬方法，可以實時跟蹤描述金屬的流動行為，模擬成形過程，揭示金屬的流動規(guī)律，研究各種因素對金屬變形

3、行為的作用與影響，方便地確定成形過程各個階段所需的變形功和載荷，獲得工件及模具的內(nèi)部應力、應變、溫度分布和金屬流動規(guī)律，預測工件的成形狀況、殘余應力、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計提供了強有力的工具。 材料在鍛造過程中的微觀組織演變及最終產(chǎn)品的組織結構分布直接決定著產(chǎn)品機械性能，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)化設計中必須且非常關鍵的內(nèi)容，具有重要的應用價值。預成形模具的形狀與終成形

4、件形狀直接對應，它直接限制金屬的流動情況，從而直接影響成形件的最終形狀和微觀組織性能。在工藝設計中，預成形設計對產(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，預成形設計便成為控制產(chǎn)品質(zhì)量與性能、實現(xiàn)塑性加工生產(chǎn)要求的必需且非常重要的方面，而預成形的優(yōu)化設計也就成為鍛造工藝優(yōu)化設計中最為關鍵也最有成效的一個方面。 近年來，形狀優(yōu)化和各種優(yōu)化理論從結構優(yōu)化領域被引入到鍛造過程的工藝和模具設計中。基于靈敏度分析的工藝

5、和模具設計方法，是將工藝和模具設計問題處理為優(yōu)化問題，在有限元正向模擬的基礎上，結合優(yōu)化算法來實現(xiàn)對工藝和模具形狀的優(yōu)化設計。它充分利用了有限元模擬過程中提供的信息來實現(xiàn)對鍛造過程設計的自動化，是一種較新穎的設計方法。 本文針對鍛造過程數(shù)值模擬與優(yōu)化技術及其系統(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模具優(yōu)化設計方法。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，以預成

6、形模具型腔形狀為優(yōu)化對象，用B樣條曲線表示預成形模具的形狀，B樣條曲線控制點的坐標作為優(yōu)化設計變量，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，建立了同時以鍛件微觀組織和鍛件形狀為優(yōu)化目標的多目標優(yōu)化方法，對鍛造成形過程進行了多目標優(yōu)化設計的研究。 本文對金屬體積成形中的鍛造過程優(yōu)化設計建模問題進行了研究。鍛造過程中的優(yōu)化設計建模包括選取合適的設計變量，建立目標函數(shù)的數(shù)學模型，選擇合適的優(yōu)化方法求解數(shù)學

7、模型。本文詳細地給出了鍛造過程中各種優(yōu)化目標的數(shù)學模型。闡述了鍛造過程中優(yōu)化設計變量的選取原則，比較了預成形件形狀和預成形模具形狀作為設計變量的區(qū)別，給出用三次B樣條函數(shù)表示預成形模具形狀的方法。比較了用于鍛造過程優(yōu)化設計方法的優(yōu)缺點。本文確立的鍛造過程優(yōu)化設計建模方法也同樣適用于其它體積成形過程。 單目標優(yōu)化是多目標優(yōu)化的基礎。在進行多目標優(yōu)化之前首先進行單目標優(yōu)化設計的研究。鍛件精確的形狀是鍛件質(zhì)量的首要指標。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)化設計目標，以鍛造過程預成形模具型腔形狀為優(yōu)化對象，對非等溫成形過程進行了靈敏度分析。以實際鍛件與理想鍛件之間不重合部分的面積(體積)作為優(yōu)化設計的目標函數(shù)，建立了目標函數(shù)的表達形式。用三次B樣條函數(shù)表示模具形狀，B樣條函數(shù)的控制點坐標作為設計變量。推導了目標函數(shù)相對于優(yōu)化設計變量的靈敏度。詳細推導了節(jié)點速度靈敏度方程，給出速度靈敏度邊界條件；給出流動應力靈敏度計算公式，詳細推導了節(jié)點溫度靈

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械性能，因此，對鍛件內(nèi)部微觀組織的控制和優(yōu)化是鍛造工藝優(yōu)化設計的重要內(nèi)容，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑。本文應用現(xiàn)有的組織分布模型，采用有限元靈敏度分析的方法，對鍛造過程中的微觀組織進行了模擬和優(yōu)化設計。以變形結束時的晶粒尺寸分布均勻性為目標，采用每個單元的平均晶粒尺寸與整個鍛件的平均晶粒尺寸之差的平方和作為目標函數(shù)，對鍛造過程進行了優(yōu)化設計。詳細推導了目標函數(shù)對設計變量的靈敏度

10、及晶粒尺寸對設計變量的靈敏度公式。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)化設計步驟。 為獲得形狀和微觀組織分布均勻綜合性能較好的終鍛件，對鍛造成形過程進行了多目標優(yōu)化設計的研究。建立了適合于組成總目標函數(shù)的新的形狀子目標函數(shù)和微觀組織分布均勻性子目標函數(shù)，給出了其詳細的數(shù)學表達形式。采用線性加權的方式將兩個子目標函數(shù)組合成總目標函數(shù)，對總目標函數(shù)進行優(yōu)化。推導了總目標函數(shù)相對于優(yōu)化設計變量的靈敏度。給出

11、了不同情況下加權因子的選擇方法。開發(fā)了鍛造預成形模具優(yōu)化設計的程序，并對截面為H型的軸對稱鍛件的預成形模具形狀進行了優(yōu)化設計。給出了優(yōu)化迭代中各目標函數(shù)的變化曲線。由預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)化達到了同時對鍛件形狀和微觀組織分布均勻性進行優(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現(xiàn)，贏得了許多應用領域。本文綜合微觀組織與形狀對鍛件

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

13、了研究，給出了優(yōu)化結果。實現(xiàn)了提高鍛件晶粒尺寸均勻細小性的目的，取得了較好的優(yōu)化效果。 以截面H型軸對稱鍛件為例，確定了鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化程序的實驗驗證方案，進行了相應的模具設計和實驗研究，為計算機模擬優(yōu)化結果的可靠性分析提供了實驗依據(jù)。通過實驗結果與計算機模擬優(yōu)化結果的比較分析表明，計算機模擬與優(yōu)化結果與實驗結果具有較好的一致性。證實了本文的基于微觀組織優(yōu)化和預成形形狀優(yōu)化的多目標優(yōu)化理論與系統(tǒng)在鍛造成形優(yōu)化過程中的應