（材料加工工程专业论文）方管铝型材挤压过程智能化设计系统的研究.pdf

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核心，而更多的是通过思考、推理和判断来解决。因此基于“数据+ 算法+ 绘图 的传统c a d 技术，已不适应铝型材设计与开发的需要。 为了提高铝型材制造业对今后市场变化和小批量、多品种产品要求的迅速响 应能力，铝型材挤压模具设计应向集成化、智能化、自动化方向发展，向模型化、 最优化、柔性化为特征的工程科学阶段( 集成化阶段) 过渡，逐渐形成面向c i m s 的、可对设计全过程提供一体化的计算机支持的智能设计系统。 本课题就是采用v b 语言编程，运用数值分析技术( 有限元法) 、参数化设计 技术、神经网络技术等对方管铝型材挤压模具进行强度校核、实时计算、模具优 化以及模具自动绘图，以期探索出一条铝型材挤压过程的智能化设计思路，为实 际工业生产提供一种新的设计方法。 本课题主要做了以下几方面研究： ( 1 ) 把弹性有限元方法应用于方管铝型材挤压模具的强度分析中。即用弹性有 限元法计算出模具内部各点的等效应力、等效应变等力能参数，根据其分 布规律，找出模具的应力集中点，进而对模具强度进行分析。 ( 2 ) 用a p d l 语言对型材挤压模具进行参数化设计。即采用a n s y s 参数化编 程语言a p d l 对方管铝型材挤压模具进行了三维参数化建模。 ( 3 ) 用有限元法对铝型材挤压模具的温度场进行了计算。用有限元法计算了模 具的温度分布，这为研究模具在不同温度条件下的应力状态做好了准备。 ( 4 ) 用b p 神经网络与遗传算法相结合优化模具。采用b p 神经网络与遗传算 法相结合，能够对模具进行实时计算，并优化出模具结构设计参数。 ( 5 ) 完成模具自动绘图。利用a u t o c a d 提供的v i s u a ll i s p 开发环境，采用优 化后的模具结构设计参数，完成模具上模、下模以及装配图的绘制。 北京交通大学硕士学位论文 关键词：型材挤压模具；智能设计；有限元法；参数化设计；二次开发 分类号：t p 3 9 1 9 也0j a bs t r a c t a b s t r a c t ：n o w a d a y s ，a l u m i n u me x t r u s i o np r o d u c t i o ni ss t i l l s t a y i n g i na n e x p e r i e n c ed e s i g ns t a g e t h em o u l df o r m i n gt e c h n o l o g ya n de x t r u s i o nd i ed e s i g na r e c a r r i e do nb yt h ee x p e r i e n c eo ft h ed e s i g n e ra n dc o n s t a n t l yd e s i g n b yt r i a l i nf a c t ，t h e a l u m i n u me x t r u s i o np r o d u c t i o ni s ac o m p l e x ，d i s c r e t es y s t e m ，w i t hf u z z i n e s s ，a n d s t o c h a s t i cc h a r a c t e r i s t i c s p r o f i l ee x t r u s i o nd i ed e s i g ni sa l s oa c o m p l e x c o m p r e h e n s i v e a n a l y s i s ，a n dr e p e a t e dp r o c e s s m a n yt h i n g si nag o o d d e s i g na r eo fn o n d a t a c o m p u t a t i o n , a n dh a v en o tam a t h e m a t i c sf o r m u l a t i o nt or e l yo n ，a n dn e e dm o r e t h i n k i n g , r e a s o n i n ga n dj u d g i n ga r en e e d e d t h e r e f o r e ，b a s e do nt h e ”d a t a + a l g o r i t h m s + m a p p i n g ”o ft h et r a d i t i o n a lc a dt e c h n o l o g y , i ti sn ol o n g e rs u i t e dt ot h en e e d so f a l u m i n u md e s i g na n dd e v e l o p m e n t i no r d e rt oi m p r o v et h ep r o f i l eo ff u t u r em a r k e tc h a n g e s ，t h em a n u f a c t u r i n gs e c t o r a n ds m a l l 。v o l u m e ，m u l t i s p e c i e sp r o d u c tr e q u i r e m e n t so f t h er a p i dr e s p o n s ec a p a b i l i t y , a l u m i n u me x t r u s i o nd i ed e s i g ns h o u l db e i n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n t ，a u t o m a t e dd i r e c t i o n ；t o t h em o d e l i n g ，o p t i m i z a t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l e x i b l ee n g i n e e r i n gp h a s e ( i n t e g r a t i o n p h a s e ) t r a n s i t i o n , a n dt h ee x t r u s i o nd i e sd e s i g ni sg r a d u a l l yb e c o m i n gac i m s o r i e n t e d i n t e l l i g e n td e s i g nw h i c hc a np r o v i d et h ea l ld e s i g np r o c e s sw i t hc o m p l e t ec o m p u t e r s s u p p o r t i nt h i sp a p e r , m a n ym e t h o d sa r eu s e dt ov e r i f yt h em o u l d s t r e n g t h ，t oc a l c u l a t ei n r e a l - t i m e ，t oo p t i m i z et h em o u l ds t r u c t u r e ，a n dt op l o tt h em o u l ds t r u c t u r ea u t o m a t i c a l l y , s u c ha sv i s u a lb a s i cl a n g u a g ep r o g r a m m i n g ，t h eu s eo fn u m e r i c a lt e c l u l i q u e s ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) ，a n dp a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g nt e c h n o l o g y s o t h a t ，ai n t e l l i g e n c ed e s i g n m e t h o di na l u m i n u me x t r u s i o np r o d u c t i o nc a nb ef o u n d ，a n dan e w d e s i g nm e t h o di n t e a li n d u s t r yc a l lb ee s t a b l i s h e d t h ef o l l o w i n ga s p e c t sa r es t u d i e di nt h i sp a p e r ： ( 1 ) t h ee l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o dw a sa p p l i e dt ot h ep r o d u c t i o no ft u b e a l u m i n u me x t r u s i o nd i es t r e n g t h a n a l y s i s e l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o da r e u s e dt oc a l c u l a t et h ep o i n to fi n t e r n a lm o u l do ft h ee q u i v a l e n ts t r e s s ，e q u i v a l e n t s t r a i n ，s u c ha sf o r c ea n de n e r g yp a r a m e t e r sa n dt h e i rd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt o t h i s ，t h es t r e s sc o n c e n t r a t i o no ft h em o u l dc a nb ef o u n d ( 2 ) p a r a m e t e r i z a t i o nd e s i g nt ot h ep r o f i l ee x t r u s i o nd i eb a s e do na p d l l a n g u a g e t h et u b ea l u m i n u me x t r u s i o nd i ec a nb ep a r a m e t r i cb ya p d l l a n g u a g ew h i c h v l l 北京交通人学硕士学位论文 l sp r o v i d e db ya n s y s ( 3 ) t h et e m p e r a t u r ef i e l do fa l u m i n u me x t r u s i o nd i ew a sc a l c u l a t e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h ed i s t i l b u t i o no ft e m p e r a t u r ew a sc o m p u t e dw i t hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h et r a n s f o r m a t i o no fs t r e s ss t a t ea td i f f e r e n tt e m p e r a t u r e s w a ss t u d i e da c c o r d i n gt ot h i s ( 4 ) t h em o u l dw a so p t i m i z e db yt h ec o m b i n a t i o no fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h m w i t ht h ec o m b i n a t i o no fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h m ，t h em o u l dw a sc a l c u l a t e di nr e a l t i m e ，a n dt h es t r u c t u r e p a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ( 5 ) v i s u a l “s pl a n g u a g ew a su s e dt ot h em o u l dd r a w i n g a c c o r d i n gt ot h e o p t i m i z a t i o np a r a m e t e r s ，t h em o u l dd r a w i n gw a sc o m p l e t e db yv i s u a ll i s p l a n g u a g ew h i c hi sp r o v i d e db ya u t o c a d k e y w o r d s ：p r o f i l ee x t r u s i o nd i e s ；i n t e l l i g e n td e s i g n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； p a r a m e t r i cd e s i g n ；r e d e v e l o p m e n t c l a s s n 0 ：t p 3 9 1 9 v i i l p ；kij 目录 目录 中文摘要v a b s t r a c t v i i 1 绪论1 1 1 本课题研究背景1 1 2 工模具在铝型材挤压中的重要地位及发展概况。3 1 2 1 工模具在铝型材挤压生产中的重要地位3 1 2 2 铝型材挤压工模具的发展概况5 1 3 本课题研究意义5 1 4 本课题主要研究内容。6 2 铝型材挤压过程智能化设计关键技术9 2 1 有限元数值分析技术9 2 1 1 有限元法的基本理论9 2 1 2 温度场数值模拟的基本理论1 8 2 2a n s y s 二次开发技术简介2 1 2 2 1a p d l 语言介绍21 2 2 2a p d l 语言特点2 2 2 3v i s u a lb a s i c 程序设计语言2 3 2 3 1v i s u a lb a s i c 的特点2 3 2 3 2v i s u a lb a s i c 界面设计方法2 3 2 3 3v i s u a lb a s i c 调用外部程序方法2 5 2 4 铝型材挤压模具结构优化设计概述2 6 2 4 1 优化算法简介2 7 2 4 2b p 神经网络算法2 8 2 4 3 遗传算法特征及功能。2 8 2 5 本章小结3 0 3 铝型材挤压模具的有限元分析31 3 1 铝型材挤压模具结构分析简介31 3 1 1 平面分流组合模的工作原理和特点3 1 3 1 2 平面分流组合模结构3 2 3 2 挤压模具的强度分析3 2 3 2 1 材料的选择3 3 北京交通大学硕士学位论文 3 2 2 模型建立及离散化过程3 3 3 2 3 加载及求解3 6 3 2 4 后处理3 7 3 3 挤压过程中的温度场分析3 8 3 4 本章小结4 0 4 铝型材挤压模具智能系统的设计4 l 4 1 参数化设计系统的基本特征4 l 4 2 铝型材挤压模具结构的参数化程序设计4 1 4 3 自动绘图程序及简单说明4 4 4 4 图形方式用户界面的设计4 4 4 4 1 4 4 2 4 4 3 4 4 4 有限元软件主菜单窗口设计一4 5 基材前处理子窗口设计。4 5 建立模型子窗口设计4 7 强度分析子窗口。4 8 4 4 5 温度场分析子窗口_ 4 9 4 4 6 模具结构优化子窗口设计5 0 4 4 7 自动绘图窗口一5 2 4 4 8 型材后处理窗口5 4 4 5 本智能系统在实际挤压生产中的应用5 4 4 5 1 生产厂家及挤压零件。5 4 4 5 2 实验验证过程简介5 5 4 5 3 实验结果及分析5 7 4 5 4 本章小结5 8 5 结论5 9 参考文献6 1 作者简历一6 5 独创性声明6 7 学位论文数据集6 9 绪论 1 1 本课题研究背景 1 绪论 进入2 0 世纪9 0 年代以来，可持续发展问题受到普遍重视，各个领域对于节 能、轻量化的要求越来越高。铝合金由于具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、耐 磨损、抗冲击良好、加工性能好、易于回收等特点，是现代化追求的、最有希望 的金属材料【l 】。所以铝合金的得到引起了广大工程设计者的强烈关注，而铝合金大 部分是通过挤压加工得到的【2 】。 挤压加工是一种少、无切削加工工艺，它具有高产、优质、低消耗的优点。 目前已成为一种重要的加工手段，普及于各个工业部门。铝合金挤压，是指讲铝 合金置于专用模具内，在挤压机提供的强大压力作用在下，按一定的速度，将铝 合金从模腔中挤出，从而获得所需形状、尺寸以及具有一定力学性能的铝合金挤 压型材。铝合金挤压成形过程非常复杂，因此，挤压模具的设计制作质量和其使 用寿命就成了挤压过程是否经济可行的关键之一。合理的设计与制造能大大延长 模具寿命，对于提高生产效率、降低成本和能耗，保证产品形状、尺寸和精度， 保证产品内外表面质量均具有重要意义【3 】。 本课题是对铝型材挤压过程智能化设计系统进行研究，而智能设计是决策水 平的设计自动化，是设计知识的处理自动化，它是通过人机智能化设计系统的发 展，数值计算科学的成熟，各种c a d c a i v l c a e 软件普遍集成了有限元的思想， 基本实现设计、分析、制造一条龙的机械产品辅助设计制造体裂4 1 。尤其是对铝型 材挤压模具强度分析，对铝型材挤压模具的温度场计算更显示出其优势。 对铝型材的挤压过程进行数值模拟可以预测实际挤压过程中可能出现的缺 陷，及早优化模具结构设计、调整挤出工艺参数和有针对性的指明技术解决方案。 以有限元分析为代表的数值模拟方法主要用于挤压模具的强度分析及温度场的分 析。国内外研究者们对此已做了许多工作。韩国的h y u nw o o s h i n 等，在1 9 9 3 年 对非轴对称挤压过程进行有限元分析，利用二维刚塑性有限元方法并结合厚板理 论将三维问题进行简化，对整个挤压过程进行了不失准确的数值模拟，同时也减 少了其计算型5 1 。刘汉武等利用a n s y s 软件对分流组合模挤压型材进行了有限元 分析和计算，找出了原模具设计中不易发现的结构缺陷【6 】。周飞等采用三维刚粘塑 性的有限元方法，对典型铝型材非等温成型过程进行了数值模拟分析，分析了铝 型材挤压的三个不同成形阶段，给出了成形中各阶段的应力、应变和温度场分布 北京交通大学硕士学位论文 情况以及整个成形过程中模具载荷随成形时间的变化情况【_ 7 1 。对于压力场，闫洪等 在2 0 0 0 年利用a n s y s 软件作为平台，对薄壁板型材挤压过程进行了三维有限元 模拟和分析，获得了型材挤压过程的位移场、应变场、应力场。对实际型材挤压 中工艺参数选择和模具结构尺寸的修正起到了重要的指导作用【8 】。上述研究者所做 的工作说明，数值模拟技术正在成为铝型材挤压模具设计优化的重要手段之一。 随着计算机软硬件技术的飞速发展，计算力学在近几十年中得到了迅速的发 展，并取得了可喜的成就，产生了广泛而深远的影响。计算力学是力学、计算数 学和计算机科学相互交叉、相互渗透的产物。它根据力学中的原理，利用计算机 和各种数值方法，来解决各种实际力学问题，计算力学横贯于力学的各个分支， 不断扩大各个领域中力学的研究和应用范围，同时也在逐渐发展自己的理论和方 法【9 1 。 在基于力学变分原理的有限元理论中，人们建立了统一的模型化、离散化、 数值求解及编程实现的方法，可以用来求解不同形状、不同类型、不同边界条件 以及不同载荷下的物体的力学分析问题，因此广泛应用于工程结构的分析与设计。 与其他方法不同，在应用有限元方法分析挤压工艺和模具问题时运用了能量 守恒定律，在给定的挤压边界条件下，通过变分原理来求解。其优点在于不必预 先对材料内部的应力应变分布作任何假设；在实际使用中不受工件几何形状影响 而可广泛应用于种种边界问题；对各种物理量一次计算即可全部求出，只要给出 真实的边界条件，就可以得到比较准确的应力应变分析，可考虑热变形等的影响 等，因此说，该方法是模拟变形过程的最有效方法之一，方法是先进的，设计也 是可行的【1 0 l 。 解决工程结构的设计与分析问题，其模型涉及诸多的物理参数，必须有现场 的实测资料，试验的验证与经验的积累，以往，工程上常采用对模型进行试验的 方法，但对于复杂的模型，费用较为昂贵，模型试验结果也很难直接应用于实物。 随着计算机科学、人工智能等技术的发展，对复杂力学行为的计算机模拟将是最 经济的方法。另一方面，对于像金属的塑性变形、模具的开裂这样一些复杂的力 学行为，试图一次建立一个完全准确的物理模型来描述是非常困难的，可以将计 算机结果与设备的局部实测结果对照，获得更为准确的数据以改进模型，调整物 理参数】。为此，必须建立快速且实时的力学计算方法。 随着电子计算机技术的发展，计算机将应用到模具生产的各个领域，其中包 括模具的设计、制造、检测、使用、检修和管理等各方面，据初步测算，1 9 9 0 年 后，工业发达国家将有6 0 以上的模具由计算机自动绘图和由c n c 机床自动加工 制造。 计算机工作依赖于数学模型，但在很多情况下，客观对象( 系统和过程) 难 2 绪论 以以完全数学模型准确表达，人们在现实生活中更多的要用到推理型工作方式( 建 立数学模型就是一例) 。而且问题求解一般是从定性到定量展开的，定性阶段的符 号推理工作往往更为至关重要。因此利用计算机来模拟人的这种符号推理的智能 就成为历史的必然，人工智能的产生可以说是在人们的希冀和预料之中。 智能计算是决策水平的设计自动化，是设计知识的处理自动化，它是通过人 机智能化设计系统来具体实现【1 2 1 ，这些就构成了智能设计研究的主要内容和基本 问题。 从知识处理技术角度说，智能设计要研究设计知识的获取、组织、表达、集 成和使用。而从人机智能化设计系统的开发和建立的角度来说，智能设计主要应 当包括两大任务：( 1 ) 建立设计知识模型( 建模) ；( 2 ) 开发计算机软件系统以处理 和使用这一模型。 为了实现上述任务，即由计算机智能系统在更高水平上承担现实世界中提出 并正在运行的任务，则要经过建模阶段。设计知识模型的建立是在逻辑世界完成 的，它要将现实世界提供的设计知识进行概括、组织和再组织，以便使设计知识 成为计算机世界赖以工作的基础和内掣1 3 】。 ” 由于挤压成形的复杂性，采用传统的塑性加工理论分析法或经验计算法来研 究应力、应变分布规律，是难以反映客观实际和指导生产的。在以往的模具设计 上，基本上凭经验或直接试模，设计周期长，物力浪费严型1 4 1 。 为此，本课题对挤压生产过程，并针对国内挤压模具设计中存在的问题和薄 弱环节，采用有限元方法进行力能分析，再结合参数化绘图等技术对型材挤压模矗 具进行定量计算和数值模拟分析，以保证型材产品质量，加速型材产品的更新换 代速度，缩短型材产品的上市周期，进而寻找出关于型材挤压过程的一种新的且 实用的理论分析方法和工程设计方法智能设计方法，提高我国型材挤压模具 的设计水平，缩短与发达国家之间的差距甚至是超越。 1 2 工模具在铝型材挤压中的重要地位及发展概况 1 2 1工模具在铝型材挤压生产中的重要地位 在金属压力加工中，决定某一挤压方法是否可行，主要取决于下列三个方面， 即产品质量、生产效率和工模具寿命，而工模具往往是工艺决策的关键因素。因 此，挤压用工模具的发展实际上伴随着挤压技术的发展而发展1 5 】。 挤压工具可分为大型基本工具和模具。大型基本工具包括挤压筒、挤压轴、 针支承、支承环、压型嘴和模架等。模具包括模子、穿孔针等直接参与金属变形 3 北京交通大学硕士学位论文 且消耗比较大的工具，模具是最重要的挤压工具。在现代化的大生产中，工具和 模具对实现整个挤压过程有着十分重要的意义。模具寿命是评价某一挤压方法经 济可行的决定因素，工模具的设计与制造质量是实现挤压生产顺利进行的最重要 的保证之一【l6 。 ( 1 ) 合理的工模具结构是实现任何一种挤压工艺过程的基础。因为它是使金属 产生挤压变形和传递挤压力的关键部件。在挤压过程中，依靠挤压轴输出 压力，由挤压筒盛容铸锭并使之在强烈的三向压应力作用下产生变形，模 具是使金属最后完成塑性变形获得所需形状的工具。在目前的生产条件 下，还不能想象无挤压筒，无模具的挤压工艺。 ( 2 ) 模具是保证产品形状、尺寸和精度的基本工具。只有结构合理、精度和硬 度合格的模具( 包括针尖或模芯) ，才能实现产品的成形并具有精确的内 外廓形状和断面尺寸。同时，合理的模具和工具( 包括模垫、支承环和导 套等) 设计能保证产品具有最小的翘曲和扭曲，最小的纵向弯曲和横向波 浪度。 ( 3 ) 工具和模具是保证产品内外表面质量最重要的因素之一。模具本身的表面 光洁度、表面硬度对产品的内外表面光洁度有着决定性的影响，只有通过 精磨抛光和氮化处理或表面硬化处理的模具才能挤出光亮表面的挤压制 品。过渡圆滑、表面光洁的模具和工具能保持挤压产品的光洁表面，使之 经过表面处理后可获得色调美观、厚度均匀、附着牢固的表面氧化膜。 ( 4 ) 合理的工模具结构、形状和尺寸，在一定程度上可控制产品的内部组织和 力学性能，特别是在控制空心制品的焊缝组织与力学性能方面，分流孔的 大小和形状以及其分布位置，焊合腔的形状和尺寸，模芯的结构等起着决 定性的作用。 ( 5 ) 挤压筒、挤压轴、挤压垫片和模子的结构形状与尺寸对挤压时金属的流动 景象、挤压速度和挤压力等都有很大的影响，合理的设计与制造模具，对 于提高生产效率、提高产品的质量、减少能耗等有着十分重要的意义。 ( 6 ) 合理的工模具设计对提高其装卸与更换速度，减少辅助时间，改善劳动条 件和保证生产安全等方面有着十分重要的意义。 ( 7 ) 新型的工模具结构，对于发展新品种、新工艺，不断提高挤压技术水平起 着很大的作用。如舌形模、平面分流组合模的出现，使空心制品的挤压进 入了一个崭新的阶段。 ( 8 ) 合理的工模具设计与制造能大大提高工模具的使用寿命，这对于降低产品 成本有着十分重要的意义。 ( 9 ) 对于中等批量的铝挤压产品，工模具的成品占挤压总成本的3 0 以上。如 4 绪论 将其使用寿命提高5 1 0 倍，则产品的成本可大幅度下降【1 6 】。 1 2 2 铝型材挤压工模具的发展概况 随着挤压铝型材向大型化、复杂化、精密化、多规格、多品种、多用途方面 发展，对挤压工模具提出了越来越高的要求。 在挤压技术发展的初期，一般根据机械设计的原理，用普通的古典强度理论 结合设计者的实践经验来设计棒材、管材和普通实心型材模子。随着弹性理论和 挤压基础理论的发展，许多新的理论与试验方法以用于挤压工模具的设计和计算。 近年来，有限元法，以及计算机虚拟设计和热挤压模拟法等发展很快，并取得良 好成果【1 5 】。 我国对铝型材挤压工模具的c a d c a m 技术方面应用软件采用模块化结构、 具有图形输入、二维变换对模具进行优化设计，型材截面几何性质计算、分流孔 个数、形状尺寸及布置的设计，分流桥、模芯及焊合腔的尺寸确定，模具强度校 核，剖面图和上下模视图的绘制，图形剪裁，模垫设计等功能模块。能完成平面 模和组合模设计的全过程，显著提高了复杂模具的设计效率和质量，操作简单， 运行可靠，达到了国外同类系统的先进水平。此外，所开发的c a d 还包括模具温 度场计算，热疲劳和应力分布的分析功能。 二维模具的c a d 系统已有一定的模具设计软件和单元图像图形软件，但有待 进一步开发。而三维模具的c a d 系统由于设计软件难度大，三维单元图形软件也 比较复杂，尚不能满足实际设计技术得要求。因此，进一步发展软件，提高设计 的自动化程度仍是今后发展的主攻方向【1 6 】。 1 3 本课题研究意义 本课题是方管铝型材挤压过程智能化设计系统的研究，在近几年来，挤压模 具c a d 系统已引起设计人员的高度重视，人们作了大量的研究工作。但以往的研 究工作中，大多数是针对某一特定的成形件进行的，研制与开发结构较为复杂的 型材挤压模具c a d 系统的很少，仅有的正在使用的型材挤压模具的优化设计c a d 软件，除利用计算机计算几何参数外，大多数是采用模具设计者的经验与经验公 式。如美国的a l e x t r 系统，英国的b x f 系统等都没有实现推理能力，即智能行 为。而c a d 技术的发展趋势是在开放式、分布式网络化基础上向 c a d c a e c a p p c a m 集成化、智能化方向发展，向实现计算机集成制造系统c i m s 和并行工程方向发展，真正做到计算机参与方案决策、结构设计、性能分析、图 5 北京交通大学硕士学位论文 形处理等设计全过程。这种设计技术成为c a d 系统的先进设计技术智能c a d 设计【1 7 1 。 实现铝型材挤压过程智能化设计系统的意义概括如下： ( 1 ) 能更加精确地估算挤压的过程； ( 2 ) 提高挤压的生产率、缩短交货期； ( 3 ) 提高模具设计水平以及缩短生产周期； ( 4 ) 减少试模次数和修模次数，减少非生产时间，提高挤压机利用率，进而提 高生产效率； ( 5 ) 减轻劳动强度、节省劳动力、减少对高级技工的依靠程度； ( 6 ) 提高模具和产品质量； ( 7 ) 降低对设备和模座的要求； ( 8 ) 可不断改进模具技术和加工工艺。 一 应该指出，智能设计从单一的设计型专家系统发展到现在的人机智能化设计 系统是历史的必然，它顺应了市场对制造业的柔性、多样化、低成本、高质量和 迅速响应能力的要求。它是面向集成的决策自动化，是高级的设计自动化。但这 种决策自动化不会完全排斥人类专家的作用。随着知识自动化处理技术的发展， 计算机可以越来越多地承担以往人类专家所担负的大量决策工作，但不会完全取 代人类专家作为最有创造性的知识源的作用。在一个合理的、协调的有机集成的 人机智能化设计系统中，计算机做得好的工作应由计算机做，而且我们要不断提 高机器的智能，使它可以做更多的事。而如果现阶段机器做不到或做不好的事， 则仍由人类专家去做，这样一个系统可以保证设计的高质量和高效率【1 7 】。 1 4 本课题主要研究内容 本课题的研究目标是通过对铝型材挤压模具进行有限元分析、挤压模具优化 以及图形的自动绘制等，以实现型材挤压过程的智能化、自动化和科学化，进而 提高模具的承载能力和使用寿命。具体内容如下： ( 1 ) 用弹性有限元法对型材挤压模具进行应力计算、结构分析； ( 2 ) 对型材挤压模具的温度场进行有限元分析； ( 3 ) 对模具进行优化，选取最优模具结构； ( 4 ) 对型材挤压模具实现参数化设计，包含自动绘图功能和图形方式用户界 面。 需要说明的是，课题中模具的三维参数化实体建模系统是以a n s y s 软件提供 的a p d l 参数化设计语言为开发工具来完成的，该语言可以完成建立模型、加载、 6 绪论 求解及后处理的全过程【l 引。图形用户界面是采用美国微软公司开发的v b ( v i s u a l b a s i c ) 语言来制作的，v b 是一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构 化高级程序设计语营1 9 】，可用于开发w i n d o w s 环境下的各类应用程序，它提供的可 视化设计平台把w i n d o w s 界面设计的复杂性封装起来，开发人员不必为界面的设计 而编写大量的程序代码，只需按设计的要求，用系统提供的工具在屏幕上画出各 种对象即可。模具优化部分采用了b p 神经网络与遗传算法相结合，并用m a t l a b 软 件实现【2 0 】。b p 神经网络，即误差反向传播算法，是一种神经网络学习算法，隶属 于人工神经网络，它通过不断地训练学习过程，一直进行到网络输出的误差减少 到可以接受的程度。遗传算法是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法， 能自动获取和指导优化的搜索空间，自适应的调整搜索方向，不需要确定的规则。 这些算法均通过m a t l a b 软件实现，它包含控制语句、函数、数据结构、输入和输出 以及面向对象编程的特点，用户可在命令窗口将输入语句与执行命令同步，也可 以先编好一个较为复杂的应用程序( m 文件) 后再一起运行【2 1 1 。自动绘图功能是 采用a u t o c a d 自带的v i s u a ll i s p 开发环境，它是a u t o c a d 自带的一个集成的可视化 开发环境，包括编译器、调试器和其他工具，可以提高自定义a u t o c a d 的效率瞄】。 7 铝犁材挤压过程智能化设计关键技术 2 铝型材挤压过程智能化设计关键技术 2 1 有限元数值分析技术 2 1 1有限元法的基本理论 有限元法是求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程问题的一种强有 力的计算工具，它起源于结构分析，但是由于它所依据理论的普遍性，已经被成 功地推广到其它领域之中。到目前为止，已被应用于固体力学、流体力学、热传 导、电磁学、声学等领域。有限元法能成功地解决各种各样的固体力学的问题， 如杆系、板与壳( 包括薄板、厚板、简体、任意壳等) 和大变形问题等等。不论 结构的几何形状和边界条件是多么复杂，不论材料性质和外加荷载如何多变，使 用有限元法处理均可获得较为满意的答案。有限元法解决实际问题的能力超过了 经典方法，并且已经取了公认的成就，因而受到普遍重视。无论是大型飞机、大 型舰船，还是高层建筑、水利大坝，有限元法均可方便地进行结构分析。 有限元法运行步骤主要为： ( 1 ) 剖分单元： 将待解区域进行分割，离散成有限个单元的集合。单元的形状原则上是任意 的，二维问题一般采用三角形单元或矩形单元，三维问题可采用四面体或多面体 等，每个单元的顶点称为节点。 ( 2 ) 单元分析： 进行分片插值，将分割单元中任意点的未知函数用该分割单元中形状函数及 离散网格点上的函数值展开，即建立一个线性插值函数。 ( 3 ) 求解近似变分方程： 用有限个单元将连续体离散化，通过对有限个单元作分片插值求解各种力学、 物理问题的一种数值方法。有限元法把连续体离散成有限个单元：杆系结构的单 元是每一个杆件，连续体的单元是各种形状( 如三角形、四边形、六面体等) 的 单元体。每个单元的场函数是只包含有限个待定节点参量的简单场函数，这些单 元场函数的集合就能近似代表整个连续体的场函数。根据能量方程或加权残量方 程可建立有限个待定参量的代数方程组，求解此离散方程组就得到有限元法的数 值解【2 3 2 4 1 。 本论文所涉及的型材挤压模具强度分析采用的是静力有限元法。其实质是： 9 北京交通大学硕+ 学位论文 先将结构( 连续体) 分割成数目有限的小单元体( 单元) ，这些小单元体彼此间只 在数目有限的指定点( 节点) 上连结。用这些小单元组成的集合体来代替原来的 结构。每个小单元体的力学特性都有与原结构对应于该小单元处的力学特性相同； 再把每个小单元上的实际上的外载荷按静力等效原理分配到单元的结构上，构成 等效节点力，并按结构实际约束情况决定受约束节点的约束。这一步通常称为结 构离散化。其次，对于每个小单元根据分块近似的思想，选择一简单的函数来近 似地表示其位移分量的分布规律，并按弹性力学的变分原理( 虚功原理) 建立起 单元节点力与节点位移之间的单元关系( 单元刚度方程) 。最后，把全部单元的节 点力与节点位移之间的单元关系组合起来，就得到一组以结构节点位移为未知量 的线性方程组，并考虑结构的约束情况，消去节点位移为零的方程，再由最后的 线性代数方程组就可求得结构上有限个离散点的各位移分量。求得了结构上各节 点的位移分量后，即可按单元的几何方程和物理方程求得各单元应变和应力分量。 很多实际工程结构的应力状态属于空间或三维应力问题。，三维等参元应用于 许多空间结构的分析中。如空间8 节点任意六面体等参元、2 0 节点曲面六面体等 参元。空间8 节点任意六面体等参元以其本身特点，而易实现计算机一体化。本 课题所编程序，就是采用空间8 节点任意六面体等参元来解决三维离散构模过程。 下面将介绍有关有限元法分析过程及空间8 节点等参元【2 5 】。 ( 1 ) 有限元法的理论分析过程 有限元法采用位移法，即以节点位移为基本未知量来解决实际工程中的计算 问题。其基本思想是由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。结构离散 化后的位移模式的选择，通常假定单元的位移模式为某一多项式，其项数和阶数 与单元的自由度数和近似解有关。 1 ) 根据已选定的位移模式，可用节点位移插值方法导出单元内一点的位移的 矩阵表达式 扩) = 【( 2 1 )