基于預(yù)成形的鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化設(shè)計方法及應(yīng)用

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1、基于預(yù)成形的鍛造過程微觀組織模擬與優(yōu)化設(shè)計方法及應(yīng)用捅要鍛造生產(chǎn)廣泛應(yīng)用于機械、冶金、造船、航天、兵器以及其它許多工業(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型企業(yè)在競爭中取勝的關(guān)鍵因素。為此，要求對鍛造過程中涉及到的有關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。材料在鍛造過程中的微觀組織演變及最終產(chǎn)品的組織結(jié)構(gòu)直接決定著產(chǎn)品機械性能，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)鍛模及預(yù)成形形狀與終鍛件形狀直接對應(yīng)，它直接限制金屬

2、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。因而，預(yù)成形設(shè)計便成為控制產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)鍛造生產(chǎn)要求的必需且非常重要的方面。隨著計算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展及金屬塑性流動理論的成熟，使得金屬塑性成形過程的計算機數(shù)值模擬得以實現(xiàn)。以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于各種金屬成形問題的分析求解中．基于以上分析，在對國內(nèi)外微觀組織模擬與優(yōu)化的發(fā)展及現(xiàn)狀作了全面的回顧的基礎(chǔ)上，本文以鍛件晶粒尺寸細(xì)小均勻為目標(biāo)，以預(yù)成形模具形狀為優(yōu)化對象，將有限元和遺傳優(yōu)化算法結(jié)合起來，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

3、法，采用FORTRAN語言開發(fā)了基于預(yù)成形設(shè)計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化程序，并對典型的圓柱體鐓租和H型截面的軸對稱鍛件進(jìn)行了面向微觀組織優(yōu)化的預(yù)成形設(shè)計．本文首先對剛粘塑性有限元的理論進(jìn)行了闡述，給出了剛粘塑性材料的基本假設(shè)及塑性力學(xué)基本方程，介紹THai粘塑性有限元變分的基本原理及求解過程，并詳細(xì)介紹了遺傳算法的基本原理，一般結(jié)構(gòu)以及常規(guī)的操作步驟。介紹了最優(yōu)化設(shè)計的主要內(nèi)容和一般原則，分別對鍛件形狀和微觀組織的優(yōu)化建模進(jìn)行了研究。建立了適合于組成總的目標(biāo)函數(shù)的新的形狀子目標(biāo)函數(shù)和晶粒尺寸子目標(biāo)函數(shù)，給出了其詳細(xì)的表達(dá)式，然后

4、采用加權(quán)的方法將兩者組成總的目標(biāo)函數(shù)。對總目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。給出了B樣條曲線表示預(yù)成形模具的方法，并將B樣條曲線的控制點的坐標(biāo)確定為設(shè)計變量，采用遺傳算法對基于預(yù)成形設(shè)計的鍛造過程中微觀組織演變過程進(jìn)行了模擬與優(yōu)化·利用FORTRAN語言，采用微觀遺傳算法與有限元模擬相結(jié)合的方法，開發(fā)了基于預(yù)成形設(shè)計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化程序。該程序由初始化模塊，預(yù)成形參數(shù)修改模塊，預(yù)成形有限元模擬模塊，終鍛參數(shù)修改模塊，終鍛有限元模擬模塊，目標(biāo)函數(shù)模塊，微觀遺傳算法評價模塊七大模塊組成。該程序只需要提供必要的變形控制參數(shù)、工藝參數(shù)、模具和毛

5、坯形狀參數(shù)以及微觀遺傳算法各初始參數(shù)值，即可自動實現(xiàn)基于預(yù)成形設(shè)計的鍛造過程微觀組織的優(yōu)化設(shè)計。利用本文所開發(fā)的基于預(yù)成形設(shè)計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化設(shè)計軟件，對圓柱體熱鐓粗及H型截面軸對稱鍛件進(jìn)行了面向微觀組織的預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計。對于典型的圓柱體鐓粗，等溫過程平均晶粒度由優(yōu)化前的91．439m下降到25．191am，下降了72％；非等溫過程平均晶粒度由117．28I_tm下降到70．951am，平均晶粒度下降了約471am，而且分布均勻性均得到了明顯的提高。對H型鍛件，整個鍛件的平均晶粒度由67．51I．tm下降到30．511』

6、m，平均晶粒度下降了約54．8％。優(yōu)化后，微觀組織更加均勻細(xì)致，優(yōu)化效果明顯，同時，終鍛件形狀由最初的有較大鼓形的情況變成了最終側(cè)壁幾乎沒有鼓形的情況。上述實例應(yīng)用表明，本文所開發(fā)的軟件中的優(yōu)化算法具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴ｊP(guān)鍵詞：鍛造，微觀組織，預(yù)成形設(shè)計，遺傳算法，多目標(biāo)優(yōu)化IIStudyonOptimalDesignMethodoftheMicrostructureinForgingProcessBasedonPreformDesignandApplicationABSlRACTWidelyusedinmechanicalind

7、ustry,metallurgy,shipbuilding，weaponsand50on,metalforginghasaveryimportantpositioninnationaleconomy．Sincetheglobalcompetitionbecomesmoreandmoreintense．10wcosthi【ghqualityande伍ciencybecomethecrucialfactorsforthemanufacturingfactoriestowininthecompetition．Therefore，th

8、evariousprocessparametersinvolvedinthemetalforgingandthecost,quali夠andefficiencyshouldbeconsideredintotheprocessdesign．Theevolvementandstr