（材料加工工程专业论文）60at尖轨跟端模锻成型工艺数值分析及优化.pdf

摘要 近年来，我国高速铁路里程快速增加，为满足高速、安全的要求，高速铁路专用的 连接设备已改为高速道岔。a t 尖轨( 矮型特种断面钢轨) 是高速道衍中转辙器最重要的部 分，位于列车行驶的拐角处，此处弯度大，向心力高，而列车行驶速度不能下降，极易 发生脱轨等危险事故。所以a t 尖轨的质量制约着高速列车的安全可靠性及行驶速度， 它是列车通过的咽喉，它的质量直接影响列车通过的速度。 a t 尖轨断面形状高度不对称，加工工艺复杂。本文利用d e f o r m 有限元塑性成形 软件模拟了一次加热模压成形全程自动化操作的新工艺。 在三维绘图软件p r o e 的平台下，设计并绘制a t 尖轨跟端模锻各成形工序的模具 模型。设定模拟参数，对a = r 尖轨跟端成形工艺进行初步模拟，分析工件成形过程中金 属流动，观察工件成形后的形状，修改模具型腔，得到合理的型腔尺寸，同时解决轨腰 长高、短腿增长等关键问题。 在得到合理模具型腔的基础上，再一次模拟了a t 尖轨跟端模锻成型过程，分析了 工件成形过程中金属流动规律，应力、应变分布，温度分布，模具温度分布及其载荷变 化规律：工件在整个变形过程中不出现飞边，变形段轨顶留有少量的加工余量；工件的 应力、应变主要分布在工件变形较大的轨腰与轨底两部分；工件在成形过程中经过与模 具间的热交换及更换模具过程中与环境之间的传热，成形后温度分布较均匀，并满足在 线余温正火的需要；模具的高温部分主要分布在与工件接触的区域，最高温度为4 0 0 。 运用m a t l a b 神经网络工具箱，对a t 尖轨跟端模锻成型工艺参数( 包括工件变形 速度、更换模具的时间间隔、模具预热温度、摩擦系数) 进行优化，对模拟结果( 工件成 形后的温度) 进行寻优预测，并与模拟结果、实际生产结果相对比，对比结果说明优化 后的参数更加符合实际生产的要求。为实际生产提供理论依据及指导。 关键词：a t 尖轨模锻成形数值分析神经网络优化 a b s t r a c t 1 1 1r c c 翎ty c a r si i lo u rc o u l l 乜y ，h i 曲s p e e dr a i l w a ym i l e a g ei n c r e 舔懿r a p i d l y ，a n di t s d e d i c a t e dc o 衄e c t c dd e v i c e sh 鹊b e e i lc h a n g e di n t oh i 曲一s p e e dt u | m o u t ，i no r d e rt 0m e e tt h e r c q u i r 伽e i l t so ft h es p e c da i l ds a f e t y a tr a i l w a y ( s h o r ts p c c i a l s e c t i o nr a i l ) ，船t h em o s t i m p o r t 锄tp a r to fs w i t c l l i n gp o i n ti l l t h eh i 曲- s p e e dt i l m o u t ss y s t 锄，l o c a t 舒a tm ec o m e ro f t l l er a i l s ，w h e r et l l ec u r v a t u r e 觚dc e n t r i p e t a lf o r c ei sv e ：r y1 a 鹅ea n dm e 删n c 觚n o td e c r e a s e s p e e dl e a d i n g t or i s ko fa 晒d e n t ss u c ha sp r o n et od e r a i l m e n t t h e r e f o r e ，t h eq u a l i t yo fa 1 7r a i l w h i c hi sm et i l 】旧a to fm er a i lr e s t r i c t st h es a f i e 吼r c l i a b i l i t y 锄dm es p e e do fn a i n s ，锄da 行c 鹏 m es p e e dd i r e c t l y 1 飞es e c t i o n0 fa tr a i l i sh i g h l y 舔y m m e t r i c ，c a u s i n ga 唧l e xp r o c 骼s t h en e wp c c s s w a ss i m u l a t e di nt 量l i sp a p c rb yu s i n gd e f o r m ，w h o s eo p e r a t i o no ff o m l i n gi sa u t o m a t i c c o r r l p l e t e l yu n d e rh i g ht 锄p e r a t u r e d e s i 印a n dd r a w 血em o l dm o d e lo f “e 巧f b r g i n gp r o c e s si nt l l e 鹏e d i m e n s i o n d r a w i n gs o f t w a r e ( p r o e ) p l a t f o 肌s e tt i l es i m u l a t i o np a r 锄e t e r s 锄ds i m u l a t ep f e l i m i n a r ) r m ef o 画n gp r o c 鼯s ，a 1 1 a l y z em e t a lf l o wo ft h ew o r k p i e c ei nd e f o 舯i n gp r o c e s s ，o b s e et h e s h a p eo ff o m e da tr a i l ，m o d i 母t h em o l dc a v i t ys h a p e ，i l lo r d e rt oo b t a i nr e a s o n a b l ec a v 时 s i z e s i m u l t a l l e o u s l ms o l v ct l l ek e yd e f o 姗a t i o ni s s u e ss u c h 勰h e i 曲t e i l i n go fm er a i l 锄d l e n g t l l e i l i n g0 fs h o n - l e g s i 删1 l a t et h em o l d i n gg o 咖gp r o c e s so fa tr a i la g a i nb a s e do ng a i l l i n gt h er e 嬲o n a b l e c a v i t y a n a l y z em em e t a ln o w i n gl a wi nf o 珊i n gp r o c e s s ，m ed i s 砸b u t i o no fe f i e c t i v es 缸e s s ， e 彘c t i v es 仃a i na i l dt 觚l p e r 咖r eo fw o r k p i e c e ，m dt 锄p e r a t u r ed i s 伍b u t i o no ft h ed i e s 舔w c l l 嬲i t sl o a dc h 锄西n g 仃e i l d t h e r ei sn o tf i na p p e a ri i lt h ew h o l ed e f o m a t i o np r o c e s s ，l e a v i n ga s m a n 锄o u n to ff o m i n gm a 晒no nm et o po fm er a i li i lt l l ed e f o m a t i o np a r t t h ee 仃e c t i v c s 仃韶s 锄de f f e c t i v es 仃a i nm a i l d yd i s t r i b u t ea t 廿l ew a i s t 锄dt h eb o t t o mo fa tr a i lw h e r et l l e d e f 0 咖a t i o ni s l a r g e 乐：i i l p e r a t l l r eu n i f o r md i s t r i b u t e a r c rc o m p l e t e l yf o 晒n g ，t l l o u g h e x c h a l l 百n gh e a tw 油m o l di i lf 0 珊i n gp r o c e s sa i l dw i ms u n o 硼d i n g si i it l l ep r o c e s so f c h a i l 百n gm o l db e 觚e e l lm ef o 哂n gs t 印，a 1 1 dm ef i n a lt 锄p e r 抓鹏m e e t sm en e e do f o n l i n e r e s i d u a lh e a tn 0 加a l i z i n g h i 曲d i et e l l l p e ra _ t u r ed i s t r i b u t ea tt l l es e c t i o n 也a tc o n t a c tw 油 w o r k p i e c ed i r e c t l m 锄dt h em a x i m u mt 锄p e r a t u r ei s4 0 0 o p t i m i z em cp a r 锄e t e r so fm em o l d i n gf o 锄i n gp r o c e s so fa tr a i lu s i n gm a t l a b n e u r a ln e t w o r kt o o l b o x ，t h ep a r 锄e t e 稻i n c l u d ed e f o 姗a t i o nr a t e ，i n t e r v a lt i m ef o rc h a n 百n g m o l d ，p r e h e a t i n gt e i n p e r a t l l r eo fm o l da 1 1 d 伍c t i o nc o e 衔c i e m f o r e c a s tt h eo p t i m i z a t i o nr c s u l t ， t h e 丘n a l t e m p e r a t i 】r eo fw o f k p i e c e ，a n dc o m p a r e t l l et e m p e r a t u r ew i ms i m u l a t i o nt 伽p e r a t u r e a i l da c t u a lp r o d u c t i o nt 锄p 姗e t h ec o m p 删r e s u l ts h o w s l eo p t i m i z e dp r o c e s s p a r a m e t e r sa r em o r ei n l i n ew i t hm ea c t u a lt e i 】= l p e r a _ t l l r e 锄dm e e tt h ea c t u a lr e q u i r e m e n t ， w t l i c hp r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sa i l dg u i d ef o ra c m a lp r o d u c i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：a tt i pr a i l ，f o 哂n g 肋m i n g ，n 啪e r i c a la n a l y s i s ，n e u r a ln 咖o r k ，o p t i m i z a t i o n 第一章绪论 第一章绪论 目前，高速铁路在许多国家得到迅猛发展，成为世界铁路新的潮流，为当今铁路技 术的一项重大成就，是人们出行安全可靠、快速、经济的交通工具。全世界投入运营的 高速铁路已超过l 万千米，这些线路仅占世界铁路总营业罩程的1 5 ，但却担负着各 拥有国较大一部分的铁路客运量。 近年来，我国大力发展铁路事业，高速铁路的罩程快速增加。从2 0 0 3 年l o 月时 速2 0 0 公里秦沈客运专线的开始运营，将我国铁路带上高速化的起点；到京津城际、武 广铁路客运专线、郑西高铁通车运营，再到今年6 月末设计时速3 8 0 的京沪高铁客运 专线的开通，我国的铁路发展已经进入黄金时期。此外，根据调整的中国铁路中长期 发展规划，到2 0 2 0 年，通过新建高速铁路及客运专线、区际快速铁路，并对既有铁路 实施提速改造，形成以“四纵四横”客运专线为主的快速铁路客运网络。其中沪汉蓉通道 全线贯通，形成连接长三角、江汉平原、川渝地区的沿江大能力快速通道；杭甬深通道 贯通，形成连接长三角、海峡西岸和珠三角地区的沿海快速大能力通道；京沪、京广、 哈大、津秦、陇海客运专线建成。环渤海京津冀、长三角、珠三角及其他城镇密集地区 基本形成城际轨道交通主骨架，实现公交化轨道交通运输。 高速铁路装备中起关键作用的是高速道岔，它是高速铁路的一个重要组成部分，是 高速铁路连接的专用设备。目前我国每l o o 公里的高速铁路，就有2 4 组高速道岔，所 占比例较大。所以道贫的技术水平比较集中地反映了一个国家铁路装备的整体水平与铁 路轨道的发展水平u j 。 a t 尖轨( 矮型特种断面钢轨) 位于列车行驶的拐角处，弯度大，向心力高，而列车行驶 到拐角处速度不能下降，极易发生脱轨等危险事故，所以a t 尖轨的质量制约着高速列 车的行驶速度以及安全可靠性，它是列车通过的咽喉，是高速道岔中转辙器最重要的部 分，它的质量直接影响列车通过的速度。但是，a t 尖轨加工工艺比其他高速铁路零件 复杂，加工精度要求高，所以a t 尖轨的技术水平体现了高速铁路的发展水平，是制约 高速铁路发展的瓶颈。 1 16 0 a t 尖轨跟端成形工艺分析 6 0 a t 尖轨跟端成形，以6 0 a t 尖轨为坯料，成形长度为6 0 0 r n m ，包括1 5 0 m m 的过 渡段和4 5 0 m m 的成形段。如图1 1 、图1 2 所示。由于a t 尖轨轨底的不对称性，成形 后的a t 尖轨存在左右两个方向的差别，所以根据需要选择坯料成形段，来满足左右撇 a t 尖轨的需要求。 第一章绪论 次 l1 复 o 陋五 q 。j (冠 o好 1in l 晓 i f ll ，2i 议j 霉1 卫 衾 虿 l 。1 5 0i 图1 16 0 a r 尖轨跟端成形示意图 f i g 1 - ls c h 锄a t i cd i a 舯mo f 6 0 a t 协i lm o l d i n gd e f o m a t i o n 图1 2 跟端模锻成形后的6 0 a t 尖轨实物图 f i g 1 2p h y s i c a lp i c t i l r eo f6 0 a tm i la f i e rf o 唱i n gf o m i n g 从钢轨加工图纸可以算出，标准轨的截面面积比a t 尖轨截面面积要小，所以钢轨 锻造整个趋势是拔长而非镦粗，宏观上金属整体流向为长度方向。6 0 a t 尖轨跟端成形 前后各部分截面面积对比及质量对比【2 1 ，如表1 1 、表1 2 所示。 表1 16 0 a = r 尖轨跟端成形前后各部分截面面积对比 1 a b l e1 - 1t l l e c o n t r 觞to ft h ec r o s s s e c t i o n a la r e ab e 觚e e n 耐g i n a l6 0 a tr a i la l l dm ef 0 i m e d 第一章绪论 表1 26 0 a = r 尖轨跟端成形前后各部分质量对比 1 a b l el - 2t l l ec o n 缸舔to f q u a l 时b e 呻渤谢百n a l6 0 a tr a i l 锄dt h ef o 彻c d a t 尖轨的高度不对称性使其成形难度增加，轨头、轨腰及轨底的中心线两两相互 不重合，变形过程中，容易出现a t 尖轨坯料发生自动扭转或弯曲的现象。同时，由于 a t 尖轨较长，用于模锻成形的模具是开式模具，模具两端开口，增加了a t 尖轨跟端模 锻成形的困难。 1 2 国内外a t 尖轨成形工艺 1 2 1 国外a t 尖轨跟端成形工艺 法国：通过数控机床加工中心按图纸一次定位铣削完成尖轨的加工【3 1 。用1 2 m i n 的时间进行感应加热，经过四个工序的模锻，模压出一根a t 轨【1 1 ，断面有余量，需要 后续机加工，工艺繁琐。 日本：用3 0 0 0 t 水压机滑块模压成形，a t 型尖轨是轴对称的，易成形【3 1 。 1 2 2 国内a t 尖轨跟端成形工艺 挤压+ 模锻工艺：采用2 0 0 0 0 l 油压机，通过3 次加热，预锻( 挤压) 、两次终锻成 形【1 1 。工艺操作过程较多，容易产生加工缺陷和多次加热引起的氧化损伤。 簟位： 图1 3 a t 尖轨预锻、终锻成型图 f i g 1 3p 玎 f 0 r g i n ga n df i n a lf o r g i n go f a ti 面l 3 第一章绪论 无切削全纤维热加工成形工艺：该工艺首先在一套可组合的上下模座内放入腰模、 复式活块和轨底模( 图l - 4 ) 对a t 尖轨进行热挤压；然后取出复式活块，用腰模和轨底模 进行挤压，最后在高压下保压一定时间，最终使a t 尖轨跟端变为普通型钢轨【4 】，如图 1 5 隘馘1粉 l 氐 醛 i 鞘 川 l、 心：、 i， 。 l 导柱导謦头模羼模下横鏖 图l - 46 0 a t 尖轨跟端模锻成型组合模具 f i g 1 _ 4a s s 锄b l e dm o i d i n gd i e sf o r6 0 a td e f o n i l a t i o n 歼坯第一工步开坯第二工步整形工步 图1 5 工件各工步成型状态图 f i g 1 5s t a t eo f m et l l l 优d e f o m a t i o ns t 印so f a tr a i l 1 2 3 一次加热模压成形全程自动化操作的新工艺 一次加热模压成型全程自动化操作的新工艺：采用轨头精锻液压机作为挤压锻造的 动力源，钢轨加热后，放入模具中进行精确锻造，分为三个工位部分来完成压制，其三 个工序功能作用分别为：第一工步预锻使钢轨的轨腰向轨底方向长高且跟端扭转1 ：4 0 角度( 轨头锻造预留l m m 加工余量) ，第二工步压制轨底，第三工步为精锻整形，如图 l 一6 图1 9 所示。在a t 尖轨加工过程中，采用一次加热模压成型全程自动化操作新工 艺，改变传统的预锻，转运，再加热，最后终锻成形工艺和多工位间歇式人工辅助操作 4 第一章绪论 尖轨挤压工艺，更有效地保证钢轨内部无切削、全纤维的特点。 图1 6a t 尖轨跟端模锻成形生产线 f i g 1 - 6p r o d u c t i o n1 i n eo f a tr a i lf o r j 画n g 图l 一7 预锻j ：序 f i g 1 7p r e f b 唱i n gp r o c e s s 图1 8 轨底压制完毕 f i g 1 8t h eb o t t o mf o 略i i l gd e f o 肌a t i o no f a t r a i l 1 3 课题研究的意义和内容 1 3 1 课题研究的意义 图1 9 精锻成形 f i g 1 9p r e c i s i o nf - o 玛i n g 我国高速铁路的发展已经进入黄金时代，列车的高速要求列车轨道的质量，a t 尖 轨是高速铁路装备中的重要部分，a t 尖轨的质量决定了高速列车的安全性。先进的生 产工艺在保证了a t 尖轨质量的同时，提高生产效率，节省了资源与能源。 第一章绪论 近年来，数值模拟技术在金属塑性成形的研究中应用越来越广泛，并提高到了一个 新的阶段【5 1 。通过数值模拟技术，可以了解、分析金属在变形过程中的流动情况，包括 流动规律，应变、应力分布等信息，同时，运用有限元中的热力耦合技术，可以获得金 属热变形过程中热能的传递及工件温度的变化和分布规律，为金属成形后的热处理提供 参考。 利用d e f o i 蝴3 d 对6 0 a t 尖轨跟端模锻一次加热模压成形全程自动化操作的新工 艺( 以下简称“新工艺”) 进行数值模拟化，在计算机上通过虚拟的成形过程，通过分析 并调整工艺参数，避免成形过程中折叠、金属不易充满型腔等现象的出现，获得合理的 工艺参数，为实际生产提供理论指导和理论依据。同时( 1 ) 可以重新设计模具和工艺，减 少所需要的昂贵的车间试验；( 2 ) 改进工具和模具的设计，减少材料和生产的消耗浪费； ( 3 ) 缩短新产品进入市场的时间。 1 3 2 课题研究内容 在p r o e 三维建模软件平台上，利用d e f o l t m 3 d 金属塑性成形软件，设置相关成 形工艺参数，对6 0 a t 尖轨跟端模锻成形过程进行数值模拟。具体内容如下： ( 1 ) 确定影响a t 尖轨跟端模锻成形后温度的工艺参数。 ( 2 ) 通过对成形过程中相关参数的设定，初步模拟6 0 a t 尖轨跟端模锻成形过程的新 工艺。分析金属在成形过程中的流动规律，应力应变分布，温度变化规律及其分布，模 具载荷变化规律等，大体上确定成形模具型腔尺寸参数，获得6 0 a t 尖轨跟端模锻成形 的模具模型。 ( 3 ) 利用正交试验方法设定6 0 a t 尖轨跟端模锻成形参数变量，进行模拟试验。采集、 对比分析实验结果。 ( 4 ) 在m a t l a b 环境下，利用m a t l a b 神经网络工具箱，建立6 0 a t 尖轨跟端模锻成形 工艺的b p 神经网络模型，并使用遗传算法对一定范围内成形工艺参数的匹配关系进行 预测和优化，获得6 0 a = r 尖轨跟端模锻成形最优的工艺参数。 ( 5 ) 对优化后的工艺进行模拟，比较优化前后结果。 6 第二章数值模拟基本理论与技术 第二章数值模拟基本理论与技术 塑性成形过程计算机模拟是在计算机上对金属塑性成形过程进行实时的跟踪描述， 再通过计算机图形系统演示整个过程的技术【6 】。数值模拟作为虚拟的有效计算求解方法， 目的是通过建立分析模型对金属的变形、应力、应变等进行仿真，实现对工艺过程、模 具结构以及毛坯形状的优化。可缩短研发周期、提高产品质量、降低生产成本以及延长 模具寿命。在国外，塑性成形数值模拟早已成为了一些大型企业新产品开发环节中不可 缺少的一环，同样数值模拟对优化已有产品的生产工艺也具有十分重要意义【6 】。 金属塑性成形是一个受多种因素影响的复杂加工过程，这些因素包括材料本身的性 能，材料毛坯的几何形状、尺寸，模具型腔形状设计，变形速度，变形温度，润滑情况 等。同时，金属材料因塑性变形产生的应力与应变之间的非线性关系、应变与位移之间 的非线性关系及边界条件非线性等问题，增加了金属塑性成形问题求解的复杂度，影响 求解的精确度【7 ，8 】。金属在热模锻过程中，除了上述问题外，还伴随热力耦合的作用。运 用有限元求解方法，将连续的求解区域离散为有限个按一定方式连结的微小单元的组合 体。通过对各个微小单元的求解分析，再进行整合得到整个个体的纠9 1 。 根据金属材料非线性本构关系式的不同，金属制件成形过程的三维有限元主要分为 弹( 粘) 塑性有限元和刚( 粘) 塑性有限元两大类【l o 】。 2 1 弹一( 粘) 塑性有限元法 弹( 粘) 塑性有限元法【】考虑了金属变形过程中的弹性效应，其理论基础是 p r 锄d l t m i s 鹤本构方程。弹塑性有限元法包括小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有 限元法，前者主要分析金属成形过程中的初期情况，后者应用于发生大变形的后期阶段。 弹塑性有限元法适用于金属变形中弹性变形无法忽略的过程的模拟，广泛应用于板料成 形问题分析。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形时，不仅能按照变形的路径得到塑 性区的发展状况，工件中的应力应变、温度分布规律及几何形状的变化，而且还能有效 地处理卸载等问题，计算残余应力及残余应变，从而预知并避免了产品缺陷。但是弹塑 性有限元法要采用增量方式加载，为了保证计算精度和迭代的收敛性，增量步长不可能 太大，所以在计算变形问题时，计算量大，且需要较长的时间和较多的费用，效率较低【l l l 。 在金属成形过程的模拟分析中，常用到的基于弹( 粘) 塑性本构关系的三维有限元分 析软件主要有m a r c 、a n s y s 、f o r g e 3 等，这些软件的基本方程都是基于l a 孕a n g e 坐标而写的。 7 第二二章数值模拟基本理论与技术 2 2 刚( 粘) 塑性有限元法 金属塑性成形过程中，大多数体积成形问题的弹性变形量相对于非弹性变形量来说 很小，一般情况下是可以忽略不计的，即刚( 粘) 塑性有限元法，其基本理论是m a r k o v 变分原型1 2 】。该有限元方法适合应用于锻造、挤压、轧制等塑性成形问题。对于金属材 料冷加工的数值模拟应选择刚塑性有限元方法，而刚( 粘) 塑性有限元方法则适用于金属 材料的热成形。故本文采用刚( 粘) 塑性有限元方法对6 0 a t 尖轨跟端模锻成形进行数值 模拟。 刚( 粘) 塑性有限元方法的计算增量步长，能够用小变形计算方法解决材料大变形的 问题。克服了弹( 粘) 塑性有限元法的计算量大、用时长和花费多、效率较低等缺点。简 化了计算程序，提高了计算求解效率。但是，由于刚( 粘) 塑性有限元法忽略了金属材料 成形过程中的弹性变形问题，故该方法无法解决材料变形引起的弹性效应，也不能计算 金属制件的残余应力。 2 2 1 刚( 粘) 塑性有限元法基本假设 有限元方法模拟计算金属塑性变形过程，为了便于处理，提出以下假设： ( 1 ) 材料变形过程中不发生弹性形变，且各向同性。 ( 2 ) 材料不可压缩，变形过程中体积不变。 ( 3 ) 忽略惯性和重力的影响。 2 2 2m a r k o v 变分原理 刚粘塑性材料的变分原理为m 珧o v 变分原理【1 3 m ，假设变形材料的体积为y ，表 面积为s p 和s ，两部分，s ，和s ，分别给定了应力边界条件和位移边界条件，在满足以上 假设条件和速度边界条件的速度场中，对泛函 n = ，y e ( 毒驴) d 矿一，s ，p ，v ；豳 求最值，即为问题的真实解。 弧= l 泓0 6s 蟮d y 一s p p i 面；d s = q ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) 其中e ( 占。) 为塑性变形功函数。 实际上寻求既要满足边界速度条件又满足体积不变条件的速度场是很困难的，而仅 满足边界条件的速度场则很容易找到。因此，可以通过某种途径把体积不可压缩条件引 入原泛函，构造一个新泛函，再对这个新泛函变分，以求得问题的解，这一过程称为不 完全广义变分原理。处理体积不变条件通常有两种方法：拉格朗r 乘子法、罚函数法。 拉格朗日乘子法是在原泛函中引入拉格朗日乘子入，得到新泛函： 第二章数值模拟基本理论与技术 n = ，r e ( ；) 咖一，量吼_ 幽+ f 五耋，咖 ( 2 3 ) 对新的泛函求解。这种求解方法收敛稳定性好，对速度场要求不高。但是求解方程未知 数增加，计算时间和存储空间随之增加。 罚函数方法是引入足够大数口作为惩罚因子( 一般1 0 4 1 0 6 ) 附加在体积不可压缩条 件上，作为惩罚项引入到原泛函，从而得到新的泛函： n = ，颅占) 咖一h q 凼+ 妙( 占) 2 咖 ( 2 4 ) 对此变分函数求驻值，即为求解的真实值。在对泛函求驻值的过程中，速度场逐渐 趋于真实解，使惩罚项的作用逐渐消失。罚函数法具有收敛速度快的优点，但是惩罚因 子的值不可取得太大，否则可能会导致病态方程组。 本文采用罚函数法来建立刚( 粘) 塑性有限元法数学算式。 2 3 金属成形过程中传热变形的热力耦合有限元分析的基本理论 金属热变形过程中，坯料自身除了以辐射、对流的方式与外界发生热交换外，还存 在与模具之间的直接传热，自身温度降低，发生热量损失。随着变形的进行，金属材料 的自由表面、与模具的接触面都发生改变，坯料的温降情况也随之改变，同时造成坯料 外表面和内部温度的不均匀分布。另外，坯料与模具之间的摩擦，将部分能量转化为热 能，使得工件的温度有所增加。从而增加了温度场求解的难度，也为利用有限元这种有 效的方法求解提供了很好的机会。 金属在热成形时塑性变形与传热同时发生，但由于变形和传热二者分别由瞬态刚塑 性边值问题和瞬态热传导问题描述，因此其对应的场量难以采用联立求解的方法分析， 从前述分析可知，刚塑性有限元法采用增量法逐步解出工件的塑件变形有关的场量( 加 速度场、应力场、应变场等) ，而温度场则采用时间差分格式逐步积分得到。这样可以 在某一瞬时分别计算变形和温度，通过二者之间的联系，将它们的相互影响作用考虑进 去，以便达到热变形过程的耦合分韦斤【博】。 假设f 时刻的温度z 与f + & 时刻的温度z 。，有下述关系： 互+ 出= z + ( 1 一) r r + 丁件f 】f ( 2 5 ) 式中：r ，丁，+ ，分别为温度f ，h - f 时刻的温度率，因子取值o 1 。 对于热粘塑性变形过程的任一增量区间，或该过程的任一温度场积分区间 f ，f + f 】， 由式( 2 - 5 ) 定义的时间f 差分格式可得： 扎址= 击一古t 一半如志多 c 2 呦 第二章数值模拟基本理论与技术 五古z 一警于， ( 2 - 7 ) 由公式：灯+ c 丁= q 建立h & 时刻的平衡方程，并将式( 2 7 ) 代入整理， 卜去c 卜咄o 倍8 ， 其中，z 通过上一步计算确定，z 由f 时刻的平衡方程求解，这样就可以通过( 2 8 ) 式求解温度场。 采用刚( 粘) 塑性本构关系的有限元分析软件，如a l p i d 、d e f o r m 、m a f a p 等软 件，其基本方程是对于e u l e r 坐标系而写的【1 2 】。这些软件主要用于模拟金属材料的体积成 形。 本文选用的软件为d e f o r m 3 d 。 2 4d e f o r m 3 d 软件简介 d e f o l 蝴模拟方法是基于过程模拟体系的有限元方法，这种模拟体系在金属塑性 成形及相关产业上用于分析不同的金属成形方法和热处理。设计者和工程师通过在电脑 上模拟金属加工过程，可以利用d e f o r m 这种先进的工具进行：可以重新设计模具和 工艺，减少所需要的昂贵的车间试验；改进工具和模具的设计，减少材料和生产的消耗 浪费；缩短新产品进入市场的时间。 d e f o r m 可在u n i x l i n u x ( h p ，d e c ，l i n u m ) 平台上和w i n d o w s x p 厂s t a 系统 上运行。该软件能够模拟材料复杂的三维流动【l 9 1 。 d e f o r m 与一般有限元方法的用途不同，它只模拟塑性变形。友好的用户图形界 面提供方便的数据备份和分析，因此用户只需要关注变形就能解决问题，不用学习电脑 系统。d e f o i 洲的关键工具为专门解决大变形问题完全自动的、具有优化性能的重划 分网格体系。 在模拟金属塑性变形功能上，d e f o r m ( 1 ) 耦合模拟冷锻、温锻，以及热锻模拟过 程中的变形和传热。 ( 2 ) 提供广泛的普通合金材料数据库，包括钢，铝合金，钛合金，超合金。数据库 中没有包含的材料，用户可以自定义并存储在数据库中。 ( 3 ) 材料数据库包含材料的性能信息，包括流动，模具填充，锻造载荷，模具应力， 晶粒流动，缺陷形成及韧性断裂。 ( 4 ) 多种适合大变形模拟的材料模型：刚性材料模型，弹性材料模型，热粘塑性材 料模型。 ( 5 ) 适合模拟残余应力和回弹问题的弹塑性材料模型。 ( 6 ) 能够模拟粉末冶金产品成形的多孔材料模型。 l o 第二章数值模拟基本理论与技术 ( 7 ) 提供综合成形设备模型：液压机，锤锻，螺旋压力机，机械压力机等。 ( 8 ) 用户可以自定义材料建模、压力建模，断裂准则及其他功能的子程序。 ( 9 ) f l o w n e t 功能( 2 d ，p c ) ，点追踪可以显示材料流动的重要数据。 ( 1 0 ) 后处理器显示温度、应变、应力、损伤及其他简单的关键变形。 ( 1 1 ) 变形过程中有折叠形成时，强大的网格重划分和接触边界条件子功能能够使运 行的模拟过程继续进行并完成。 ( 1 2 ) 多变形体功能能够分析多个工件的多变形及进行模具应力耦合分析。 ( 1 3 ) 基于损伤因素引发的裂纹及裂纹扩展模型可模拟金属的剪切、冲裁、刺穿和机 械加工。 2 4 1d e f o r m 3 d 的模块结构组成 d e f o r m 体系主要由三部分组成： 1 、前处理器：建立，假设和改变分析运行模拟过程所需要的数据，并生成数据库 文件。 2 、模拟器：演示分析过程所需的数值计算，将结果记录到数据库文件。执行实际 设置的运算方案，并附加相应的运算方案到数据库文件。运行器完美的搭配自动网格划 分系统，必要时在工件上生成新的有限元网格。模拟器运行的同时，记录数据信息到 m s g 和l o g 文件，包括错误的数据。 3 、后处理器：读取运行模拟的结果数据，显示图形，提取数值数据。 2 4 2d e f o r m 3 d 使用注意事项 在d e f o r m 模拟开始之前，需花些时间安排模拟。考虑需要通过模拟分析得到什 么样的信息。比如，温度重不重要，充模，压力载荷，材料变形形式，韧性断裂，模具 失效，弯曲情况等等。模拟部分是不是可以作为二维模型的一部分，或者三维模型的一 部分，这样可以减少模拟计算的时间。所定义的模拟能不能得到对理解所模拟的成形过 程最有帮助的数据信息。 第三章b p 神经网络基本理论介绍 第三章b p 神经网络基本理论介绍 人工神经网络( a n i f i c i a ln e u r a ln e 附o r k s ，a n n ) 简称为神经网络，是一种应用类似于 大脑神经突触连接的结构进行信息处理的数学模型【2 0 】。神经网络是一种运算模型，由大 量的节点之间的相互连接构成。这些节点组成的非线性单元以一定的拓扑结构相连接， 进而构成一个高度非线性动力学系统。具有逼近任何一个可微函数，解决非线性问题的 能力。 神经网络的构筑是受到生物神经网络功能的运作启发而产生的。人工神经网络是数 学统计方法的一种实际应用，通过这种方法能够得到大量的可以用数学函数来表达的局 部结构空间；同时，通过统计学的方法，神经网络能够类似人一样具有简单的决定能力 和判断能力，这种方法比正式的逻辑学推理演算更具有优势【2 0 1 。 3 1 神经网络的特性 常见的前馈神经网络由以下三部分构成。 ( 1 ) 输入层( i n p u tl a y e r ) ，非线性的输入向量，以矩阵形式输入。 ( 2 ) 输出层( o u tl a y e r ) ，即输出向量，输入信息在神经网络中经过神经元链接的传 输、分析及权衡后，输出的结果。 ( 3 ) 隐含层( h i d d e l ll a y 砷，由输入层与输出层之间的神经元、链接构成的一个或多 个层面。习惯上，隐含层为一层。神经网络的非线性随着隐含层的节点数的增加而越来 越显著，网络的性能更加突出。 神经网络的分层结构体现本身的特性：即高度并行的结构和实现的能力；非线性的 分析处理能力；自主学习的能力，以及便于硬件实现的能力。 在众多分层结构的网络中，得到最广泛应用的是b p 神经网络，及b p 算法 ( b a c k p r o p a g a t i o n a l g o r i t h m ) ，它是向前网络的最核心、最精华的部分。 3 2b p 神经网络 b p 神经网络误差反向传播( b a c k p r o p a g a t i o n ) 是由非线性变换单元组成的多层前馈 网络，各层之间采用的连接方式为全连接，但是同层的单元不存在连接。b p 网络结构 如图3 1 所示。b p 神经网络被看作为一个由输入向量到输出向量的非线性映射，所以 选用可微的l o g s i g 函数作为网络的传输函数。 1 2 第二章b p 神经网络基本理论介绍 + i 图3 1 三层b p 网络结构图 f i g 3 11 h 优l a y 豇b pn e t 、帕d 【s 饥l c t i l 】 图3 2 基本b p 神经元 f i g 3 2b 硒i cb pn 即r a l 图3 1 给出了第j 个基本b p 神经元( 节点) ，它只模仿了生物神经元所具有的三个最 基本也是最重要的功能：加权、求和与转移。其中x l 、x 2 x i ) 【1 1 分别代表来自神经元 l 、2 i n 的输入；w j l 、w j 2 w j i w j n 则分别表示神经元1 、2 i n 与第j 个神经元 的连接强度，即权值；b j 为阈值；坟) 为传递函数；妇为第j 个神经元的输出。 第j 个神经元的净输入值墨为： 誓 砖= 毛+ 毛= z + 毛 j o 其中：x = 【墨x 2 而毛， 鬈= k 一。喙】 若视确拳1 ，物拳毛，即令彳及包括及物，则 z = k 而屯而h j r = k 喙】 于是节点j 的净输入砖可表示为： 量 母墨呦确= 峭 l - o ( 3 1 ) ( 3 2 ) 净输入岛通过传递函数( t r 趾s f 打f u n “o n ) f ( ) 后，便得到第j 个神经元的输出巧： 以= 也) = ( 竞呦喁) = f 咄) 蛐 ( 3 - 3 ) 式中f 【) 是单调上升函数，而且必须是有界函数，因为细胞传递的信号不可能无限 增加，必有一最大值f 2 l 】。 b p 算法具有结构性能好、信息处理能力强、自学能力强，寻优精确性强等优点。 在模式识别、图像处理与分析、数据压缩、控制等领域广泛应用。但是，随着b p 网络 第三章b p 神经网络基本理论介绍 应用的深入，其缺点日益突出，存在以下问题：学习效率低，收敛速度慢；对参数选择 较敏感；难以解决局部极小值问题等。 为了克服b p 算法的缺陷，采用g a ( 遗传算法) 与b p 算法相结合的方法来寻找最优 解。 遗传算法( g a ) 是模拟自然界生物为适应环境的遗传和进化的过程，形成一种“优胜 劣汰 的自适应全局优化概率搜索算法。该算法从非局限于一点的多点开始并行操作， 有效地防止了搜索收敛于局部最优解；同时，应用概率法则进行启发式搜索，避免了盲 目、随机搜索。所以，g a 与b p 算法的结合，兼具了二者的优点，即通过全局搜索找 到最优解范围，再利用误差反向传播寻找最优解。 3 3g a b p 算法的基本要素 g a b p 算法包含了以下5 个基本要素【2 2 1 。b p 网络参数的设定，编码方案，种群参 数，适应度函数，遗传操作。 3 3 1b p 神经网络参数的设定 输入层、输出层节点数的选择由应用要求决定。输入层节点数m 一般等于训练样本 矢量维数；输出层节点数n 为需要预测量的个数。网络的结构采用三层( 输入层、隐含 层、输出层) 结构。 3 3 2 编码方案 遗传算法常见的编码方式主要有二进制编码和实数编码两种，由于二进制编码它类 似于生物染色体的组成，易于实现遗传操作，能够处理的模式数最多，但在进行优化时 需要对连续空间进行离散化，会造成一定的映射误差【2 3 】。 3 3 3 种群参数及遗传操作的设定 由于神经网络的输入向量与输出向量都经过归一化的训练，所以遗传算法中群体规 模的选取按以下方式计算： ( 1 ) 原始种群规模：群体规模的大小直接影响到遗传算法的收敛性或计算效率1 2 0 】。 规模太小，收敛结果容易局部化，不全面；规模过大，增加计算量，计算速度降低。根 据实际情况，种群规模可在1 0 一2 0 0 之间选择。 ( 2 ) 遗传操作：遗传操作模拟了生物通过基因遗传的操作。遗传算法中，初始群体 通过编码组成，遗传操作的任务是对群体中的个体按照其对环境的适应程度施加一定的 操作，实现优胜劣汰。从优化搜索的角度而言，遗传操作可使问题解一代一代地优化， 并逼近最优解。遗传算法的遗传操作包括选择、交叉及变异3 个遗传算子【z u j 。 1 4 第三章b p 神经网络基本理论介绍 3 3 4 适应度函数的选择 遗传算法中个体的优劣程度通过适应度来评价。个体的适应度高，则该个体被遗传 到下一代的几率大些，反之，适应度小的个体遗传到下一代的概率小些。适应度函数的 选择【2 0 1 遵循以下条件：( 1 ) 单值、连续、非负最大化；( 2 ) 合理、一致性，能反应对应解 的优劣程度；( 3 ) 计算量小，减少计算时间和空间的复杂性；( 4 ) 通用性强，应可能对某 一类具体问题通用。 第四章6 0 a t 尖轨跟端模锻成型模具模腔尺寸的确定 第四章6 0 a t 尖轨跟端模锻成型模具模腔尺寸的确定 利用d e f o l u m 塑性成形软件对全自动化a t 尖轨跟端无飞边模锻工艺进行模拟， 观察金属在模拟过程中的充模情况，分析变形过程中a t 尖轨变形段的应力、应变，以 及模具的载荷，对模具型腔做出相应的改变，以求获得模锻适合的模具模腔【2 4 】。 在6 0 a t 跟端模锻成型的三道工序中前两道工序为无飞边成形，只允许轨底在第三 道精锻整形工序完成后出现微小的飞边或毛刺。工件第一道工序变形后的形状尺寸