（材料加工工程专业论文）基于预成形的锻造过程微观组织模拟与优化设计方法及应用.pdf

基于预成形的锻造过程微观组织模拟与优化设计方法及应用 捅要 锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航天、兵器以及其它许多工业生 产部门，在国民经济中占有极为重要的地位。随着全球经济竞争的日趋激烈， 低成本、高质量和高效率成为制造型企业在竞争中取胜的关键因素。为此，要 求对锻造过程中涉及到的有关工艺参数进行优化设计。材料在锻造过程中的微 观组织演变及最终产品的组织结构直接决定着产品机械性能，因此，锻造过程 微观组织模拟与优化的研究是锻造工艺优化设计中必须且非常关键的内容，具 有重要的应用价值。预锻模及预成形形状与终锻件形状直接对应，它直接限制 金属的流动情况，从而直接影响成形件的最终形状和微观组织性能。因而，预 成形设计便成为控制产品质量、实现锻造生产要求的必需且非常重要的方面。 随着计算机软硬件技术的发展及金属塑性流动理论的成熟，使得金属塑性 成形过程的计算机数值模拟得以实现。以有限元法为代表的数值模拟方法已广 泛应用于各种金属成形问题的分析求解中 基于以上分析，在对国内外微观组织模拟与优化的发展及现状作了全面的 回顾的基础上，本文以锻件晶粒尺寸细小均匀为目标，以预成形模具形状为优 化对象，将有限元和遗传优化算法结合起来，建立了同时以锻件微观组织和锻 件形状为优化目标的多目标优化方法，采用f o r t r a n 语言开发了基于预成 形设计的锻造过程微观组织优化程序，并对典型的圆柱体镦租和h 型截面的 轴对称锻件进行了面向微观组织优化的预成形设计 本文首先对刚粘塑性有限元的理论进行了阐述，给出了刚粘塑性材料的基 本假设及塑性力学基本方程，介绍t ha i 粘塑性有限元变分的基本原理及求解过 程，并详细介绍了遗传算法的基本原理，一般结构以及常规的操作步骤。 介绍了最优化设计的主要内容和一般原则，分别对锻件形状和微观组织的 优化建模进行了研究。建立了适合于组成总的目标函数的新的形状子目标函数 和晶粒尺寸子目标函数，给出了其详细的表达式，然后采用加权的方法将两者 组成总的目标函数。对总目标函数进行优化。给出了b 样条曲线表示预成形 模具的方法，并将b 样条曲线的控制点的坐标确定为设计变量，采用遗传算 法对基于预成形设计的锻造过程中微观组织演变过程进行了模拟与优化 利用f o r t r a n 语言，采用微观遗传算法与有限元模拟相结合的方法， 开发了基于预成形设计的锻造过程微观组织优化程序。该程序由初始化模块， 预成形参数修改模块，预成形有限元模拟模块，终锻参数修改模块，终锻有限 元模拟模块，目标函数模块，微观遗传算法评价模块七大模块组成。该程序只 需要提供必要的变形控制参数、工艺参数、模具和毛坯形状参数以及微观遗传 算法各初始参数值，即可自动实现基于预成形设计的锻造过程微观组织的优化 设计。 利用本文所开发的基于预成形设计的锻造过程微观组织优化设计软件，对 圆柱体热镦粗及h 型截面轴对称锻件进行了面向微观组织的预成形优化设计。 对于典型的圆柱体镦粗，等温过程平均晶粒度由优化前的9 1 4 3 9 m 下降到 2 5 1 9 1 a m ，下降了7 2 ；非等温过程平均晶粒度由1 1 7 2 8 i _ t m 下降到7 0 9 5 1 a m ， 平均晶粒度下降了约4 7 1 a m ，而且分布均匀性均得到了明显的提高。对h 型锻 件，整个锻件的平均晶粒度由6 7 5 1 i t m 下降到3 0 5 1 1 m ，平均晶粒度下降了 约5 4 8 。优化后，微观组织更加均匀细致，优化效果明显，同时，终锻件形 状由最初的有较大鼓形的情况变成了最终侧壁几乎没有鼓形的情况。上述实例 应用表明，本文所开发的软件中的优化算法具有相当的可靠性。 关键词：锻造，微观组织，预成形设计，遗传算法，多目标优化 i i s t u d yo no p t i m a ld e s i g nm e t h o do ft h em i c r o s t r u c t u r e i nf o r g i n gp r o c e s sb a s e do np r e f o r md e s i g n a n da p p l i c a t i o n a b s l r a c t w i d e l yu s e di nm e c h a n i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g y , s h i p b u i l d i n g ，w e a p o n sa n d5 0 o n , m e t a lf o r g i n gh a sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nn a t i o n a le c o n o m y s i n c et h e g l o b a lc o m p e t i t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n t e n s e 1 0 wc o s th i 【g hq u a l i t ya n d e 伍c i e n c yb e c o m et h ec r u c i a lf a c t o r sf o rt h em a n u f a c t u r i n gf a c t o r i e st ow i ni nt h e c o m p e t i t i o n t h e r e f o r e ，t h e v a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r si n v o l v e di nt h em e t a l f o r g i n ga n dt h ec o s t , q u a l i 够a n de f f i c i e n c ys h o u l db ec o n s i d e r e di n t ot h ep r o c e s s d e s i g n t h ee v o l v e m e n ta n ds t r u c t u r eo ft h em i c r o s t r u c t u r ei nt h ef o r g i n gp r o c e s s h a v ead i r e c ti n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f t h ef i n a lp a r t s s o ，d u r i n gt h e v a r i o u sp a r a m e t e r so ft h em e t a lf o r g i n g ，t h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h e m i c r o s t r u c t u r ea r ep i v o t a la n di n t e g r a n t t h ep r e f o r ms h a p ei sc o r r e s p o n d i n gt ot h e s h a p eo ft h ef m a lp a r t s i td i r e c t l yc o n t r o l st h er e l i a b i l i t yo fm e t a l s o ，i td i r e c t l y i n f l u e n t st h es h a p eo f t h ef i n a lp a r t sa n dt h ec a p a b i l i t yo f t h em i c r o s t r u c t u r e s ot h e o p t i m a lp r e f o r md e s i g nb e c o m e st h ec r u c i a la s p e c to fc o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dt h er e l i a b i l i t yo fm e t a l f o r m i n gt h e o r y , t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fm e t a lf o r m i n gp r o c e s s e sc a nb e r e a l i z e do nt h ec o m p u t 瓯t h en u m e r i c a lm e t h o ds u c h 髂f i n i t ee l e m e n tm e t h o da r e w i d e l yu s e di nt h em e t a lf o r g i n g b a s e do n t h ea b o v ea n a l y s i s ，a n o p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d o ft h e m i c r o s t r u c t u r ei nf o r g i n gp r o c e s si sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec u r r e n t r e s e a r c hs i t u a t i o no ft h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h em i c r o s t r u c m r ca l l o v e rt h ew o r l di sr e v i e w e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo p t i m a lo b j e c t i v ei st oo b t a i n t h ef i n ea n ds y m m e t r i c a lg r a i ns i z e t h eo p t i m a lo b j e c ti st h ep r e f o r ms h a p e c o m b i n i n gt h ef e m s i m u l a t i o n 、衍t l lt h eg e n e t i ca r i t h m e t i c ，t h em u l t i p l eo b j e c t i v e o p t i m a lm e t h o dw h o s eo p t i m a lo b j e c t i v ei st oi n v o l v et h es h a p eo ff o r g i n ga n dt h e m i c r o s t r u c t u r eo ff o r g i n gi sp u tf o r w a r d u s i n gf o r t r a nl a n g u a g e ，t h e 妣w a r e f o ro p t i m a ld e s i g nm e t h o do ft h em i c r o s t r u c t u r ei nf o r g i n gp r o c e s sb 罄e do n p r e f o r md e s i g ni sd e v e l o p e d t h ep r e f o r md e s i g n so f t h ec y l i n d e ru p s e t t i n gp r o c e s s i l l a n da nh s h a p e df o r g i n gi np l a n es t r a i nd e f o r m a t i o nr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no f t h e f i n a lm i c r o s t r u c t u r e f i r s t ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h ev i s c o - r i g i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o di s p r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eb a s i ca s s u m p t i o no ft h ev i s c o r i g i dp l a s t i cf i n i t e e l e m e n tm e t h o da n dt h eb a s i ce q u a t i o n so ft h ep l a s t i cm e c h a n i c sa r eg i v e n t h e e s s e n t i a lp r i n c i p l e sa n dt h es o l u t i o np r o c e d u r e so ft h ev i s c o - r i g i dp l a s t i cf i n i t e e l e m e n ta r ci n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e , t h ee s s e n t i a l p r i n c i p l e s ，c o m m o n s t r u c t u r e sa n dr o u t i n eo p e r a t i o n a ls t e p so ft h em i c r o s t r u c t u r ea r ci n t r o d u c e di n d e t a i l t h em a i nc o n t e n t sa n dt h en o r m a lp r i n c i p l e so ft h eo p t i m a ld e s i g na r e d e s c r i b e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo p t i m a lm o d e l i n go f t h es h a p eo f f o r g i n ga n dt h e m i c r o s t r u c t u r ei sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h eg r a i ns i z es o b - o b j e c t i v ef u n c t i o n , t h e s h a p es u b - o b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ew h o l eo b j e c t i v ef u n c t i o nf o rt h em u l t i p l e o b j e c t i v ef u n c t i o no p t i m i z a t i o na r ep u tf o r w a r d ，r e s p e c t i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e t h o dt h a tt h eb - s p l i n eu s e dt or e p r e s e n tt h ep r e f o r md i es h a p ei sp r e s e n t e d t h ec o o r d i n a t eo ft h ec o n t r o lp o i r l to ft h eb s p l i n ei su s e da st h eo p t i m a ld e s i g n v a r i a b l e s u s i n gt h eg e n e t i ca r i t h m e t i c ，t h es i m u l a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o nt o m i c r o s t r u c t u r ei nf o r g i n gp r o c e s sb a s e do np r e f o r md e s i g na r ec a r r i e do u t u s i n gt h eg e n e t i ca r i t h m e t i ca n df e ms i m u l a t i o n , t h es o f t w a r ef o ro p t i m a l d e s i g nm e t h o do ft h em i c r o s t r u c t u r ei nf o r g i n gp r o c e s sb a s e do np r e f o r md e s i g ni s d e v e l o p e db yu s i n gf o r t r a nl a n g u a g e i ti sc o m p o s e do fs e v e nm o d u l e s t h e y a r et h em o d u l ef o ri n i t i a l i z a t i o n , f o rp r e f o r mp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n , f o rp r e f o r m f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，f o rf i n a lf o r g i n gp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n , f o rf i n a lf o r g i n g f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，f o rc a l c u l a t i o no fo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n df o re v a l u a t i o n t h es o f t w a r ec a na u t o m a t i c a l l yr e a l i z et h eo p t i m a ld e s i g no ft h em i c r o s t r u c t u r ei n f o r g i n gp r o c e s sb a s e do np r e f o r md e s i g na sl o n ga s t h e e s s e n t i a ld e f o r m a t i o n m a n i p u l a t i v ep a r a m e t e r , t e c h n i c a lp a r a m e t e r , t h es h a p ep a r a m e t e ro ft h ed i ea n d f i n a lp a r t sa n di n i t i a l i z a t i o ni ng e n e t i ca r i t h m e t i ca l ep r o v i d e d t h ep r e f o r md e s i g n so ft h ec y l i n d e ru p s e t t i n gp r o c e s sa n da nh s h a p e d f o r g i n g i n p l a n e s t r a i nd e f o r m a t i o nr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o n o ft h ef i n a l m i c r o s t r u c t u r eb yu s i n gt h es o f t ：w a r ed e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h ec y l i n d e r u p s e t t i n gp r o c e s s ，t h ea v e r a g eo f t h eg r a i ns i z e sd e c l i n e s7 2 f r o m9 1 4 3 p r ot o 2 5 1 9 1 a mi ni s o t h e r m a lp r o c e s sa n dt h ea v e r a g eo ft h eg r a i ns i z e sd e c l i n e s4 7 p m f r o 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其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：鲞煮日期：丝堕兰丝 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 ， 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：查金导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航天、兵器以及其它许多工业生 产部门，在国民经济中占有极为重要的地位。随着经济竞争的日趋激烈，以提 高质量和降低成本为宗旨的净形及近净形制造已成为当前制造业的发展趋势， 各种先进的制造技术也顺势不断涌现。在这种新形势下，具有悠久历史的传统 生产工艺锻造生产由于具有产品机械性能好，生产效率高、节省材料等特 性，因此不仅仍处于不可替代的地位，而且越来越受到人们的重视，有着广阔 的应用前景。， 近来，随着塑性成型技术的发展以及用户越来越高的产品质量要求使得人 们需要更好的了解和控制生产的整个过程，然而在热变形过程中，材料发生的 组织变化，在很大程度上决定了成品的最终性能；同时组织变化也对交形过程 本身产生作用，因为随着微观组织的变化，材料的屈服应力随之改变，因而全 面、细致、深入的了解和掌握生产中工件的变形过程及组织变化过程就成为实 现这一目标所遇到的首要问题。锻造生产的目标除了完成产品的基本形状要求 外，更重要的是通过材料的塑性变形而提高产品的综合机械性能。因此，只有 既满足产品形状的基本要求，又能达到产品性能的更高要求，才能充分发挥金 属塑性成形技术的优越性。而直接决定产品机械性能的便是材料在塑性成形过 程中的微观组织演变及最终产品的组织结构。因此，金属塑性成形过程的微观 组织模拟与优化的研究，具有更加重要的应用价值。“微观模拟”技术将成为 热塑性加工工艺设计中的重要工具。 为了在锻造过程中合理地分配金属，使金属在终锻时完全达到形状要求且 不出现缺陷，往往在终锻前进行一次或多次预锻，即预成形，而预锻模及预成 形形状与终锻件形状直接对应，它直接限制金属的流动情况，从而直接影响成 形件的最终形状和微观组织性能。因而，预成形设计便成为控制产品质量、实 现锻造生产要求的必需且非常重要的方面。 现代设计在很大程度上依赖于所用的设计方法和分析工具。由于缺少系统 化的分析规律，传统的锻造过程设计往往依赖一些成熟的经验和直觉作为设计 的准则，如在难充满的部分增大模腔斜度，增大圆角半径等。在经过一次次试 模、修正和改进后，才确定正确的工艺参数这种常规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。这种缺乏科学性的经验方法，因其周期长， 成本高、精度低，已不再适应现代锻造生产的发展要求 随着计算机软硬件技术的迅猛发展，尤其是计算机技术、图形学同塑性力 学、塑性成形工艺学的交叉与结合，开创了金属塑性成形工艺及模具 c a d c a e c a m 的新领域。以有限元为代表的数值模拟方法已广泛应用于各 种金属成形问题的求解分析中。运用刚塑性、刚粘性有限元法可以实时跟踪描 述金属的流动行为，模拟成形过程，揭示金属的真实流动规律，研究各种因素 对金属变形行为的作用与影响，并给出变形体在成形过程中各种力学场量的分 布。因而用数值模拟方法对锻造过程进行优化设计不仅是可能的。而且是必要 的，具有理论上和实践上的双重价值。 1 2 锻造过程数值模拟研究现状 随着计算机软硬件技术的发展和金属塑性流动理论的成熟，使得锻造过程 的计算机数值模拟得以实现。利用数值模拟方法，可方便地确定塑性成形过程 各个阶段所需的变形功和载荷，获得工件的内部应力、应变、温度分布和金属 流动规律，获得模具的应力、应变、温度分布，预测工件的成形状况、残余应 力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布，为锻造过程优化设计提供了强有力的工具。 将数值模拟方法运用于锻造过程，主要有正向模拟技术( f o r w a r d s i m u l a t i o n ) 和反向模拟技术( b a c k w a r do rr e v e r s es i m u l a t i o n ) 。正向模拟是 从坯料开始，模拟工件在模具作用下的整个成形过程，已获得工件的变形情况 和各种场变量的分布。反向模拟是从具有假定的应变分布和速度分布的终锻件 开始，反向跟踪达到给定工件形状和应变分布所经历的变形路径，以确定预成 形形状和初始坯料，故这种模拟方法又称为反向跟踪( b a c k w a r dt r a c k i n g ) 反向模拟过程中，上下模彼此逐步分离，材料随之逐步脱离模腔，回缩为一定 形状的中间毛坯或原始坯料 1 2 1 反向模拟技术 反向模拟是从具有假定的应变分布和速度分布的终锻件开始，反向跟踪到 给定工件形状和应变分布所经历的变形路径，以确定预成形件形状和初始坯 2 料，故这种模拟方式又称为反向跟踪。 反向模拟技术中广泛使用的方法是有限元法和上限元法。反向模拟技术在 金属成形的预成形设计中得到了广泛的应用。p a r k 【t 将其用于壳体缩口的预成 形设计，k a n g 2 一j 用刚塑性有限元反向模拟法对一净形壳体缩口零件和挤压进 行了预成形设计，赵国群牛棚用刚塑性有限元法对涡轮机转子圆盘、截面为“h ” 形的锻件等轴对称锻件的锻造过程进行反向模拟和预成形设计，并对其结果进 行了正向模拟验证。 反向模拟本身不是一种结果唯一的技术，由于变形过程和顺序的多样性， 根据边界条件的不同选择可以得到不同的预成形形状。因此，边界条件的处理 就成为反向模拟技术中的关键问题。目前二维问题的边界还没有通用的准则， 对于三维问题，处理节点脱模的准则问题更为复杂。因此，如何解决好节点的 边界条件问题是决定反向模拟技术未来应用的关键所在。 1 2 2 正向模拟技术 正向模拟是从坯料开始，模拟工件在模具作用下的整个成形过程，以获得 工件的变形状况和各种场量分布。 正向模拟中广泛使用的是有限元法。d u g g i r a l a l 7 用刚塑性有限元程序 a l p i d 模拟了各种锻造过程以确定一种闭式模锻工艺来获得无缺陷圆环齿轮 锻件；k i m s l 用有限元法对应变硬化材料及非应变硬化材料h 形截面锻件三种 几何形状进行了无飞边锻造预成形设计，以获得不同截面高宽比( 8 8 ) 零件所 需的预成形工序数和预成形形状：m a m a l i s 9 1 用显式有限元程序d y n a 3 d 模拟 了两个轴对称预成形( 锥形壳体和斜齿轮) 的高温锻造过程，并考虑了温度的影 响；k a n g 0 1 将翼形截面桨叶作为二维平面应变问题，采用有限元的正向加载 方法，由模拟结果提出了此类锻件较为理想的预成形设计方法。 但以上方法均可归结为利用数值模拟技术进行设计结果验证的试错法。其 基本思路仍与传统的试错法思路一样，只不过所用的验证手段不同，对不合理 设计的修改方案还是需要由设计者根据模拟结果和对影响模拟结果的因素的 经验提出，设计过程的自动化问题还有待于进一步提高。 近年来，随着市场竞争日益激烈，产品的成本和质量成为决定各生产企业 命运的关键在锻造行业，在努力降低设计与制造成本的同时，提高锻件的性 能和质量已成为大势所趋。因而必须对成形工艺进行设计以获得少无飞边高性 能的锻件。同时，优化过程应实现自动化，从而提高设计效率，减少设计过程 的盲目性。于是，人们开始研究可实现预成形优化设计的方法。并取得了显著 进展。 1 2 3 预成形优化设计方法 ( 1 ) 基于灵敏度分析的正向模拟优化法 基于灵敏度分析的优化方法属于梯度型优化方法。这种方法首先是确定目 标函数和设计变量，然后找出目标函数和设计变量之间的函数关系，推导目标 函数对设计变量的灵敏度方程，根据设计变量的现有值求解出这些灵敏度信 息，再利用有效的优化方法确定设计变量的最优搜索方向，得到更优的设计变 量，再求解灵敏度信息，如此反复，直至优化迭代收敛为止。 b a d r i n a r a y a n a n 和z a b a r a s 1 2 1 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镦粗的 预成形优化设计，设计目标是消除侧面鼓形这种方法的设计目标是预成形件 的形状而不是预成形模形状，预成形模形状则需根据设计出的预成形件形状进 行设计。但该方法设计出的预成形件形状通常不易成形，如圆柱体镦粗过程， 为了消除锻件的侧面鼓形，设计出的预成形件侧面呈凹形，增加了预成形模设 计和生产的难度。f o u r m e n t 吼1 4 1 等也提出了一种用于预成形及预锻模形状优 化设计的方法。目标函数为理想锻件形状和实际锻件形状距离预成形件和预 锻模形状用b 样条曲线拟合，设计变量为b 样条曲线控制点的法向距离。并 对一次锻造毛坯形状和二次锻造预成形形状进行了优化设计。赵国群慨1 q 等 采用实际终锻件形状与理想终锻件形状之差为目标函数。预成形模具形状用b 样条曲线表示。优化目标是减小实际终锻件形状与理想终锻件形状之间的差 异。该方法直接对预成形模形状进行设计，而预成形件形状则根据预成形模的 形状进行设计，设计出的模具形状光滑，易于加工，适合于材料塑性成形生产。 用这种方法分别对圆柱坯镦粗无侧面鼓形、轴对称锻件h 形截面高宽比 h b = 1 0 2 0 的两类锻件进行了无飞边预成形优化设计基于此方法，软件可 自动进行灵敏度分析，优化过程也可自动进行，故可实现锻造过程预成形设计 的自动化。 ， 4 基于灵敏度分析的正向模拟优化法在实用中仍存在一些问题值得研究： 1 ) 金属塑性成形过程的灵敏度信息的等式推导比较复杂。由于金属成形过 程是材料分布和塑性变形能量分布的耦合形式，各种目标函数与设计交量之间 的函数关系较复杂，因此目标函数和设计变量之间的灵敏度信息的推导也具有 一定的复杂性 2 ) 虽然节点坐标对设计变量和节点速度对设计变量的灵敏度是通用的，但 目标函数对设计变量的灵敏度是针对待定的目标函数相特定的设计变量推导 得出，并固化在优化程序中因此，如要改变目标函数和设计变量，由目标函 数对设计变量的灵敏度到节点坐标对设计变量或节点速度对设计变量的灵敏 度之间的转换关系就需要重新推导，并重新编制优化程序所以，可将常用的 灵敏度信息固化在优化程度中，根据不同的目标函数调用不同的灵敏度信息。 这部分工作还有待于完善。 ( 2 ) 直接微分法 这是一种基于求导技术的方法。在该方法中通过求解由有限元等式的摄动 产生的微分形式的矩阵方程来得到状态变量对设计变量的微分。然后这些微分 的值被用来计算当前的设计准则基于其上的设计灵敏度。k u s a k t h o m p s o n 1 7 1 把这种技术应用于稳态成形的模具形状的优化设计。c h u n g 和h w a n g 1s 】采用 该方法提出了一种用于非等温、非稳态成形过程的工艺优化设计方法。该方法 可以处理多目标函数的问题给出了控制工件变形的均匀性、温度分布的均匀 性和控制工件轮廓与预定直线偏移量的目标函数，并分别针对壳缩口工艺、c 截面的无飞边平面锻造和一个由两个开式锻造进行预锻的圆盘热成形工艺进 行了净成形优化设计、均匀变形优化设计和均匀温度的优化设计，得到了较满 意的结果，但优化迭代的次数较多，一般在2 0 次以上，说明直接微分法的收敛 速度不够理想，这将在一定程度上限制它在预成形设计上的发展。 ( 3 ) 拟合优化法 一 k u s i a k t l 9 】提出的拟合优化方法思想来源于外推法。这种方法用简单的函数 来近似逼近目标函数和设计变量之间的函数关系，通过求解这个简单函数的极 值点来推测真实函数的极值点 拟合优化法属于非梯度型直接优化法，它不需要求灵敏度信息，而只需要 根据目标函数值确定优化方向。k u s i a k 用这种方法对轴对称闭模锻的预成形 进行优化设计，设计目标是使锻件中奥氏体颗粒分布尽量一致。模具形状用三 次多项式表示。设计变量为三次多项式的系数。这种方法的优点在于不需要触 及有限元程序代码。只要有数值模拟软件，就可以进行优化设计。但对设计变量 个数有一定的限制。当设计变量个数大于3 时，有可能会使拟合过程失效。 ( 4 ) 微观遗传算法 遗传算法是一种模拟生命进化机制的搜索和优化算法，它利用“优胜劣汰” 的生命机制进行优选，是一种直接优化法1 2 0 - 2 2 1 。主要用于自动控制、机器人 学、神经网络中，与其他算法相比，遗传算法具有全局优化和稳含并行性的优 点，尤其适用于设计灵敏度可能是不连续的或者目标函数具有多个极值点，设 计迭代只依赖于目标函数的情况。 根据遗传算法的群体规模，遗传算法又分为简单遗传算法和微观遗传算 法。简单遗传算法的群体规模一般为3 0 2 0 0 ，且规模越大越有利于防止过早 收敛问题的出现，但由于金属成形问题是一个几何非线性和物理非线性耦合的 复杂过程，此过程模拟比较费时，而遗传算法必须通过数值模拟来获得目标函 数。r o y l 2 3 l 等对一种汽车零件的预成形工步的模具形状进行了优化，计算耗时 较大。因此，简单遗传算法不适应于分析金属成形过程，而微观遗传算法可克 服此弊端，群体规模可少至6 ，且具有自适应性，效率更高。 上海交大的罗仁平1 2 4 2 6 采用微观遗传算法进行了预成形优化设计，通过 对微观遗传算法实际编程和验证，对其进行了改进：采用多点杂交技术提高基 因块结合的多样性；根据染色体的编码距离配对，引入远源杂交原理，以加快 收敛速度，并避免了近亲杂交引起的早熟现象的出现；提出了一种适应值转换 函数，解决了适应值问题在此基础上，对平面应变方坯镦粗和轴对称h 形 截面零件的锻造进行了预成形优化设计，并以连杆闭式模锻为例对三维问题进 行了预成形设计，取得了良好的效果。 罗佑新【2 7 1 采用改进的g a 算法，分别以弹簧体积最小、重量最轻，弹簧 体积与簧丝体积加权最小为目标函数，以弹簧的直径与簧丝的直径为设计变 量，并以某内燃机气门弹簧设计为例，进行了优化设计，发现弹簧的重量减轻 了5 7 1 ，说明g a 算法是一种实用而有效的算法。 6 ( 5 ) 预成形设计的其他方法 1 ) 一致变换方法及理论流动模型 这两种方法是l a n k a ( 2 3 l 提出的。一致变换方法的基本思想为：根据体积不 变假设，将金属成形过程作为纯几何变换过程，即在约束条件限制下，按照形状 变换规则，将终锻件逐步变换成形为较为简单的预成形。变换过程使用三种不 同的投影方法本方法在实际应用中存在下列问题：在预成形的初始状态，锻 造方向、分模线应预先确定；变换过程仅考虑单方向金属流动，不能用于锻造 方向和分模线需变换的多工序锻造中；仅基于形状变化，不能考虑不同材料因 流动行为不同而发生的变动，即不能考虑材料行为。 理论流动模型基于理想材料概念。对于一般材料，其本构关系可用幂强化 形式表示： 仃= c f m 一般材料，m = o 1 。m = o 为理想塑性材料，m = l 为牛顿流体。此处指定牛 顿流体为“理想材料”，而真实材料m = o 2 o 5 。理想材料流动方法这一概念 为：若真实材料可允许像理想材料一样变形，无缺陷锻造这一目标可以实现得 最好。将用理想流动形式获得的中间形状作为预成形，对真实材料进行锻造， 可使真实材料达到近似理想的流动状态。 l a n k a 在文献中提出了划分工序准则，认为合理的锻造工艺应为材料分布 最优，并使产品无缺陷。并定义应力比参数g ( 平均应力和等效应力之比) ，认 为若g o ，可能出现的拉伸机会最大在实际分析过程中，通过对设计模拟结 果的分析，比较g 值和应变梯度，可确定锻造工序，这种方法的实用性还有待 于进一步探讨 2 ) 神经网络形状内插值法 此方法是一种基于设计实例预成形设计方法【2 9 1 ，它利用零件所属零件族 的已有的预成形设计事例，通过对零件族中已有零件的预成形设计进行内插值 得到此零件的预成形形状。利用这种技术，可以将由经验设计、数值模拟设计、 物理模拟设计等方式得到的预成形设计结果储存在零件族的预成形形状库中， 作为已有的设计知识，内插值可用神经网络算法实现。此方法将减少f e m 分 析设计和物理模拟设计的时间消耗。此方法实现预成形设计的主要问题在于零 7 件和预成形的形状表示及神经网络的训练。 3 ) 改进的约束变尺度法 约束变尺度法是从牛顿法求解的最优性条件出发，提出的一种很有效的方 法。聂绍珉3 0 1 等为解决海森矩阵非正定问题，引入了修正的变尺度法，并引入 了不精确一维搜索的策略。在此基础上，用三次样条函数描述模具和工件的形 状，以工件变形的均匀性为目标函数，控制凹形坯料镦租后母线的直线度为约 束条件，对侧面凹形坯料轴对称镦粗进行了优化设计，优化得到的工件内部等 效应变分布有较大改善 1 3 微观组织模拟与优化现状 随着全球经济竞争的日趋激烈，低成本、高质量和高效率成为制造性企业 在竞争中取胜的关键因素，也因而成为制造性企业追求的目标。这就要求在实 际锻造生产的工艺设计时，不仅要满足外在尺寸的要求，更要追求产品的内在 质量。一般来说，提高产品机械性能的方法主要有开发新型的产品材料、改进 现有的后处理工艺及控制产品的微观组织结构等。目前，国内外学者们侧重于 研究产品内部微观组织的变化过程和力学性能的预测与控制。在热塑性成形 中，材料微观组织的演变如动态再结晶、静态再结晶及晶粒长大等主要依赖于 材料热力学成形工艺参数如材料组分及工艺条件等，这就使得通过控制这些影 响因素而预测和改进微观组织结构成为可能。 最初提出对材料微观组织进行控制的是轧钢领域研究的学者们。s e l l a r 和 、地i t e m a n 【3 1 1 首先提出了碳钢热轧过程中的微观结构演变模型。y a d a 和 s e n u m a 3 2 i 提出了一种经验公式分析含m n 量小于l 的碳钢的微观组织演变。 x u 和g a o 3 3 1 分析了碳钢环形坯料轧制过程中的静态再结晶。j a n g l 3 4 l 等采用 y a d a 的经验公式分析了碳钢的微观组织演变过程并通过热镦粗实验对分析结 果进行了验证。s h i v p u r i 和p a u s k a r p s i 通过实验提出了一种统计模型来预测热 锻合金钢的微观组织和机械性能。但是这些研究仅局限于在给定的工