基于微观组织优化的锻造工艺预成形及毛坯形状优化设计.pdf

oIJmT JUSwK F45 675 CE3 5 3 4 c E t 01 Jl Y Ck Cq c A 7 Y E c WJl 8 R L77 Jl 8 F 7 7 Y q 7 Y7 Q H B 01 fl 5 r Y7c A 7 C C 7 S A 77 Y q 0 A 7 S fl MNy B7Peo C A 7Jl 8 7 q 7Peo y B 567 c A 7 Y o 891 05 A ELU fi fl J R Uk 1CzYD fi fl J 4 BCD8 EFGH IJK9 LJK9 GM F A A 4 L ij 8 fl P A X c EE d 7o 0 j 7c N 0 j a Cyc j Ic 5 ywx7 Ym j7CyCQ Zk j 7 8Cy x c y 8 c 7j 6hc Aaj 7 0v 7 H c N l c Mqw cK Z c cfl R a c 8A7d 7J l 8 J S j6A 7 Y T 7 LWJl 8 L 4 E WJl 8 C 7 52 02 34 27102 34 A 4 7 fl A 7 fl c Eu 0 7K 8 74 A B17531 C 7 60 7 71531 513 4 60 7 5 40D 531 4 60 7 04C 5 40D 10 4 7 C 1 4 267 27102 34 c R Eu7 7 7K Eu7 7 52 02 34 27102 34 I 26 267 C 5571742 102 3 35 267 8 DD72 98 ABCD37EBE FCBG9C8 0B 754 74 H9C5745 9G 34 I7CG97J 1BKA794 J3EB L4A M3K N99J M34 G3KA 88BAC7K3J 5C374 7YB N B 9 A783J 9 ZBKA 7 A B BCG9C8 3 B N B 5C374 7YB D9 ZBKA7XB G 4KA794 A B 3 B D9 ZBKA7XB G 4KD A794 34E A B Q 9JB 9 ZBKA7XB G 4KA794 G9C A B 8 JA7 JB 9 ZBKA7XB G 4KA794 9 A787Y3A794 3CB A G9CQ3CE CB BKA7XBJ N B BCG9C8 3 B 7 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Design in Forging of an Airfoil Section Blade 1990 01 5 J J Park N Rebelo A New Approach to Preform Design in Metal forming with the Finite Element Method 1983 01 6 赵国群 王广春 材料塑性成形过程最优化设计 II 灵敏度分析方法在模具设计中的应用 1999 03 相似文献 10条 相似文献 10条 1 期刊论文 王广春 管婧 赵国群 WANG Guang chun GUAN Jing ZHAO Guo qun 锻造成形微观组织优化建模及应用 塑 性工程学报2005 12 5 以锻件晶粒度分布的均匀性与细小化为目标 建立了锻造变形过程的微观组织演变模型 并给出了优化目标函数表达式 采用刚塑性有限元和遗传优化算法 相结合 开发了微观组织模拟与优化软件 并对典型的圆柱体镦粗工艺过程进行了微观组织模拟与优化 优化结果表明 影响变形均匀性的摩擦因素显著影响成 形后的微观组织晶粒度的分布均匀性和细小化 同时对其它工艺因素的优化也能一定程度地实现对最终锻件组织均匀和细小化的控制 研究结果表明 在有限元 数值模拟基础上建立微观遗传优化算法 能够对锻造等金属体积成形过程中的工艺参数与材料状态参数等实施优化 以达到通过控制成形工艺因素来优化微观 组织 而实现提高产品性能的目的 2 学位论文 管婧 锻造成形过程微观组织优化设计方法研究 2008 金属塑性加工是国民经济的基础制造产业 被广泛应用于许多工业生产部门 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业企业在竞争中取胜的关键因素 也成为制造业企业追求的目标 这种市场竞争和产品的快速更新换代 对产品开发周期与成 本及产品质量的要求日益提高 对精密成形工艺和模具设计水平的要求越来越高 计算机与信息技术的发展 使现代制造业正经历着一场深刻的变革 仿真制 造 虚拟制造 制造业信息化 这些新特点 新要求都要有相应的数字化和科学化的塑性成形工艺和模具设计方法及其软件的支撑 现有的常规经验设计方法 已经无法适应这种状况 需要研究和开发基于数值模拟技术和计算机技术的模拟优化设计系统 以不断满足制造工艺和工装设计数字化的要求 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 使得塑性成形过程的计算机数值模拟得以实现 利用数值模拟方法 可以实时跟踪描述金属 的流动行为 模拟成形过程 揭示金属的流动规律 研究各种因素对金属变形行为的作用与影响 方便地确定成形过程各个阶段所需的变形功和载荷 获得 工件及模具的内部应力 应变 温度分布和金属流动规律 预测工件的成形状况 残余应力 缺陷 晶粒度和晶粒取向分布等 为金属塑性成形工艺和模具 设计提供了强有力的工具 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分布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 预成形模具的形状与终成形件形状直接对应 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 在工艺设计中 预成形设计对产品的制造成本 质量和生产效率的影响最为直接 也最为显著 因此 预成形设计便成为控制产品质 量与性能 实现塑性加工生产要求的必需且非常重要的方面 而预成形的优化设计也就成为锻造工艺优化设计中最为关键也最有成效的一个方面 近年来 形状优化和各种优化理论从结构优化领域被引入到锻造过程的工艺和模具设计中 基于灵敏度分析的工艺和模具设计方法 是将工艺和模具设 计问题处理为优化问题 在有限元正向模拟的基础上 结合优化算法来实现对工艺和模具形状的优化设计 它充分利用了有限元模拟过程中提供的信息来实 现对锻造过程设计的自动化 是一种较新颖的设计方法 本文针对锻造过程数值模拟与优化技术及其系统开发开展研究 研究和建立基于灵敏度分析以及遗传算法的锻造过程多目标模具优化设计方法 本文以 刚 粘塑性有限元为理论分析根据 采用基于灵敏度分析和遗传算法的正向模拟法 以预成形模具型腔形状为优化对象 用B样条曲线表示预成形模具的形状 B样条曲线控制点的坐标作为优化设计变量 以获得包括锻件形状和锻件微观组织分布在内的综合质量较好的终锻件为目标 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 对锻造成形过程进行了多目标优化设计的研究 本文对金属体积成形中的锻造过程优化设计建模问题进行了研究 锻造过程中的优化设计建模包括选取合适的设计变量 建立目标函数的数学模型 选 择合适的优化方法求解数学模型 本文详细地给出了锻造过程中各种优化目标的数学模型 阐述了锻造过程中优化设计变量的选取原则 比较了预成形件形 状和预成形模具形状作为设计变量的区别 给出用三次B样条函数表示预成形模具形状的方法 比较了用于锻造过程优化设计方法的优缺点 本文确立的锻造 过程优化设计建模方法也同样适用于其它体积成形过程 单目标优化是多目标优化的基础 在进行多目标优化之前首先进行单目标优化设计的研究 锻件精确的形状是锻件质量的首要指标 本文研究了基于有 限元的灵敏度分析法 以获得少无飞边的锻件为优化设计目标 以锻造过程预成形模具型腔形状为优化对象 对非等温成形过程进行了灵敏度分析 以实际 锻件与理想锻件之间不重合部分的面积 体积 作为优化设计的目标函数 建立了目标函数的表达形式 用三次B样条函数表示模具形状 B样条函数的控制点 坐标作为设计变量 推导了目标函数相对于优化设计变量的灵敏度 详细推导了节点速度灵敏度方程 给出速度灵敏度边界条件 给出流动应力灵敏度计算 公式 详细推导了节点温度灵敏度方程 锻件内部微观组织的分布直接影响着锻件的机械性能 因此 对锻件内部微观组织的控制和优化是锻造工艺优化设计的重要内容 也是提高产品质量的 重要途径 本文应用现有的组织分布模型 采用有限元灵敏度分析的方法 对锻造过程中的微观组织进行了模拟和优化设计 以变形结束时的晶粒尺寸分布 均匀性为目标 采用每个单元的平均晶粒尺寸与整个锻件的平均晶粒尺寸之差的平方和作为目标函数 对锻造过程进行了优化设计 详细推导了目标函数对 设计变量的灵敏度及晶粒尺寸对设计变量的灵敏度公式 建立了锻造成形过程微观组织分布变化的模拟系统 给出了微观组织的优化设计步骤 为获得形状和微观组织分布均匀综合性能较好的终锻件 对锻造成形过程进行了多目标优化设计的研究 建立了适合于组成总目标函数的新的形状子目 标函数和微观组织分布均匀性子目标函数 给出了其详细的数学表达形式 采用线性加权的方式将两个子目标函数组合成总目标函数 对总目标函数进行优 化 推导了总目标函数相对于优化设计变量的灵敏度 给出了不同情况下加权因子的选择方法 开发了锻造预成形模具优化设计的程序 并对截面为H型的轴 对称锻件的预成形模具形状进行了优化设计 给出了优化迭代中各目标函数的变化曲线 由预成形件形状和终锻件形状及其微观组织分布的比较 可以看出 优化达到了同时对锻件形状和微观组织分布均匀性进行优化的目的 说明本文提出的基于有限元灵敏度分析的锻造过程微观组织优化理论的可行性 遗传算法由于思想简单易于实现 赢得了许多应用领域 本文综合微观组织与形状对锻件质量的影响 建立了同时以锻件微观组织和锻件形状为优化目 标的基于遗传算法的多目标优化设计方法 重构了形状子目标函数和晶粒尺寸子目标函数 并采用加权和的方式组成总目标函数 对总目标函数进行优化 用B样条曲线表示预成形模具形状 应用所开发的基于预成形的锻造过程微观组织模拟与优化软件 对截面为H型轴对称锻件进行了面向微观组织优化的预成 形优化设计 并对圆柱体镦粗进行了基于宏观工艺参数的优化 同时 对毛坯尺寸和预成形压下量对成形后微观组织的影响进行了研究 给出了优化结果 实现了提高锻件晶粒尺寸均匀细小性的目的 取得了较好的优化效果 以截面H型轴对称锻件为例 确定了锻造过程微观组织模拟与优化程序的实验验证方案 进行了相应的模具设计和实验研究 为计算机模拟优化结果的可 靠性分析提供了实验依据 通过实验结果与计算机模拟优化结果的比较分析表明 计算机模拟与优化结果与实验结果具有较好的一致性 证实了本文的基于 微观组织优化和预成形形状优化的多目标优化理论与系统在锻造成形优化过程中的应用具有较好的稳定性和可靠性 3 期刊论文 管婧 王广春 赵国群 GUAN Jing WANG Guang chun ZHAO Guo qun 基于有限元灵敏度分析的锻造成形微观 组织优化设计 塑性工程学报2007 14 6 采用有限元 灵敏度分析与工程优化算法相结合的方法 以能充满型腔且少无飞边的终锻件的晶粒度分布均匀化为目标 以预成形形状为优化对象 对锻造 成形过程的微观组织进行了优化设计 采用三次B样条函数描述预成形模具形状 并以B样条函数的控制点坐标为设计变量 给出了锻造过程微观组织演变的模型 建立了衡量锻件充型性能及微观组织分布均匀化的目标函数 推导了目标函数对设计变量的灵敏度 给出了优化设计步骤 并以一典型H型锻件为例 对锻件的 微观组织进行了优化 取得了较好的结果 4 学位论文 李玲 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 2005 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FORTRAN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粗和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 介绍了刚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FORTRAN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91 43 m下降到25 19 m 下降了72 非等温过程平均晶粒度由117 28 m下降到70 95 m 平均晶 粒度下降了约47 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67 51 m下降到30 51 m 平均晶粒度下降了约54 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 5 期刊论文 王广春 管婧 李玲 WANG Guang chun GUAN Jing LI Ling 面向微观组织优化的锻造工艺预成形优化设计 锻压技术2007 32 1 以锻件晶粒尺寸细小均匀为目标 以预成形形状设计为对象 提出了锻造成形过程微观组织优化设计方法 构建了锻造成形过程微观组织优化目标函数 并 确定锻造成形预成形形状作为优化过程的设计变量 给出了优化设计的具体步骤 采用微观遗传算法和有限元模拟方法开发了锻造过程微观组织优化程序 并对 典型的圆柱体镦粗进行了面向微观组织优化的预成形设计 取得了较好的效果 6 学位论文 郭涛 基于预成形设计的锻造过程微观组织优化与实验研究 2008 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非常重要的方面 在对国内外微观组织模拟与优化的发展及现状作了全面回顾的基础上 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 数值模拟方法和遗传优化算法结合起来 对典型的圆柱体镦粗和H形截面的轴对称锻件进行面向微观组织优化的预成形设计 并对应优化结果设计实验进行验 证 本文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 介绍了刚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 利用FORTRAN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形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82 51 m下降到72 38 m 下降了12 3 非等温过程平均晶粒度由80 2 m下降到66 7 m 平均晶 粒度下降了约14 m 而且分布均匀性均得到了明显的提高 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 对H形等温 锻造 整个锻件的平均晶粒度由86 3 m下降到69 35 m 平均晶粒度下降了约20 3 对H形非等温锻造 整个锻件的平均晶粒度由89 7 m下降到 54 36 m 平均晶粒度下降了约35 m 优化后 微观组织更加均匀细致 优化效果明显 终锻件由最初的有较大飞边的情况变成了最终的飞边较小 完全充 满的情况 上述应用实例表明 本文所开发的软件中的优化算法具有相当的可靠性 根据优化中所采用的相关参数及优化结果 设计实验模具 进行圆柱体热镦粗及H形截面轴对称锻件成形实验 观察成形后锻件的充填情况与微观组织分 布情况 发现与直接成形相比 终锻件的鼓形有明显的减小 H形锻件的型腔更容易充满 微观组织更加均匀细致 优化效果明显 7 期刊论文 王广春 管婧 郭涛 赵国群 WANG Guang chun GUAN Jing GUO Tao ZHAO Guo qun 面向微观组织优化的锻 造工艺预成形优化设计及实验研究 塑性工程学报2008 15 2 以锻件晶粒尺寸细小均匀为目标 以预成形形状设计为对象 提出了锻造成形过程微观组织优化设计方法 构建了锻造成形过程微观组织优化目标函数 并 确定锻造成形预成形形状作为优化过程的设计变量 采用遗传算法和有限元模拟相结合的方法 开发了锻造过程微观组织优化程序 对典型的H型锻件进行了面 向微观组织优化的预成形设计 取得了较好的效果 并根据优化设计的结果进行了实验研究 优化结果的晶粒尺寸及其分布趋势与实验结果比较吻合 8 学位论文 侯会喜 钛合金锻造成形过程热力参数与微观组织研究 2007 钛合金是航空工业中应用广泛的金属结构材料 钛合金的组织和性能对变形时的加热工艺参数比较敏感 因而其适合的加热工艺参数范围较狭窄 用一般的 锻造方法难以获得理想的微观组织和性能 研究钛合金在锻造成形过程中的变形规律 对获得理想的锻件有重要作用 高温变形过程导致金属微观组织发生一系列演变 并决定了产品的力学性能 根据预定的工艺参数 预测产品的热成形过程并预报其微观组织和力学性能 是生产技术中要解决的主要问题 本文在分析变形温度 应变速率以及变形程度对TC6合金的微观组织影响的基础上 根据两相钛合金的成形特点 建立了在一定锻造热力参数范围内的钛合 金本构关系模型 采用遗传算法对该模型中的材料常数进行优化 采用有限元对钛合金锻造过程进行了三维仿真分析 分析了压下量 变形温度 凸模速度和 摩擦因子对于变形过程中应力应变的影响 为优化钛合金等温锻造工艺提供理论和技术上的支持 同时在不同