（材料加工工程专业论文）基于代理模型的锻造模具结构智能优化研究.pdf

中文摘要 摘要 锻造是金属塑性加工中常用的加工方法，由于材料经过锻造加工之后具有各 项优良的机械性能，所以广泛应用于各种机械产品的加工。锻造模具是锻造生产 中的主要装备，其设计和制造的质量以及使用寿命决定了锻件的质量和成本。对 锻件质量的控制，主要是要对锻造模具进行控制。 影响锻造工艺及锻件质量的因素可归纳为模具结构形状设计、模具材料、模 具加工、锻件复杂程度、设备性能等因素。由于在金属塑性变形过程中材料的流 动主要受模具形状的影响及控制，因此，合理选择与设计模具结构的形状参数就 显得尤为重要。 随着数值模拟仿真技术日益成熟，基于模拟的设计方法在塑性成形工程中得 到了广泛应用。这种设计方法是应用有限元技术对金属塑性成形过程中的应力应 变进行计算，在后处理结果中直观地分析成形过程中金属的流动规律以及设计变 量对成形过程的影响，判断是否会产生成形缺陷，预测成形载荷，然后对工艺参 数和模具形状的进行修改。 为了提高锻造模具的设计效率、降低制造成本和提高产品质量，有必要对锻 造工艺及其模具结构中影响锻件质量的各项工艺参数进行优化。目前，基于有限 元分析的优化设计方法在锻造成形工艺及其模具设计中的已成为一种趋势。 作为基于有限元分析的优化方法之一，基于目标函数值的拟合优化方法因其 通用性好而最具推广价值。基于目标函数值的拟合优化方法，其特点是优化与有 限元程序分离，通用性强。可直接利用现有的商用有限元分析软件，充分发挥其 强大的有限元计算功能。基于目标函数值的拟合优化方法，其实质是代理模型方 法，即用拟合的方法建立近似模型，通过近似模型逼近目标函数和设计变量之间 的函数关系，然后求解这个近似模型的极值点来逼近真实的极值点。 基于目标函数值的拟合优化方法中，关键是要通过定的拟合方法，建立起 能够正确反映设计变量与目标函数之间关系的近似模型。 为了能够正确地反映设计变量各个参数的重要性，必须采用合理的试验设计 方法获得所需的样本点。得到足够的样本点后，通过一定的机理模型，采用数值 模拟程序进行求解，获得所关心的目标函数值。然后选择合适的近似模型构建方 法进行拟合。最后，对得到的近似模型进行优化分析( 低维的采用常规线性规划 或非线性规划，高维的采用智能优化算法) 。 由于金属塑性成形问题的多因素高维非线性无法用常规优化迭代方法寻优， 而智能优化方法可以不用求导数，且全局探索能力强，非常适用于塑性成形问题 重庆大学博士学位论文 的优化。另外，充分考虑到g r i g i n g 模型适于对高维非线性问题进行插值拟合的特 点。本文将k r i g i n g 模型与遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，g a ) 相耦合，提出 g r i g i n g g a 优化策略，用于锻造模具结构参数的优化设计。k r i g i n g - g a 优化策略 由三部分组成：近似模型的构建；多目标问题的变换；遗传算法寻优。i 蹦g i n g 模 型的构建与遗传算法寻优通过在m a t l a b 下编程进行耦合。 与遗传算法比较而言，粒子群算法容易实现，并且由于其不需要遗传交叉、 变异等操作，使之需要调整的参数较少。另外，粒子群算法具有收敛速度快的优 点。本文将k r i g i n g 模型与粒子群优化算法( p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ，p s o ) 相耦合，首次提出了g r i g i n g p s o 优化策略，在m a t l a b 下编程实现。 将k r i g i n g g a 优化策略用于汽车法兰盘锻模和汽车曲轴锻模的优化中，与多 项式响应面方法进行了对比。研究结果表明，k r i g i n g g a 优化法较多项式响应面 方法的预测精度高，但收敛慢。在此基础上，将k r i g i n g p s o 优化策略应用于该汽 车曲轴锻模的优化问题作为对比。结果表明，与k r i g i n g g a 法所得优化结果基本 一致，但收敛速度提高数十倍。最后，将k r i g i n g p s o 优化策略应用于射孔弹冷挤 压的预挤压成形和终成形组合凹模的优化设计中，验证了k r i g i n g p s o 优化策略的 有效性。 关键词：锻造，模具结构，优化，遗传算法，粒子群算法 英文摘要 a b s t r a c t f o r g i n gi st h ec o m m o n l yu s e dp r o c e s s i n gm e t h o di nm e t a lp l a s t i cp r o c e s s i n g d u e t ot h em a t e r i a la f t e rf o r g i n gh a v ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s ot h i sm e t h o dw i d e l y a p p l i e di na l lk i n d so fm e c h a n i c a lp r o d u c t sp r o c e s s i n g a sf o 画n gd i ei s t h em a i n e q u i p m e n ti nf o r g i n gp r o d u c t i o n , t h eq u a l i t yo fi t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n ga n d s e r v i c el i f ed e t e r m i n e st h eq u a l i t ya n dc o s to ff o r g i n g s t h eq u a l i t yo ff o r g i n g sm a i n l y d e p e n d so nt h eq u a l i t yo ff o r g i n gd i e t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ff o r g i n gp r o c e s sa n df o r g i n g sq u a l i t yc a nb es u m m a r i z e da s t h em o l ds t r u c t u r ea n ds h a p ed e s i g n , m o u l dm a t e r i a l ，m o u l dp r o c e s s i n g ，f o r g i n g s c o m p l e x i t y , e q u i p m e n tp e r f o r m a n c e ，a n do t h e rf a c t o r s t h em a t e r i a lf l o wd u r i n gm e t a l p l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s sm a i n l yi si n f l u e n c e da n dc o n t r o l l e db yt h em o l ds h a p e ， t h e r e f o r e ，r e a s o n a b l es e l e c t i o na n dd e s i g no ft h em o l ds t r u c t u r es h a p ep a r a m e t e r sa r e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t w i n lt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t e c h n o l o g y h a sb e c o m e m o r e m a t u r e ， s i m u l a t i o n - b a s e dd e s i g nm e t h o di np l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d t h i sd e s i g na p p r o a c hi st oc a l c u l a t es t r e s sa n ds t r a i ni nt h em e t a lf o r m i n gp r o c e s su s i n g f i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y , a n dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h ed e f e c t sw o u l dh a v ef o r m e da n d t op r e d i c tf o r m i n gl o a d ，a n dt h e nm o d i f yt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm o l ds h a p e s t h r o u g ha ni n t u i t i v ea n a l y s i so fm e t a lf o r m i n gp r o c e s sf l o wp a t t e r na n dd e s i g nv a r i a b l e s o nt h ei m p a c to ff o r m i n gp r o c e s si np o s t - p r o c e s s i n gr e s u l t s i no r d e rt oi m p r o v et h ef o r g i n gd i ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e d u c em a n u f a c t u r i n g c o s t sa n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y , i ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h ef o 哂n gp r o c e s s p a r a m e t e r si nf o r g 堍p r o c e s sa n dd i es t r u c t u r et h a ta f f e c tt h eq u a l i t yo f t h ef o r g i n g s a t p r e s e n t ，t h eo p t i m u md e s i g nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nf o r g i n gp r o c e s s a n di t sd i ed e s i g nh a sb e c o m eat r e n d a so n eo ft h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h ef i t t i n g o p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e d0 nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u ei st h em e t h o dt oh e p o p u l a r i z e dc u r r e n t l y b e c a u s eo fi t s g o o dg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c s t h ef i t t i n g o p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u e ，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db y s e p a r a t i o no fo p t i m i z a t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n dv e r s a t i l i t y , c a nb ed i r e c t l y u s et h ee x i s t i n gc o m m e r c i a lf e m s o f t w a r e ，g i v ef u l lp l a yt oi t sp o w e r f u lf i n i t ee l e m e n t f u n c t i o n s t h ef i t t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u ei s m 重庆大学博十学位论文 e s s e n t i a l l ya g e n tm o d e lm e t h o d t h i sm e t h o di st oe s t a b l i s ha p p r o x i m a t em o d e lb y f i t t i n ga n dt oa p p r o x i m a t et h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e no b j e c t i v ef u n c t i o na n d v a r i a b l e sa n dt h e ns o l v i n gt h i sa p p r o x i m a t em o d e lt oa p p r o x i m a t et h et r u ee x t r e m e p o i n t t h ek e yi nt h ef i t t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u e i st oe s t a b l i s ht h ea p p r o x i m a t em o d e lw h i c hc a nc o r r e c t l yr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h ed e s i g nv a r i a b l e sa n dt a r g e tf u n c t i o n i no r d e rt oc o r r e c t l yr e f l e c tt h ei m p o r t a n c eo fe a c hp a r a m e t e rd e s i g nv a r i a b l e s ，t h e r e a s o n a b l ee x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o dm u s tb ea d o p tt oo b t a i nt h en e c e s s a r ys a m p l e p o i n t s a f t e rg e te n o u g hs a m p l ep o i n t ，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u ec a nb eo b t a i n e d u s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a mf o rs o l v i n gt h r o u g ha c e r t a i nm e c h a n i s mm o d e l t h e ns e l e c tt h ea p p r o p r i a t em e t h o dt ob u i l da p p r o x i m a t em o d e l s f i n a l l y , t h e a p p r o x i m a t em o d e l sw e r eo p t i m i z e da n a l y s i s c o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o ni t e r a t i v em e t h o dc a nn o tb eu s e di nt h em e t a lf o r m i n g o p t i m i z a t i o np r o b l e m s b e c a u s em u l t i - f a c t o r 、h i g h - d i m e n s i o n a la n dn o n - l i n e a r i n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o di s i d e a l f o ro p t i m i z a t i o no fm e t a lf o r m i n gp r o b l e m s b e c a u s ei tc a nn o tc a l c u l a t ed e r i v a t i v ea n dt h eg o o dg l o b a le x p l o r a t i o na b i l i t y i n a d d i t i o n , t h ek r i g i n gm o d e li ss u i t a b l ef o rh i g h - d i m e n s i o n a ln o n l i n e a ri n t e r p o l a t i o n p r o b l e m s t h i sp a p e r , t h ek r i g i n gm o d e lc o u p l e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m si sp r o p o s e d k r i g i n g g ao p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sf o rf o r g i n gd i es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fo p t i m a l d e s i g n i nt h i sp a p e r , k r i g i n g - g ao p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sf o ro p t i m a ld e s i g no ff o r g i n g d i es t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ep r o p o s e db yt h eg d g m gm o d e la n dg e n e t i ca l g o r i t h m s c o u p l e d k r i g i n g - g ao p t i m i z a t i o ns t r a t e g yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：b u i l d i n ga p p r o x i m a t e m o d e l ；t h et r a n s f o r m a t i o no ft h em u l t i - o b j e c t i v ep r o b l e m ；g e n e t i ca l g o r i t h m o p t i m i z a t i o n k f i g i n gm o d e lc o n s t r u c t i o na n dg e n e t i ca l g o r i t h r no p t i m i z a t i o np r o g r a m c a r r i e do u tb yc o u p l i n gu s i n gm a t l a b c o m p a r i s o nw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m s ，p a r t i c l es w a r ma l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g e s o fe a s yt or e a l i z ea n df a s tc o n v e r g e n c ea n df e wp a r a m e t e r sn e e dt ob ea d j u s t e db e c a u s e i td o e sn o tn e e dg e n e t i cc r o s s o v e ra n dm u t a t i o no p e r a t i o n t h i sa r t i c l ef i r s tp r o p o s e k r i g i n g - p s oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yc o u p l e dw i t hk r i g i n gm o d e la n dt h ep a r t i c l es w a r m a l g o r i t h m sa n da c h i e v eu n d e rm a t l a bp r o g r a m m i n g t h ek r i g i n g - g as t r a t e g ya n dp o l y n o m i a lr e s p o n s es u r f a c em e t h o dw e r ec o m p a r e d w i t ha p p l i e di no p t i m i z a t i o nf o ra u t o m o t i v ef l a n g ef o r g i n gd i ea n dc r a n k s h a f tf o r g i n g d i e t h er e s u l t ss h o wt h a t , k d g i n g - g am e t h o dh a sm o r ea c c u r a c yb u ts l o w i v 英文摘要 c o n v e r g e n c et h a nt h ep o l y n o m i a lr e s p o n s es u r f a g em e t h o d s o nt h i sb a s i s ，t h e 1 ( j d g i n g p s oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sa p p l i e dt ot h ec r a n k s h a f tf o r g 吨d i ea sa c o n t r a s t t ot h eo p t i m i z a t i o np r o b l e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tr e s u l t so b t a i n e dw i t ht h e k r i g i n g g aa n d 丽t l lt h ek r i g i n g p s oh a db a s i c a l l yt h es a n l e ，b u tt h em i 西n g - p s o c o n v e r g e n c es p e e df a s ts e v e r a ld o z e nt i m e s f i n a l l y , t h er d i g i n g p s oo p t i m i z a t i o n s t r a t e g yu s e di nc o l de x t r u s i o no fp r e p e r f o r a t e as h e l l sa n de n d - - f o r m i n gc o m b i n a t i o no f e x t r u s i o nd i co ft h eo p t i m a ld e s i g nt ov e r i f yt h er o g i n g p s oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yi s e f f e c t i v e k e y w o r d s ：f o r g i n g ，d i es t r u c t u r e ，o p t i m i z a t i o n , g e n e t i ca l g o r i t h m s ，p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n v 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的- j 塾士学位论文基王垡理蘧型丝丝送缝掏蟹篚选丝硒童是 我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作 导师签名： 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以下简称“章 程”) ，愿意将本人的j 曼_ 士学位论文基岱理蘧型鲍鱼蘧结构蟹丝选丝班宜提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中 全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可 以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库， 在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规 定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文，可以公开论文的全部或部 作者签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书刀，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 说明：本声明及授权书坐逝装订在提交的学位论文最后一页。 1 绪论 1绪论 1 1 研究意义 锻造工艺是金属塑性加工中常用的加工方法，由于材料经过锻造加工之后具 有各项优良的机械性能，所以广泛应用于各种机械上。由锻造制造而成的零件与 其他机械加工比较而言，其晶粒组织更细密且内部缺陷较少，同时，更节省材料。 另外由于晶粒连续流动而形成纤维化组织，使得材料的强度、抗冲击性和耐疲劳 强度得到大大地加强。而针对形状复杂的零件，采用模锻加工比机械加工更节省 成本，更适合大批量生产。 2 0 世纪9 0 年代以来，由于中国汽车工业的快速发展，汽车零部件市场的需求 使锻造技术得到了更广泛地应用。中国加入w t o 以后，在全球化的趋势下，同行 业间由于不同国家和地区的原材料、人工与土地等成本差异，导致竞争更加激烈。 因此，如何通过技术手段降低生产成本和提高锻件质量，成为工业化国家锻造业 共同的努力方向。 锻造模具是锻造生产中的主要装备，其设计和制造的质量以及使用寿命决定 了锻件的质量和成本。模具发生失效后的修补和重新试模调试会浪费宝贵的生产 时间，增加产品的制造成本。更会延误生产速度，甚至造成设备及人员的损伤。 因此，对锻件质量的控制，主要是要对锻造模具进行控制。 影响锻造工艺及锻件质量的因素可归纳为模具结构形状设计、模具材料、模 具加工、锻件复杂程度、设备性能等因素。由于在金属塑性变形过程中材料的流 动主要受模具形状的影响及控制，因此，合理选择与设计模具结构的形状参数就 显得尤为重要。 锻模的传统设计过程是：首先由设计人员针对具体锻件，根据以往经验和设 计手册进行工艺分析，设计制造出模具后进行试模，然后按照经验修改模具相关 参数，不断重复反复修改，直至得到合格的锻件。该方法依赖于工程师的经验， 修模量大，设计和试模周期长，最终得到的满足工程实际需要的模具设计方案通 常不是最优的。这种基于经验的传统设计方法往往会造成设计失败，浪费人力物 力和时间。 随着数值模拟仿真技术日益成熟，基于模拟的设计方法在塑性成形工程中得 到了广泛应用。这种设计方法是应用有限元技术对金属塑性成形过程中的应力应 变进行计算，在后处理结果中可以直观地看到成形过程中金属流动的规律以及设 计变量对成形过程的影响。设计人员可以在计算机上观察成形的过程，判断是否 会产生成形缺陷，预测成形载荷，然后对工艺参数和模具形状的进行修改。 重庆大学博士学位论文 基于模拟的设计方法类似于以二维的计算机绘图代替手工绘图( 即电子图 板) ，只不过是以虚拟试模代替传统的真实试模，其实质仍然是传统的“试错法打 ( t r i a la n de r r o r ) 。在经过反复试模、修改后，才确定正确的工艺参数。 上述两类方法在参数较少且设计人员经验丰富的情况下可以起到一定的作 用，但是参数较多的情况下，且需要考虑多项性能指标的时候，这种方法便显现 出其局限性。因以经验为主导，所以缺乏科学性，具有很大的盲目性和试探性， 严重地浪费时间，无法保证设计方案的最优，产品质量得不到保证。 针对上述问题，近年来，研究者在塑性成形的问题上采用基于最优化技术的 设计方法，取得了成功。基于最优化技术的设计方法以定量化、系统化和模型化 为特征，注重运用各种数学模型和手段来解决问题。其基本思路是用试验设计方 法获取设计参数的样本，通过数值模拟仿真获得样本所对应的响应，然后建立近 似模型作为真实问题的替代模型，最后基于近似模型进行优化得到最佳设计方案。 该方法作为定量的设计方法，科学地提炼工程问题中的数量化规律，为设计者提 供有依据的最优方案。 1 2 金属塑性成形研究及优化现状 1 2 1 塑性有限元法 进入2 1 世纪以来，得益于计算机软硬件技术的飞速发展，塑性成形中的力学 问题及其数值求解方法与计算机紧密结合，使数值模拟技术成功应用于金属塑性 成形问题的分析中。主要的数值模拟方法有主应力法、滑移线场、极限法、有限 元法等，其中有限元法的应用最为广泛。有限元法最早于2 0 世纪7 0 年代开始应 用于金属塑性加工问题的分析。近年来，塑性有限元法已成为塑性成形问题中最 强有力的分析工具。 针对金属塑性成形问题的有限元模拟仿真，目前已形成一批成熟的商业软件， 如用于体积成形的d e f o r m 2 d 3 d 、q f o r m 2 d 3 d 、s u p e r f o r g e 和用于板料成形的 d y n a f o r m 、a u t o f o r m 、p a m s t a m p 等。 金属塑性成形有限元方法可分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和刚粘塑 性有限元法等几类。弹塑性有限元采用增量加载，每一增量步都判断单元是否己 进入屈服。如果每次加载同时进入屈服的单元数目过多，会使得解的收敛困难， 故每次计算时的增量步长不能取得太大，因此导致弹塑性有限元的计算效率较低。 刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法，将弹性变形忽略不计，采用l e v y m i s e s 方 程作为本构方程，避开几何非线性问题。与弹塑性有限元法相比，可采用比较大 的增量步长，因此计算时间大为缩短、计算效率得到显著提高。 l e e 和k o b a y a s h i i l j 于1 9 7 3 年首次提出了刚塑性有限元，该方法通过l a g r a n g e 2 1绪论 乘子技术施加体积不变条件，用小变形的计算方法来处理大变形问题，因此计算 模型较简单。1 9 7 5 年，z i e l l l ( i e 诮c z i z i 等提出了采用罚函数法的体积不可压缩条件 的刚塑性有限元法。1 9 8 2 年，m o r i 和o s a k a d a l 3 i 提出了刚塑性可压缩材料的有限 元法。同时，o h 4 1 针对任意形状的模具边界条件提出了解决方法，进一步完善了 刚塑性有限元法，并与其他学者一起开发了二维刚塑性l l i l 粘塑性有限元程序。p a r k 和k o b a y a s h i i s l 以立方体坯料为研究对象，进行了三维镦粗成形的模拟研究，分析 了摩擦条件的影响。d u g g i r a l a l 6 l 以圆环齿轮锻件为研究对象，采用刚塑性有限元程 序进行模拟分析，最终成功设计出满足要求的模具。k i m l t l 用有限元法对h 型截面 锻件成功进行了无飞边的预成形工艺设计。ff e r e s h t e h s a i l i e e 瞪i 用二维有限元程序 对轴对称件锻造过程进行了模拟。t o m o v l 9 - 加i 运用刚粘塑性有限元对热模锻及其飞 边形式的影响进行了研究。e r v a s t i 和s t a h l b e r g l l l l 针对汽车前轴的锻造过程进行了 有限元模拟，并进行了实验验证。s o n g 和i m f l 2 l 针对锥齿轮的锻造过程进行了有 限元模拟和实验验证。 国内研究者于2 0 世纪9 0 年代也相继开展了锻造成形有限元模拟仿真的研究。 赵国群i 协1 5 i 以链轨节为对象，采用刚塑性有限元方法，进行了多工位连续锻造成 形的模拟研究，最终确定了坯料的初始位置，设计出了合理的模具，能够减少终 锻时飞边所消耗的材料，提高了材料的利用率。陈军【l 7 l 应用三维刚塑性刚粘塑 性有限元模拟系统，对圆饼类锻件进行了镦粗预成形工艺的模拟分析。王广春i l s - 2 2 1 采用三维刚塑性有限元，对环形件的摆动辗压变形进行了模拟分析。赵新海等i d ! 针对管接头的复合成形用刚塑性有限元对该工艺的成形过程进行了模拟分析，总 结了该工艺的优点，分析了该工艺的模具结构及材料变形。刘郁丽和杨合1 2 4 - 2 7 1 等 在解决三维有限元模拟关键技术问题的基础上，自行开发了面向叶片精锻过程的 三维刚粘塑性有限元模拟分析系统3 d p f s 。并采用该系统对不同预成形毛坯在不 同摩擦条件下材料充填模腔的过程进行了模拟分析，获得了叶片精锻过程中摩擦 对预成形毛坯在模具中放置位置的影响规律。物理实验结果的很好地吻合了数值 模拟结果，证明了3 d p f s 系统的可靠性，胡亚民等困i 对摩托车带爪齿轮坯温成形 的精锻工艺进行了数值模拟分析。 1 2 2 有限体积法 如前所述，有限元法是基于l a g r a n g e 的方法，而锻造过程由于材料产生塑性 大变形，因此在模拟中有限元网格需要不断重新划分。多次的网格再划分不仅影 响计算精度，对于一些畸变严重的网格甚至会导致重新划分失败。 为避免模拟过程中不断地出现网格再划分的问题，采用有限体积法( f i n i t e v o l u m em e t h o d ，f v m ) 是一条有效的途径。有限体积法是将材料的流动空间划分 为e u l e r 坐标系上的网格，变形过程中材料流过时，这些网格在空间上保持固定不 3 重庆大学博+ 学位论文 动并且形状也不发生变化。材料仅仅只是在e u l e r 网格中流动，其质量、动量和能 量也同时从一个单元流到下一个单元。因此，材料流动过程要同时满足质量、动 量和能量的守恒并且满足材料本构方程、状态方程和热平衡方程等。联立这些方 程求解可解出有限体积内变形体的各种物理场量。 针对金属体积成形问题开发的基于有限体积法的商用软件中，应用广泛的是 美国m s c s u p e r f o r g e 。b h a v i nvm e h t a 等人i 针对工字型截面形状的挤压件采用 m s c s u p e r f o r g e 进行模拟仿真，分析了不同模具形状对成形的影响。结果表明， m s c s u p e r f o r g e 基于有限体积法所得到的分析结果与实际非常接近，计算所需时 间仅为有限元类软件所需计算时间的一半。同时，有限体积法避免了剧烈塑性变 形所需的网格重划分而计算不下去的问题。 b k l e e 等人l 删采用m s c s u p e r f o r g e 对挤压工艺进行了验证。s h k i m 等 人1 3 l i 以薄壁矩形铝挤压件为对象，基于有限体积法，采用m s c s u p e r f o r g e 进行了 摩擦对反挤压工艺的影响研究分析。结果表明，摩擦对该挤压件最终形状有重要 影响。该模拟分析得到了实验的验证。 周飞等p 2 1 在塑性成形理论和有限体积法的基础上，导出了基于有限体积法的 金属塑性成形的质量、动量和能量控制方程，并给出了求解金属塑性变形过程中 的速度场、温度场、应力应变场等物理量的方法，从理论上将有限体积法成功应 用于金属塑性成形问题上。随后周飞等田l 运用有限体积法对铝型材的挤压成形过 程进行了模拟仿真，对挤压成形过程中金属的流动进行了详细的分析，得到了成 形过程中载荷一行程曲线，并分析了成形过程中各个阶段的应变场、温度场等物 理量。 苏丹等1 3 4 1 对金属锻造过程中三维有限体积法进行了研究，对边界跟踪、摩擦 力边界的旌加等关键技术提出了处理方法，并运用研究所得方法成功地分析了连 杆的预锻和终锻过程。 吴向红，赵国群等人l y s l 对a a l l 0 0 铝材的挤压过程采用有限体积法进行了数 值模拟分析，分析了模具锥角对挤压过程中温度变化、挤压力和应力应变分布的 影响，得到了不同工艺参数和模具几何参数对成形过程的作用规律。 林高用等人嘶l 对5 0 8 3 铝合金法兰盘的锻造成形过程采用有限体积法进行了模 拟分析，比较了不同坯料形状对速度场、流动状态和应力应变场的影响，根据分 析结果，增加坯料管壁外锥度和圆角半径，避免了锻件开裂和折叠等缺陷，成功 地设计出了锻模。 1 2 3 体积成形优化现状 国外较早对金属体积成形问题采用定量优化方法进行工艺及模具的优化分 析。rs z y n d l e r 和b 证1 k i e 、) i ，i c z l 3 7 l 对开式模锻拔长工艺进行了优化设计。他们以 4 1 绪论 数值分析和实验结果为基础，对各种形状模具工艺参数间的关系进行了定义并作 为优化目标函数。最终开发了开式模锻拔长工艺的优化程序。 s r o y 等i 弼i 对多工步金属塑性成形的工艺参数进行了优化设计的研究。分别 以多道次线材冷拉拔、多道次管材冷拉拔和汽车轴承外圈冷锻预成形为研究对象， 以模具形状、断面收缩率和成形所需道次数为设计变量，运用自适应微观遗传算 法进行优化。最终减少了成形所需道次，提高了产品质量。 c f c a s t r o 等人1 3 9 1 采用遗传算法对圆柱体镦粗进行优化。通过遗传算法确定 出了合理的预成形形状，从而避免圆柱体镦粗时侧面产生鼓形，实现了近净成形。 赵国群等i 帅i 利用灵敏度分析方法进行了预成形设计。采用三次b 样条曲线来 表示预成形模具形状，同时将该b 样条曲线方程的系数或控制点作为设计变量。 最终锻件的实际形状和理想形状之间不可避免存在差异，优化目标即为减小这些 差异的区域。推导了目标函数相对于设计变量的灵敏度，将灵敏度信息耦合到模 拟程序中，即可实现不需要人机交互而自动进行的锻造预成形优化设计。最后以h 型截面形状的锻件验证了该方法。文献 4 1 】针对圆盘形锻件，采用灵敏度分析方法 对预锻模具的形状进行了优化设计。结果表明，优化后的模具能够保证所得到的 圆盘形锻件侧面不产生鼓形。 赵新海i 铊i 等采用有限元灵敏度分析，对锻造预成形进行了锻件形状和变形均 匀性的多目标优化设计研究，其目标函数分别为锻件形状子目标函数和变形均匀 性子目标函数，并进行了目标函数对设计变量的灵敏度分析。最后以h 形轴对称 件进行了预成形优化设计验证。 王广春等1 叫将遗传算法运用到典型圆柱体镦粗工艺优化中，建立了以晶粒的 均匀性与细小化为目标的目标函数式，并且结合刚塑性有限元与遗传算法，开发 了微观组织模拟优化程序。结果表明该方法能够对锻造过程的工艺参数等进行优 化，从而达到优化微观组织的目的。 汤禹成等i 将神经网络方法引入预锻模具的优化设计中。以预锻模具形状为 变量，以锻件填充饱满程度为响应，运用神经网络方法构建响应面，得到设计变 量与优化目标的对应关系，然后采用粒子群算法进行寻优得到最优解。最后以轴 对称锻造问题进行了验证。 倪红梅等1 4 s l 以裙座锻件为研究对象，利用正交试验进行抽样，用有限元方法 计算得到样本点所对应的响应，然后构建神经网络模型，最后应用遗传算法对该 模型进行全局寻优得到最优解。 1 3 智能优化方法发展历史 传统的优化方法主要有线性规划( 例如单纯形法) 和非线性规划( 例如梯度 5 重庆大学博七学位论文 法) 。这类传统的优化算法首先选择一个初始解，然后进行反复迭代运算。每一步 都判断是否满足停止准则，即最优条件，如果不满足则向改进方向移动。最终搜 索到优化解。 传统优化方法有着不可克服的局限性。例如其停止迭代的条件是梯度为零， 当目标函数不是凸函数时，梯度为零时所得到的只是局部最优解而不能保证是全 局最优。另外，传统优化方法的搜索方向要求每一次迭代都使目标函数值始终朝 同一方向变化( 增大或者减小) ，因此如果搜索到局部最优值后，算法就无法再跳 出该区域，从而无法达到其它区域的更好的解。缺乏全局搜索能力是传统优化方 法最大的缺点。 针对传统优化方法的不足，随着计算机技术的不断发展，提出了许多新的优 化算法