（材料加工工程专业论文）基于数值模拟的叶片精锻过程优化设计.pdf

摘要 一. 一-一. 一一-. 一一. 摘要 叶片是航空发动机中一类量大面广的重要零件之一，叶片精锻是叶片锻造 的发展趋势。叶片精锻过程是一个受诸多因素影响的复杂变形过程。叶片精锻 预成形毛坯的正确设计和工艺参数的合理选取与叶片锻件的制造成本、质量和 生产效率密切相关，所以对叶片精锻预成形毛坯形状及工艺参数进行优化设计 是实现叶片精锻所必须进行的基础性研究工作。 为此， 本文基于优化设计理论， 并采用有限元数值模拟技术对叶片精锻过程优化设计的关键技术问题展开研 究，在此基础上，以单桦头叶片为研究对象，对其预成形毛坯形状和工艺参数 进行优化设计，从而确定出单桦头叶片精锻所需的合理的预成形毛坯形状及合 理的工艺参数。 本文的主要研究内容和结果如下: 对基于数值模拟的叶片精锻过程优化设计中的关键技术问题进行了研究。 包括:口 一卜 片精锻过程优化设计形状优化目 标函数的构造方法;叶片精锻过程预 成形毛坯形状的参数化曲 线表达、 优化设计变量的提取及优化设计方法的选择。 借助于虚拟实验设计，建立了叶片终锻件形状优化目 标函数与表示预成形 毛坯形状的三次 b样条曲线的控制点坐标之间的相关关系多元非线性回归 预测模型。基于该回归模型，在对虚拟正交实验结果进行直观分析的基础上， 采用基于灵敏度分析的优化算法对叶片精锻预成形毛坯的形状进行优化设计。 按照虚拟实验一回归预测一灵敏度优化的方法， 确定了叶片精锻过程精确充满 模腔所需的合理预成形毛坯形状。 以叶片终锻件精确充满模腔为优化目 标，以叶片精锻过程工艺参数工 件与模具间摩擦因子和模具压下速度为优化设计变量，采用改进的黄金分割优 化方法对叶片精锻工艺参数进行了优化设计，从而得到了叶片精锻过程中最佳 的 工艺参数为摩擦因子m = 0 . 1 2 ， 模具压下速度v = 2 5 m m l s o 关键词叶片精锻:预成形优化;工艺参数优化;数值模拟 西北工业大学工学硕士学位论文 ab s t r a c t a b l a d e i s o n e o f t h e m o s t i m p o rt a n t m e c h a n i c a l c o m p o n e n t s in a v i a t i o n e n g i n e . p r e c i s i o n f o r g i n g i s a t e n d e n c y o f d e v e l o p m e n t o f b l a d e f o r g i n g t e c h n o l o g y . b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g i s a c o m p l e x p r o c e s s w it h m u l t i - f a c t o r e f f e c t s . t h e p r e f o r m d e s i g n a n d t h e t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s s e le c t i o n a r e v e r y i m p o rt a n t f o r t h e f o r g i n g m a n u f a c t u r i n g c o s t , q u a l i t y a n d e ff i c i e n c y . s o t h e o p t i m a l d e s i g n o f p r e f o r m s h a p e a n d t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s f o r b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g i s t h e b a s i c r e s e a r c h w o r k f o r t h e r e a l i z a t i o n o f b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g . b a s e d o n o p t im i z a t i o n t h e o ry , t h e k e y t e c h n i c a l p r o b l e m s o f o p t i m a l d e s i g n f o r b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g a r e s t u d i e d b y t h e f e m n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . t a k i n g b l a d e w i t h a t e n o n a s s t u d y o b j e c t , t h e o p t i m a l d e s i g n o f p r e f o r m s h a p e a n d t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s i s d o n e . t h e a p p r o p r i a t e p r e f o r m s h a p e a n d t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s o f b l a d e w i t h a t e n o n p r e c i s i o n f o r g i n g a r e d e t e r mi n e d . a b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e p r o j e c t a n d i t s m a i n r e s u lt s a r e as f o l l o w s : t h e k e y t e c h n ic a l p r o b l e m s o f o p t i m a l d e s i g n f o r b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g a r e s t u d i e d b a s e d o n f e m n u m e r i c a l s i m u l a t i o n . t h e m e t h o d t o s e t 叩 b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g s h a p e o p t i m a l o b j e c t i v e f u n c t i o n i s p r o p o s e d . t h e p a r a m e t e r i z i n g c u r v e e x p r e s s i o n o f p r e f o r m s h a p e a n d o p t i m a l , d e s i g n v a r i a b l e s a b s t r a c t i o n i n b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g p r o c e s s a r e s t u d i e d .t h e o p t i m a l a r i t h m e t i c i s s e l e c t e d b y t h e d u m m y e x p e r i m e n t d e s i g n , t h e m u l t i v a r i a n t n o n l i n e a r r e g r e s s i o n m o d e l b e t w e e n t h e b l a d e f i n a l f o r g i n g s h a p e o p t i m a l o b j e c t i v e f u n c t i o n a n d t h e c o o r d i n a t e o f t h e c o n t r o l p o i n t s o f t h e b - s p l i n e t o d e s c r i b e t h e p r e f o r m s h a p e i s b u i l t . b a s e d o n t h e a b o v e m o d e l a n d d i r e c t - v i s i o n a n a l y s i s o f d u m m y o rt h o g o n a l d e s i g n r e s u l t , t h e p r e f o r m s h a p e o f b l a d e p r e c e s i o n f o r g i n g i s o p t i m i z e d b y t h e o p t i m a l m e t h o d o f t h e s e n s i t i v it y a n a l y s i s . b y t h e m e t h o d o f d u m m y e x p e r i m e n t - r e g r e s s i o n p r e d i c t i o n - s e n s it i v it y o p t i m i z a t i o n , t h e r a t i o n a l p r e f o r m s h a p e o f t h e b l a d e p r e c e s i o n f o r g i n g i s d e t e r m i n e d , b y w h i c h t h e f i n a l f o r g i n g o v e r f l o w i n g t h e m o u l d p r e c i s e l y c a n b e o b t a i n e d . t h e o p t i m a l o b j e c t i v e i s t o o b t a i n s u c h b l a d e f i n a l f o r g i n g t h a t o v e r f l o w t h e m o u l d p r e c i s e l y , a n d t h e o p t i m a l d e s i g n v a r i a b l e s a r e t h e t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s o f fr i c t i o n g e n e b e t w e e n t h e m o u l d a n d t h e w o r k p i e c e a n d m o u l d v e lo c i t y . b y t h e i m p r o v e d g o l d e n s e c t i o n m e t h o d , t h e b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g i s o p t i m i z e d . t h e o p t i m a l t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s ( f r i c t i o n g e n e s e l e c t 0 . 1 2 , m o u l d p r e s s v e l o c it y ab s t r a c t s e l e c t 2 5 m m / s ) a r e o b t a i n e d k e y w o r d s : b l a d e p r e c i s i o n f o r g i n g , p r e f o r m o p t i m i z a t i o n , t e c h n o l o g y p a r a m e t e r s o p t i mi z a t i o n , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 1 1 1 两北工业大学工学硕十学位论文 论文的主要创新与贡献 ( 1 )对基于有限元数值模拟的叶片精锻过程优化设计中的关键技术问题进 行了研究。研究了基于有限元数值模拟的叶片精锻过程优化设计中形状优化目 标函数的构造方法。 研究了叶片精锻过程预成形毛坯形状的参数化曲线表达、 优化设计变量的提取及优化方法的选择。 ( 2 )以叶片终锻件精确充满模腔为优化目标，以表示预成形毛坯形状的 b 样条曲线控制点坐标为优化设计变量，按照虚拟实验一回归预测一灵敏度优化 的新思路，对叶片预成形毛坯形状进行优化设计，从而确定了叶片精锻过程所 需合理的预成形毛坯形状。 ( 3 )以叶片终锻件精确充满模腔为优化目 标，以叶片精锻过程工艺参数一 工件与模具间摩擦因子和模具压下速度为优化设计变量，采用改进的黄金分割 优化方法对叶片精锻过程进行基于有限元数值模拟的优化设计，从而得到了叶 片精锻过程中最佳的工艺参数为摩擦因子m = 0 . 1 2 ， 模具压下速度v = 2 5 m m / s o 第 飞 章 绪论 第 1 章绪 论 1 . 1引 言 塑性加工技术是先进制造技术不可缺少的重要组成部分，与以切削加工为 主体的冷加工相比，金属塑性加工具有产品机械性能好、生产效率高、节省原 材料的优点，因而在国民经济中占有极为重要的地位。锻造作为塑性成形技术 的一个重要分支， 随着国际市场竞争的加剧，以 及知识经济和绿色经济的兴起， 正朝着精密化、高效率、低消耗、数字化、智能化和绿色化的方向发展。 叶片作为航空发动机中的一类重要零件，在航空发动机中起着能量转换的 关键作用，是航空发动机的“ 心脏” i 1 。叶片还是航空发动机中使用最多的一 类零件， 一台现代航空发动机有数千件叶片， 其中锻造叶片占8 0 %以上。 因此， 叶片锻件的生产量在锻造行业中是极为可观的。口 一卜 片锻造的发展趋势是向半精 锻和精锻方向发展，精锻获得的叶片，叶身型面不需要再进行机械加工，保留 了 锻件的金属流线，其疲劳性能、腐蚀性能优异。由于叶片型面复杂，截面宽 厚比大，且各截面之间有一定的扭角，同时叶片材料多为钦合金、镍基合金、 不锈钢等难变形材料，因此叶片是精锻生产中较难成形的零件。传统的对叶片 锻造过程的设计往往依靠一些成熟的经验和技巧作为设计的准则， 难以准确地、 有把握地解决其精锻过程的预成形坯料形状确定及可控工艺参数选取等设计问 题。这种常规的方法具有很大的盲目性和试探性，并带来严重的设备、材料和 时间的浪费。同时，产品质量得不到保证，更无法保证设计方案的最优化。随 着计算机技术及数值计算方法的发展，基于有限元法的数值模拟越来越成为解 决金属塑性成形问题的强有力工具。借助于有限元数值模拟技术， 在计算机上 虚拟实现叶片锻造成形过程，可以得到诸如应变和应力分布、载荷、材料流动 情况等各种信息，深化对叶片锻造成形规律的认识。但是，运用基于数值模拟 的设计方法时，设计的修改和更优设计的提出仍然是依靠设计者的经验，而不 是依靠数值模拟提供的具体信息。 而基于有限元数值模拟对设计方案进行优化， 还属于一个尚未充分开发的领域。因而有必要对锻造过程进行基于有限元数值 模拟的优化设计，以获得少无飞边、高性能的锻件。 本章综述了叶片锻造技术的研究现状及发展趋势， 数值模拟在叶片锻造过 程中的应用以及基于数值模拟的金属锻造过程优化设计的研究进展。在此基础 第 飞 章 绪论 第 1 章绪 论 1 . 1引 言 塑性加工技术是先进制造技术不可缺少的重要组成部分，与以切削加工为 主体的冷加工相比，金属塑性加工具有产品机械性能好、生产效率高、节省原 材料的优点，因而在国民经济中占有极为重要的地位。锻造作为塑性成形技术 的一个重要分支， 随着国际市场竞争的加剧，以 及知识经济和绿色经济的兴起， 正朝着精密化、高效率、低消耗、数字化、智能化和绿色化的方向发展。 叶片作为航空发动机中的一类重要零件，在航空发动机中起着能量转换的 关键作用，是航空发动机的“ 心脏” i 1 。叶片还是航空发动机中使用最多的一 类零件， 一台现代航空发动机有数千件叶片， 其中锻造叶片占8 0 %以上。 因此， 叶片锻件的生产量在锻造行业中是极为可观的。口 一卜 片锻造的发展趋势是向半精 锻和精锻方向发展，精锻获得的叶片，叶身型面不需要再进行机械加工，保留 了 锻件的金属流线，其疲劳性能、腐蚀性能优异。由于叶片型面复杂，截面宽 厚比大，且各截面之间有一定的扭角，同时叶片材料多为钦合金、镍基合金、 不锈钢等难变形材料，因此叶片是精锻生产中较难成形的零件。传统的对叶片 锻造过程的设计往往依靠一些成熟的经验和技巧作为设计的准则， 难以准确地、 有把握地解决其精锻过程的预成形坯料形状确定及可控工艺参数选取等设计问 题。这种常规的方法具有很大的盲目性和试探性，并带来严重的设备、材料和 时间的浪费。同时，产品质量得不到保证，更无法保证设计方案的最优化。随 着计算机技术及数值计算方法的发展，基于有限元法的数值模拟越来越成为解 决金属塑性成形问题的强有力工具。借助于有限元数值模拟技术， 在计算机上 虚拟实现叶片锻造成形过程，可以得到诸如应变和应力分布、载荷、材料流动 情况等各种信息，深化对叶片锻造成形规律的认识。但是，运用基于数值模拟 的设计方法时，设计的修改和更优设计的提出仍然是依靠设计者的经验，而不 是依靠数值模拟提供的具体信息。 而基于有限元数值模拟对设计方案进行优化， 还属于一个尚未充分开发的领域。因而有必要对锻造过程进行基于有限元数值 模拟的优化设计，以获得少无飞边、高性能的锻件。 本章综述了叶片锻造技术的研究现状及发展趋势， 数值模拟在叶片锻造过 程中的应用以及基于数值模拟的金属锻造过程优化设计的研究进展。在此基础 西北工业大学 仁 学硕士学位论文 上，给出了本文的选题背景、意义及主要研究内容。 1 . 2叶片锻造技术的研究现状及发展趋势 精密模锻是在一般模锻基础上逐渐发展起来的一种少无切削新工艺。与一 般模锻相比，它能获得表面质量好，机械加工余量少和尺寸精度较高的锻件; 取消或部分取消切削加工工序，从而提高了材料利用率;可以使金属流线沿零 件轮廓合理分布，提高零件的承载能力:降低零件生产成本。叶片锻造逐渐向 半精锻和精锻的方向发展，这就适应了零件制造向强韧化、轻型化、优质、精 密、高效、低耗方向发展的要求。 长期以来，由于技术水平的限制，我国航空发动机叶片的生产基本上还是 沿用前苏联的老一套锻造工艺，即进行大余量模锻及半精锻，因此导致机加工 掉的材料用量很大， 造成很大浪费。 采用这种工艺制造的叶片， 材料利用率低、 成本高、周期长，而且难以保证其质量。航空工业的飞速发展对叶片的精度和 使用性能提出了更高的要求，同时也推动了叶片制造技术的发展。叶片精锻是 在普通模锻的基础上发展起来的一种近净成形工艺，精锻生产增加了叶片的强 度和承载能力，在很大程度上提高了叶片的性能和使用寿命，同时解决了 难加 工材 料、 型 面薄的 叶片 机械 加工的 困 难 z 1 。 采 用叶片 精 锻技术克 服了 普 通 锻造 材料利用率低，产品成本高，质量不稳定等不足，其经济效益十分显著，这使 得叶片精锻成为了叶片锻造技术的发展趋势。 对于叶片精锻而言，需要进行复杂的工艺设计并严格控制工艺参数，对精 锻配套技术也有较高的要求。传统的叶片锻造的工艺设计和生产，一般仍是主 要以图表、资料、近似公式及设计人员的经验为依据的 “ 经验设计” 。这种常规 的方法具有很大的盲目 性和试探性，并带来严重的设备、材料和时间的浪费， 不利于叶片精锻工艺设计水平的提高及产品的市场竞争。因此，为实现叶片高 质量的精密锻造，有必要对其成形过程进行分析，以便充分了解和掌握其成形 规律，为确定最佳工艺，实现叶片精锻成形过程，获得优质产品奠定基础。近 三十年来，人们采用经典的解析法对叶片锻造过程进行分析，并将c a d / c a m应 用于叶片精锻工艺的设计和生产。 l . b . a k s e n o v 等3 1 将涡 轮叶片锻造假设为平面 应 变问 题， 采 用滑移 线法 确定了 成形 过 程中 的 变 形 力。 n . a k g e r m a n 等 4 1 用 滑 移 线法求得了 作用在叶片模具上的 应力 和锻 造载 荷。 m . s h a h a f等 5 1通过一系 列的 假设， 采用一种类似切块法的方法， 对涡轮叶片进行了研究， 通过交互式设计， 西北工业大学 仁 学硕士学位论文 上，给出了本文的选题背景、意义及主要研究内容。 1 . 2叶片锻造技术的研究现状及发展趋势 精密模锻是在一般模锻基础上逐渐发展起来的一种少无切削新工艺。与一 般模锻相比，它能获得表面质量好，机械加工余量少和尺寸精度较高的锻件; 取消或部分取消切削加工工序，从而提高了材料利用率;可以使金属流线沿零 件轮廓合理分布，提高零件的承载能力:降低零件生产成本。叶片锻造逐渐向 半精锻和精锻的方向发展，这就适应了零件制造向强韧化、轻型化、优质、精 密、高效、低耗方向发展的要求。 长期以来，由于技术水平的限制，我国航空发动机叶片的生产基本上还是 沿用前苏联的老一套锻造工艺，即进行大余量模锻及半精锻，因此导致机加工 掉的材料用量很大， 造成很大浪费。 采用这种工艺制造的叶片， 材料利用率低、 成本高、周期长，而且难以保证其质量。航空工业的飞速发展对叶片的精度和 使用性能提出了更高的要求，同时也推动了叶片制造技术的发展。叶片精锻是 在普通模锻的基础上发展起来的一种近净成形工艺，精锻生产增加了叶片的强 度和承载能力，在很大程度上提高了叶片的性能和使用寿命，同时解决了 难加 工材 料、 型 面薄的 叶片 机械 加工的 困 难 z 1 。 采 用叶片 精 锻技术克 服了 普 通 锻造 材料利用率低，产品成本高，质量不稳定等不足，其经济效益十分显著，这使 得叶片精锻成为了叶片锻造技术的发展趋势。 对于叶片精锻而言，需要进行复杂的工艺设计并严格控制工艺参数，对精 锻配套技术也有较高的要求。传统的叶片锻造的工艺设计和生产，一般仍是主 要以图表、资料、近似公式及设计人员的经验为依据的 “ 经验设计” 。这种常规 的方法具有很大的盲目 性和试探性，并带来严重的设备、材料和时间的浪费， 不利于叶片精锻工艺设计水平的提高及产品的市场竞争。因此，为实现叶片高 质量的精密锻造，有必要对其成形过程进行分析，以便充分了解和掌握其成形 规律，为确定最佳工艺，实现叶片精锻成形过程，获得优质产品奠定基础。近 三十年来，人们采用经典的解析法对叶片锻造过程进行分析，并将c a d / c a m应 用于叶片精锻工艺的设计和生产。 l . b . a k s e n o v 等3 1 将涡 轮叶片锻造假设为平面 应 变问 题， 采 用滑移 线法 确定了 成形 过 程中 的 变 形 力。 n . a k g e r m a n 等 4 1 用 滑 移 线法求得了 作用在叶片模具上的 应力 和锻 造载 荷。 m . s h a h a f等 5 1通过一系 列的 假设， 采用一种类似切块法的方法， 对涡轮叶片进行了研究， 通过交互式设计， 第 1 章 绪论 获得了模具的形状及坯料的预成形形状。由于数学求解方面的困难，经典的解 析法只能对某些特殊的平面问题和轴对称问题给出较精确的解析解，而对于大 多数平面问题和轴对称问题及三维复杂问题，只有在附加一些假设条件并进行 大量的模型化的前提下， 才能给出 近似的 解析解。 d . g . 工 l e s等 6 1 对航空发动机 压 气机叶片精 锻工艺进行了 研究。 c . v o i g t i a n g d e r等7 1 对航空发动机压气 机叶 片 等温精锻工艺 进行了 研究。 n . a k g e r m a n 等 a 1 论 述了c a d / c a m 技术在涡 轮叶片 精锻模设计与制造中的应用。上述的叶片精锻工艺研究及 c a d / c a m技术在叶片 精锻工艺中的应用均是建立在经验基础上的。 目 前，国外己具有大批量生产叶片精锻件的能力。美国、奥地利的热精锻 叶片占总生产量的 8 0 % - 9 0 %，叶型精度达 0 . 1 5 - 0 3 m m，锻后叶型部分只需抛 光、 磨光， 仅需机加工叶根及叶身出 气边加厚部分， 减少机加工余量达9 0 % el l o 英国的罗一罗公司叶片锻造精度则可达到叶片长度在 5 1 0 m m 以内的型面误差 为 0 .0 5 - 0 .2 m m 。此外法国 s n e c ma( 斯奈克玛)公司、日 本三菱公司在叶片 精锻方面具有较高的水平i9 - 1 0 1 。 时代的需求和国内 外同行业的差距给我国 叶片锻 造工艺提出了挑战，同时也带来了发展的契机。围绕叶片精锻技术的研究。我 国采用引进和自主开发相结合的办法，拥有了一些精锻设备和工装，如西安航 空发动机公司的精锻叶片生产线，其工艺和设备均具有较高水平。目 前，我国 己具有生产中小型精锻叶片的能力，并且实现了精锻叶片的出口 ，” 。这表明我 国叶片精锻技术已具有较高水平，但在对锻件尺寸、几何形状、组织性能的主 动控制能力方面同国外相比，仍有一定差距。 1 . 3数值模拟在叶片锻造过程中的应用 叶片锻造成形过程为复杂的塑性大变形力学过程，既存在材料非线性，又 存在几何非线性及边界条件的非线性。叶片锻造成形过程是一个受诸多因素影 响的复杂变形过程，材料特性、 模具形状、坯料形状尺寸、 摩擦条件、 变形速 度、温度等因素对成形过程都有一定的影响。由于问题的复杂性，以 往人们不 得不作出较多的简化和假设，以便采用诸如主应力法、滑移线法、上限元法等 来求解，这就使得理论分析的结果局限性较大，难以得出对整个成形过程的解 答，更不用说研究各种因素对成形规律的影响了。这迫使人们不得不寻求新的 分析手段，以 突破解析法的限制。随着计算机的发展和有限元数值方法应用的 成熟，近二十年发展起来了基于有限元的金属塑性加工过程数值模拟技术。有 第 1 章 绪论 获得了模具的形状及坯料的预成形形状。由于数学求解方面的困难，经典的解 析法只能对某些特殊的平面问题和轴对称问题给出较精确的解析解，而对于大 多数平面问题和轴对称问题及三维复杂问题，只有在附加一些假设条件并进行 大量的模型化的前提下， 才能给出 近似的 解析解。 d . g . 工 l e s等 6 1 对航空发动机 压 气机叶片精 锻工艺进行了 研究。 c . v o i g t i a n g d e r等7 1 对航空发动机压气 机叶 片 等温精锻工艺 进行了 研究。 n . a k g e r m a n 等 a 1 论 述了c a d / c a m 技术在涡 轮叶片 精锻模设计与制造中的应用。上述的叶片精锻工艺研究及 c a d / c a m技术在叶片 精锻工艺中的应用均是建立在经验基础上的。 目 前，国外己具有大批量生产叶片精锻件的能力。美国、奥地利的热精锻 叶片占总生产量的 8 0 % - 9 0 %，叶型精度达 0 . 1 5 - 0 3 m m，锻后叶型部分只需抛 光、 磨光， 仅需机加工叶根及叶身出 气边加厚部分， 减少机加工余量达9 0 % el l o 英国的罗一罗公司叶片锻造精度则可达到叶片长度在 5 1 0 m m 以内的型面误差 为 0 .0 5 - 0 .2 m m 。此外法国 s n e c ma( 斯奈克玛)公司、日 本三菱公司在叶片 精锻方面具有较高的水平i9 - 1 0 1 。 时代的需求和国内 外同行业的差距给我国 叶片锻 造工艺提出了挑战，同时也带来了发展的契机。围绕叶片精锻技术的研究。我 国采用引进和自主开发相结合的办法，拥有了一些精锻设备和工装，如西安航 空发动机公司的精锻叶片生产线，其工艺和设备均具有较高水平。目 前，我国 己具有生产中小型精锻叶片的能力，并且实现了精锻叶片的出口 ，” 。这表明我 国叶片精锻技术已具有较高水平，但在对锻件尺寸、几何形状、组织性能的主 动控制能力方面同国外相比，仍有一定差距。 1 . 3数值模拟在叶片锻造过程中的应用 叶片锻造成形过程为复杂的塑性大变形力学过程，既存在材料非线性，又 存在几何非线性及边界条件的非线性。叶片锻造成形过程是一个受诸多因素影 响的复杂变形过程，材料特性、 模具形状、坯料形状尺寸、 摩擦条件、 变形速 度、温度等因素对成形过程都有一定的影响。由于问题的复杂性，以 往人们不 得不作出较多的简化和假设，以便采用诸如主应力法、滑移线法、上限元法等 来求解，这就使得理论分析的结果局限性较大，难以得出对整个成形过程的解 答，更不用说研究各种因素对成形规律的影响了。这迫使人们不得不寻求新的 分析手段，以 突破解析法的限制。随着计算机的发展和有限元数值方法应用的 成熟，近二十年发展起来了基于有限元的金属塑性加工过程数值模拟技术。有 西北工业人学_ l 学硕士学位论文 限元数值模拟具有功能强、精度高，并可在计算机上虚拟实现成形过程，反复 演示、计算和优化等诸多优点，已成为研究叶片锻造成形规律、材料变形行为 及各种物理场的强有力的工具之一。借助于有限元数值模拟技术，使人们能够 直观、全面和定量地了解锻造成形过程，获得叶片锻造过程的成形规律，为锻 造工艺的制订和优化提供理论依据， 并促进叶片锻造技术的发展。本节主要介 绍有限元在叶片锻造成形过程中的应用概况。 早在2 0世纪 7 0 年代，许多学者就开始运用数值模拟和试验相结合的方法 对叶片锻造成形过程进行研究。由于叶片的形状复杂，且受计算条件的限制， 国内外学者对叶片锻造过程进行了简化，假设沿叶身方向没有金属的流动，将 其简化为二维平面应变问题，并实现了叶片锻造过程的二维数值模拟。n r e b e l o 1 2 1 等利用二维刚粘塑性有限元对汽轮机叶片锻造过程进行了有限元模 拟，模拟分析了某一截面处金属的流动情况，其网格变化与蜡模压制的结果大 体 一致。 佐藤安彦、 山 本和人等 l 3 】 对蒸汽机叶 片 锻造 成形 进行了 有限 元法 模拟， 并 用 于 模 具 优 化 设 计。 m . l . d u n g 等 1 4 运 用 刚 塑 性 有限 元 法 对 涡 轮 叶 片 精 锻 过 程进行了二维有限元模拟，在模拟过程中采用三角形和四边形混合网格，并采 用l a g r a n g e 乘子法处理体积不可压缩条件， 对金属在对称和不对称的上下模的 作 用 下 的 流 动 情 况 进 行了 对比 分 析。 b . s . k a n g 等 1 5 1运 用 二 维 有限 元 和 反 向 模 拟 技术确定了无飞边的航空叶片的预成形毛坯的形状，并在模拟过程中采用库伦 摩 擦 模型。 a . m o r it a 等 16 1 对涡 轮叶 片 等 温精 锻 过 程 进 行了 二 维刚 塑 性有限 元 模 拟，确定了预成形毛坯的最优放置位置，并对坯料的轴向伸长进行了研究。b . s o l t a n i 等f 1? 1基于弹塑性有限元法， 分别用商业软件n i k e 2 d和d y n a 2 d对叶 片锻造过程进行了模拟分析，并获得了坯料的最佳放置位置。木内学和今井敏 博等 1 8 也 通过对涡轮叶片 锻造过程的 数值模拟分 析， 确定了 毛 坯的 最 合理的 放 置 位 置 ， 以 保 证 叶 片 模 腔 两 侧同 时 充 满。 j . h . a r g y r is 等 1 9 1运 用 三 维 有限 元 模 拟 分析了叶片整个变形过程， 但在模拟过程中却忽略了 坯料与模具间的摩擦。 dy y a n g 等 2 0 -2 1 基 于 刚 粘 塑 性 有 限 元， 考 虑了 工 模 具 间 的 摩 擦 和网 格 重 划 ， 对 涡 轮 叶片等温锻造进行了三维有限元模拟， 但对模具上桦头与叶身过渡处的几何形 状 进 行了 简化。 z . m . h u 和j . w . b r o o k s 等2 2 -2 6 运 用 有限 元 商业 软 件a b a q u s 和f o r g e 3 对钦合金涡轮叶片和t c 4 航空叶片热锻过程进行了模拟分析。 y . s n a 等2 7 对镍基合金7 1 8 叶片锻造过程进行了 三维有限元模拟， 并 模拟预测了 叶 片预锻和终锻后的晶粒尺寸和体积分数。 r . b a l e n d r a 等f2 8 对涡轮叶片锻造过程 第 1 章 绪论 进行了热力祸合有限元模拟分析，并计算了叶片在变形与冷却中产生的相对变 形量，预测了叶片的形状误差。 为适应航空锻造技术发展的需要，2 0世纪 8 0年代我国也开始重视叶片精 锻过程的有限 元数值模拟。 8 0 年代中期， 北京航空工业部材料研究所2 9 1 根据t . a lt a n 等3 0 提出的叶片精锻工艺c a d程序功能框图， 研制出可用于计算叶片精 锻工艺某些参数的初步软件，并用二维刚粘塑性有限元法对叶片成形过程进行 了 模拟。薛克敏、王真等3 1 用上限元反向 模拟技术确定了叶片预成形毛坯的 形 状，并用铅作为模拟材料进行了模拟实验，将数值模拟结果与其进行了对比。 赵国 群3 2 对气轮机叶片进行了 二维刚塑性有限元模拟。 米小珍等3 3 对涡轮叶片 锻造过程进行了二维刚塑性有限元模拟分析。对于叶片锻造过程的三维有限元 模 拟方面， 刘 郁丽和詹梅3 4 -3 5 1 做了 大量的 工 作， 运用 三维刚粘塑性 有限 元 法 分 别对单桦头叶片和带阻尼台叶片锻造过程进行了模拟分析，在模拟过程中对桦 头和叶身过渡处采用圆角连接，使叶片锻造三维有限元模拟的模型建立与分析 更接近于实际过程。 薛善坤 3 6 】 采用刚塑性有限 元法， 对t c 6 钦合金叶片锻造成 形过程进行了三维数值模拟。蔡旺3 7 运用三维刚粘塑性有限元对叶片精锻过程 进行了 热力祸合模拟，使模拟结果更加接近实际情况。刘芳 3 8 运用三维刚 粘塑 性有限元原理， 将2 a 7 0 铝合金晶粒尺寸的人工神经网络预测模型与有限元模拟 相结合， 利用商业软件d e f o r m对压气机转子叶片精密成形过程进行了数值模 拟。随着对叶片精锻高质量、低成本、短周期要求的不断提高，借助计算机对 叶片精锻过程进行有目的、可控制的模拟，对于优化叶片精锻预成形毛坯和工 艺参数，提高叶片质量及性能， 促进叶片精锻成形技术的发展具有重要的 指导 意义和应用价值。 1 . 4基于数值模拟的锻造过程优化设计方法 传统的锻造过程设计方法往往依靠一些成熟的经验和技巧作为设计的准 则，难以准确地、有把握地解决其精锻过程的设计问题。这种常规的方法具有 很大的盲目 性和试探性，并带来严重的设备、材料和时间的浪费。同时，产品 质量得不到保证，更无法保证设计方案的最优化。随着有限元数值模拟技术的 应用，传统的设计方法迅速地被更有效的基于数值模拟的设计方法所取代。但 是，目前设计者运用基于数值模拟的设计方法在很大程度上还局限于对模拟分 析结果的验证和分析上，这种设计与传统设计方法的不同仅在于验证的手段不 第 1 章 绪论 进行了热力祸合有限元模拟分析，并计算了叶片在变形与冷却中产生的相对变 形量，预测了叶片的形状误差。 为适应航空锻造技术发展的需要，2 0世纪 8 0年代我国也开始重视叶片精 锻过程的有限 元数值模拟。 8 0 年代中期， 北京航空工业部材料研究所2 9 1 根据t . a lt a n 等3 0 提出的叶片精锻工艺c a d程序功能框图， 研制出可用于计算叶片精 锻工艺某些参数的初步软件，并用二维刚粘塑性有限元法对叶片成形过程进行 了 模拟。薛克敏、王真等3 1 用上限元反向 模拟技术确定了叶片预成形毛坯的 形 状，并用铅作为模拟材料进行了模拟实验，将数值模拟结果与其进行了对比。 赵国 群3 2 对气轮机叶片进行了 二维刚塑性有限元模拟。 米小珍等3 3 对涡轮叶片 锻造过程进行了二维刚塑性有限元模拟分析。对于叶片锻造过程的三维有限元 模 拟方面， 刘 郁丽和詹梅3 4 -3 5 1 做了 大量的 工 作， 运用 三维刚粘塑性 有限 元 法 分 别对单桦头叶片和带阻尼台叶片锻造过程进行了模拟分析，在模拟过程中对桦 头和叶身过渡处采用圆角连接，使叶片锻造三维有限元模拟的模型建立与分析 更接近于实际过程。 薛善坤 3 6 】 采用刚塑性有限 元法， 对t c 6 钦合金叶片锻造成 形过程进行了三维数值模拟。蔡旺3 7 运用三维刚粘塑性有限元对叶片精锻过程 进行了 热力祸合模拟，使模拟结果更加接近实际情况。刘芳 3 8 运用三维刚 粘塑 性有限元原理， 将2 a 7 0 铝合金晶粒尺寸的人工神经网络预测模型与有限元模拟 相结合， 利用商业软件d e f o r m对压气机转子叶片精密成形过程进行了数值模 拟。随着对叶片精锻高质量、低成本、短周期要求的不断提高，借助计算机对 叶片精锻过程进行有目的、可控制的模拟，对于优化叶片精锻预成形毛坯和工 艺参数，提高叶片质量及性能， 促进叶片精锻成形技术的发展具有重要的 指导 意义和应用价值。 1 . 4基于数值模拟的锻造过程优化设计方法 传统的锻造过程设计方法往往依靠一些成熟的经验和技巧作为设计的准 则，难以准确地、有把握地解决其精锻过程的设计问题。这种常规的方法具有 很大的盲目 性和试探性，并带来严重的设备、材料和时间的浪费。同时，产品 质量得不到保证，更无法保证设计方案的最优化。随着有限元数值模拟技术的 应用，传统的设计方法迅速地被更有效的基于数值模拟的设计方法所取代。但 是，目前设计者运用基于数值模拟的设计方法在很大程度上还局限于对模拟分 析结果的验证和分析上，这种设计与传统设计方法的不同仅在于验证的手段不 西北工业大学 _ 学硕士学位论文 同。 传统设计用实际试模，而模拟式设计则进行 “ 软试模” 。 通过在计算机上对 成形过程进行反复的模拟分析，不断修改预成形毛坯形状或工艺参数，运用这 种方法也能实现对预成形毛坯形状及工艺参数的优选，但是要消耗大量的计算 时间，而且也往往很难得到最佳的预成形毛坯或工艺参数。而基于数值模拟运 用优化算法对设计方案进行优化设计，还属于一个尚未充分开发的领域。因而 有必要对锻造过程进行基于数值模拟的优化设计，以获得少无飞边、高性能的 锻件。基于数值模拟的锻造过程工艺优化设计方法主要可以分为基于正向模拟 的优化设计方法和基于反向模拟的优化设计方法。 1 . 4 . 1基于正向模拟技术的优化设计方法 近年来，优化理论被引入到塑性成形过程的工艺设计中，将预成形毛坯形 状确定及可控工艺参数选取等工艺设计问题处理为优化问题。基于数值模拟的 工艺优化设计方法是在有限元数值模拟的基础上，结合优化算法来实现对生产 工艺的优化设计，因而是一种新颖的设计方法，引起各国学者极大的兴趣，取 得了大量的研究成果。基于正向模拟的优化方法主要可以分为两类:一类是利 用灵敏度信息的求导型优化方法;另一类是利用目 标函数的直接搜索方法。 1 .4 . 1 . 1基于灵敏度分析的优化设计方法 灵敏度分析是一种广泛用于计算目 标函数梯度的方法。基于灵敏度分析的 优化方法属于梯度型优化方法，该方法需要计算目 标函数对优化设计变量的灵 敏度信息 ( 导数) ， 然后采用高效的优化算法进行优化设计。求解目 标函数对设 计变量的灵敏度通常有两种方法，一种方法是根据有限元刚度方程推导灵敏度 方程，然后求解灵敏度的值:另一种方法是用直接差分法求解灵敏度的值。前 一种方法灵敏度精度高，优化迭代收敛速度快，优化迭代次数少，但推导过程 复杂，且要嵌入到有限元计算模块中，灵活性差，优化模块和有限元计算模块 不易集成。后一种方法灵敏度信息计算简单且不用嵌入到有限元计算模块中， 灵活性好，但灵敏度精度低，优化迭代次数多。 在锻造过程基于灵敏度分析优化设计方法的研究中， b a d r i n a r a y a n a n和 z a b a r a 尹 9 4 0 从力学和数学的角度提出了 一种超弹粘塑性材料大变形过程的灵敏 度分析方法，并将这种方法用于轴对称圆柱坯徽粗的预成形优化设计，设计的 目标是消除侧面的鼓形，但是其设计的圆柱体侧面内凹的预成形件很难锻造成 西北工业大学 _ 学硕士学位论文 同。 传统设计用实际试模，而模拟式设计则进行 “ 软试模” 。 通过在计算机上对 成形过程进行反复的模拟分析，不断修改预成形毛坯形状或工艺参数，运用这 种方法也能实现对预成形毛坯形状及工艺参数的优选，但是要消耗大量的计算 时间，而且也往往很难得到最佳的预成形毛坯或工艺参数。而基于数值模拟运 用优化算法对设计方案进行优化设计，还属于一个尚未充分开发的领域。因而 有必要对锻造过程进行基于数值模拟的优化设计，以获得少无飞边、高性能的 锻件。基于数值模拟的锻造过程工艺优化设计方法主要可以分为基于正向模拟 的优化设计方法和基于反向模拟的优化设计方法。 1 . 4 . 1基于正向模拟技术的优化设计方法 近年来，优化理论被引入到塑性成形过程的工艺设计中，将预成形毛坯形 状确定及可控工艺参数选取等工艺设计问题处理为优化问题。基于数值模拟的 工艺优化设计方法是在有限元数值模拟的基础上，结合优化算法来实现对生产 工艺的优化设计，因而是一种新颖的设计方法，引起各国学者极大的兴趣，取 得了大量的研究成果。基于正向模拟的优化方法主要可以分为两类:一类是利 用灵敏度信息的求导型优化方法;另一类是利用目 标函数的直接搜索方法。 1 .4 . 1 . 1基于灵敏度分析的优化设计方法 灵敏度分析是一种广泛用于计算目 标函数梯度的方法。基于灵敏度分析的 优化方法属于梯度型优化方法，该方法需要计算目 标函数对优化设计变量的灵 敏度信息 ( 导数) ， 然后采用高效的优化算法进行优化设计。求解目 标函数对设 计变量的灵敏度通常有两种方法，一种方法是根据有限元刚度方程推导灵敏度 方程，然后求解灵敏度的值:另一种方法是用直接差分法求解灵敏度的值。前 一种方法灵敏度精度高，优化迭代收敛速度快，优化迭代次数少，但推导过程 复杂，且要嵌入到有限元计算模块中，灵活性差，优化模块和