鍛造成形過程微觀組織優(yōu)化設(shè)計方法研究

《鍛造成形過程微觀組織優(yōu)化設(shè)計方法研究》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、山東大學(xué)博士學(xué)位論文鍛造成形過程微觀組織優(yōu)化設(shè)計方法研究摘要金屬塑性加工是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)制造產(chǎn)業(yè)，被廣泛應(yīng)用于許多工業(yè)生產(chǎn)部門，在國民經(jīng)濟(jì)中占有極為重要的地位。隨著全球經(jīng)濟(jì)競爭的日趨激烈，低成本、高質(zhì)量和高效率成為制造業(yè)企業(yè)在競爭中取勝的關(guān)鍵因素，也成為制造業(yè)企業(yè)追求的目標(biāo)。這種市場競爭和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，對產(chǎn)品開發(fā)周期與成本及產(chǎn)品質(zhì)量的要求日益提高，對精密成形工藝和模具設(shè)計水平的要求越來越高。計算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，使現(xiàn)代制造業(yè)正經(jīng)歷著一場深刻的變革．仿真制造／虛擬制造一制造業(yè)信息化。這些新特點、新要求都要有相應(yīng)的數(shù)字化和科學(xué)化的塑性成形工藝和模具設(shè)計方法及其軟件的支撐?，F(xiàn)有的常規(guī)經(jīng)驗設(shè)

2、計方法已經(jīng)無法適應(yīng)這種狀況，需要研究和開發(fā)基于數(shù)值模擬技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的模擬優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，以不斷滿足制造工藝和工裝設(shè)計數(shù)字化的要求。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展及金屬塑性流動理論的成熟，使得塑性成形過程的計算機(jī)數(shù)值模擬得以實現(xiàn)。利用數(shù)值模擬方法，可以實時跟蹤描述金屬的流動行為，模擬成形過程，揭示金屬的流動規(guī)律，研究各種因素對金屬變形行為的作用與影響，方便地確定成形過程各個階段所需的變形功和載荷，獲得工件及模具的內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、溫度分布和金屬流動規(guī)律，預(yù)測工件的成形狀況、殘余應(yīng)力、缺陷、晶粒度和晶粒取向分布等，為金屬塑性成形工藝和模具設(shè)計提供了強有力的工具。材料在鍛造過程中的微觀組織演變及最終產(chǎn)

3、品的組織結(jié)構(gòu)分布直接決定著產(chǎn)品機(jī)械性能，因此，鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化的研究是鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計中必須且非常關(guān)鍵的內(nèi)容，具有重要的應(yīng)用價值。預(yù)成形模具的形狀與終成形件形狀直接對應(yīng)，它直接限制金屬的流動情況，從而直接影響成形件的最終形狀和微觀組織性能。在工藝設(shè)計中，預(yù)成形設(shè)計對產(chǎn)品的制造成本、質(zhì)量和生產(chǎn)效率的影響最為直接，也最為顯著。因此，預(yù)成形設(shè)計便成為控制產(chǎn)品質(zhì)量與性能、實現(xiàn)塑性加工生產(chǎn)要求的必需且非常重要的方面，而預(yù)成形的優(yōu)化設(shè)計也就成為鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計中最為關(guān)鍵也最有成效的一個方面。近年來，形狀優(yōu)化和各種優(yōu)化理論從結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域被引入到鍛造過程的工藝和模具設(shè)計中?；陟`敏度分析的工藝和模

4、具設(shè)計方法，是將工藝和模具設(shè)計問題處理為優(yōu)化問題，在有限元正向模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合優(yōu)化算法來實現(xiàn)對摘要工藝和模具形狀的優(yōu)化設(shè)計。它充分利用了有限元模擬過程中提供的信息來實現(xiàn)對鍛造過程設(shè)計的自動化，是一種較新穎的設(shè)計方法。本文針對鍛造過程數(shù)值模擬與優(yōu)化技術(shù)及其系統(tǒng)開發(fā)開展研究，研究和建立基于靈敏度分析以及遺傳算法的鍛造過程多目標(biāo)模具優(yōu)化設(shè)計方法。本文以剛／粘塑性有限元為理論分析根據(jù)，采用基于靈敏度分析和遺傳算法的正向模擬法，以預(yù)成形模具型腔形狀為優(yōu)化對象，用B樣條曲線表示預(yù)成形模具的形狀，B樣條曲線控制點的坐標(biāo)作為優(yōu)化設(shè)計變量，以獲得包括鍛件形狀和鍛件微觀組織分布在內(nèi)的綜合質(zhì)量較好的終鍛件為目標(biāo)

5、，建立了同時以鍛件微觀組織和鍛件形狀為優(yōu)化目標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化方法，對鍛造成形過程進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的研究。本文對金屬體積成形中的鍛造過程優(yōu)化設(shè)計建模問題進(jìn)行了研究。鍛造過程中的優(yōu)化設(shè)計建模包括選取合適的設(shè)計變量，建立目標(biāo)函數(shù)的數(shù)學(xué)模型，選擇合適的優(yōu)化方法求解數(shù)學(xué)模型。本文詳細(xì)地給出了鍛造過程中各種優(yōu)化目標(biāo)的數(shù)學(xué)模型。闡述了鍛造過程中優(yōu)化設(shè)計變量的選取原則，比較了預(yù)成形件形狀和預(yù)成形模具形狀作為設(shè)計變量的區(qū)別，給出用三次B樣條函數(shù)表示預(yù)成形模具形狀的方法。比較了用于鍛造過程優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)缺點。本文確立的鍛造過程優(yōu)化設(shè)計建模方法也同樣適用于其它體積成形過程。單目標(biāo)優(yōu)化是多目標(biāo)優(yōu)化的基礎(chǔ)。在進(jìn)行

6、多目標(biāo)優(yōu)化之前首先進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計的研究。鍛件精確的形狀是鍛件質(zhì)量的首要指標(biāo)。本文研究了基于有限元的靈敏度分析法，以獲得少無飛邊的鍛件為優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)，以鍛造過程預(yù)成形模具型腔形狀為優(yōu)化對象，對非等溫成形過程進(jìn)行了靈敏度分析。以實際鍛件與理想鍛件之間不重合部分的面積(體積)作為優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù)，建立了目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)形式。用三次B樣條函數(shù)表示模具形狀，B樣條函數(shù)的控制點坐標(biāo)作為設(shè)計變量。推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)相對于優(yōu)化設(shè)計變量的靈敏度。詳細(xì)推導(dǎo)了節(jié)點速度靈敏度方程，給出速度靈敏度邊界條件；給出流動應(yīng)力靈敏度計算公式，詳細(xì)推導(dǎo)了節(jié)點溫度靈敏度方程。鍛件內(nèi)部微觀組織的分布直接影響著鍛件的機(jī)械性能，因此，

7、對鍛件內(nèi)部微觀組織的控制和優(yōu)化是鍛造工藝優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑。本文應(yīng)用現(xiàn)有的組織分布模型，采用有限元靈敏度分析的方法，對鍛造過程中的微觀組織進(jìn)行了模擬和優(yōu)化設(shè)計。以變形結(jié)束時的晶粒尺寸分布均勻性為目標(biāo)，采用每個單元的平均晶粒尺寸與整個鍛件的平均晶粒尺寸之差的平方和作為目標(biāo)函數(shù)，對鍛造過程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。詳細(xì)推導(dǎo)了目標(biāo)函數(shù)對山東大學(xué)博士學(xué)位論義設(shè)計變量的靈敏度及晶粒尺寸對設(shè)計變量的靈敏