（材料加工工程专业论文）基于预成形设计的锻造过程微观组织优化与实验研究.pdf

山东大学硕十学位论文 基于预成形设计的锻造过程微观组织优化与实验研究 摘要 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f o r t r a n 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。 l 摘要 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8 2 5 l p m 下降到 7 2 3 8 比m ，下降了1 2 3 ；非等温过程平均晶粒度由8 0 2 8 m m 下降到6 6 7 跏m ， 平均晶粒度下降了约1 钆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8 6 3 私m 下降到6 9 3 5 比m ，平均晶粒度下 降了约2 0 3 ；对h 形非等温锻造，整个锻件的平均晶粒度由8 9 7 铋m 下降到 5 4 3 缸m ，平均晶粒度下降了约3 5 肛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。 关键词：锻造；微观组织；优化；预成形设计；遗传算法；实验验证 山东大学硕士学位论文 m i c r o s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d yo f t h e f o r g i n gp r o c e s sb a s e d o np r e f o r m i n gd e s i g n a b s t r a c t w i d e l yu s e di nm e c h a n i c a li n d u s t r y , m e t a l l u r g y , s h i p b u i l d i n g ，w e a p o n sa n ds oo n ， m e t a lf o r g i n gh a sav e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nn a t i o n a le c o n o m y s i n c et h eg l o b a l c o m p e t i t i o nb e c o m e sm o r ea n dm o r ei n t e n s e ，l o wc o s t ，h i g hq u a l i t ya n de f f i c i e n c y b e c o m et h ec r u c i a lf a c t o r sf o rt h em a n u f a c t u r i n gf a c t o r i e st ow i ni nt h ec o m p e t i t i o n t h e r e f o r e ，t h ev a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r si n v o l v e di nt h em e t a lf o r g i n ga n dt h ec o s t ， q u a l i t ya n de f f i c i e n c ys h o u l db ec o n s i d e r e di n t ot h ep r o c e s sd e s i g n t h ee v o l v e m e n t a n ds t r u c t u r eo ft h em i c r o s t r u c t u r ei nt h ef o r g i n g p r o c e s sh a v ead i r e c ti n f l u e n c eo n t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo ft h ef i n a lp a r t s s o ，d u r i n gt h ev a r i o u sp a r a m e t e r so ft h e m e t a lf o 蟛n g ，t h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r ea r ep i v o t a la n d i n t e g r a n t t h ep r e f o r ms h a p ei sc o r r e s p o n d i n gt ot h es h a p eo ft h ef i n a lp a r t s i t d i r e c t l yc o n t r o l st h er e l i a b i l i t yo fm e t a l s o ，i td i r e c t l yi n f l u e n t st h es h a p eo ft h ef i n a l p a r t sa n dt h ec a p a b i l i t yo ft h em i c r o s t m c t u r e s ot h eo p t i m a lp r e f o r md e s i g nb e c o m e s t h ec r u c i a la s p e c to fc o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yo ft h e p r o d u c t b a s e do nt h ea b o v ea n a l y s i s ，a l lo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do ft h em i c r o s t r u c t u r e i nf o r g j n gp r o c e s si sp r o p o s e di nt h i sd i s s e r t a t i o n t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no f t h es i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h em i c r o s t r u c t u r ea l lo v e rt h ew o r l di sr e v i e w e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eo p t i m a lo b j e c t i v ei st oo b t a i nt h ef i n ea n ds y m m e t r i c a lg r a i n s i z e t h eo p t i m a lo b j e c ti st h ep r e f o r ms h a p e c o m b i n i n gt h ef e ms i m u l a t i o nw i t h t h eg e n e t i ca r i t h m e t i c ，t h ep r e f o r md e s i g n so ft h ec y l i n d e ru p s e t t i n gp r o c e s sa n da n h s h a p e df o r g i n gi np l a n es t r a i nd e f o r m a t i o nr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no ft h ef i n a l m i c r o s t r u c t u r e a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lr e s u l t s ，a l le x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d a sa r e s u l t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o v e dw e l lt oc o n f i r mt oo p t i m a lr e s u l t s f i r s t ，t h eb a s i ct h e o r yo ft h ev i s c o r i g i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n tm e t h o di sp r e s e n t e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h eb a s i ca s s u m p t i o no ft h ev i s c o - r i g i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n t m e t h o da n dt h eb a s i ce q u a t i o n so ft h ep l a s t i cm e c h a n i c sa r eg i v e n t h ee s s e n t i a l m a b s t r a ( 了r p r i n c i p l e sa n dt h es o l u t i o np r o c e d u r e so ft h ev i s c o r i g i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n ta r e i n t r o d u c e d a tt h es a m et i m e ，t h ee s s e n t i a lp r i n c i p l e s ，c o m m o ns t r u c t u r e sa n dr o u t i n e o p e r a t i o n a ls t e p so ft h em i c r o s t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t sa n dt h en o r m a lp r i n c i p l e so ft h eo p t i m a ld e s i g na r ed e s c r i b e di n t h i sd i s s e r t a t i o n t h eo p t i m a lm o d e l i n go ft h es h a p eo ff o r g i n ga n dt h em i c r o s t r u c t u r e i s a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h eg r a i n s i z e s u b - o b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h es h a p e s u b o b j e c t i v ef u n c t i o na n dt h ew h o l eo b j e c t i v ef u n c t i o nf o rt h em u l t i p l eo b j e c t i v e f u n c t i o no p t i m i z a t i o na r ep u tf o r w a r d ，r e s p e c t i v e l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e t h o d t h a tt h eb s p l i n eu s e dt or e p r e s e n tt h ep r e f o r md i es h a p ei sp r e s e n t e d t h ec o o r d i n a t e o ft h ec o n t r o lp o i n to ft h eb s p l i n ei su s e da st h eo p t i m a ld e s i g nv a r i a b l e s u s i n gt h e g e n e t i ca r i t h m e t i c ，t h es i m u l a t i o na n dt h eo p t i m i z a t i o nt om i c r o s t r u c t u r ei nf o r g i n g p r o c e s sb a s e do np r e f o r md e s i g na r e c a r r i e do u t u s i n gt h eg e n e t i ca r i t h m e t i ca n df e ms i m u l a t i o n ，t h es o f t w a r ef o ro p t i m a ld e s i g n m e t h o do ft h em i c r o s t r u c t u r ei nf o r e # n gp r o c e s sb a s e do np r e f o r md e s i g ni sd e v e l o p e d b yu s i n gf o r t r a nl a n g u a g e i ti sc o m p o s e do f s e v e nm o d u l e s t h e ya r et h em o d u l e f o ri n i t i a l i z a t i o n ，f o rp r e f o r mp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n ，f o rp r e f o r mf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，f o rf i n a lf o r g i n gp a r a m e t e rm o d i f i c a t i o n ，f o rf i n a lf o r g i n gf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ，f o rc a l c u l a t i o no fo b j e c t i v ef u n c t i o n ，a n df o re v a l u a t i o n t h es o f t w a r ec a l l a u t o m a t i c a l l yr e a l i z et h eo p t i m a ld e s i g no ft h em i c r o s t r u c t u r e i nf o r g i n gp r o c e s s b a s e do np r e f o r md e s i g na sl o n ga st h ee s s e n t i a ld e f o r m a t i o nm a n i p u l a t i v ep a r a m e t e r , t e c h n i c a lp a r a m e t e r , t h es h a p ep a r a m e t e ro ft h ed i ea n df i n a lp a r t sa n di n i t i a l i z a t i o ni n g e n e t i ca r i t h m e t i ca r ep r o v i d e d t h ep r e f o r md e s i g n so ft h ec y l i n d e ru p s e t t i n gp r o c e s sa n da nh - s h a p e df o r g i n gi n p l a n es t r a i nd e f o r m a t i o nr e a l i z et h eo p t i m i z a t i o no ft h ef i n a lm i c r o s t r u c t u r eb yu s i n g t h es o f t w a r ed e v e l o p e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f o rt h ec y l i n d e ru p s e t t i n gp r o c e s s ，t h e a v e r a g eo ft h eg r a i ns i z e sd e c l i n e s7 2 f r o m9 1 4 3 a mt o2 5 1 9 a mi n i s o t h e r m a l p r o c e s sa n dt h ea v e r a g eo ft h eg r a i ns i z e sd e c l i n e s4 7 a m f r o m1 1 7 2 8 a mt o7 0 9 5 a m i nn o n - i s o t h e r m a lp r o c e s s t h es h a p eo ft h ef i n a lf o r g i n gg a i no p t i m i z a t i o nw h o s e s i d eh a sh a r d l ya n yd r u ma f t e ro p t i m i z a t i o n ，w h i l es i d eh a sb i g g i s hd r u mi n i t i a l l y f o r i v 山东大学硕士学位论文 a nh s h a p e df o r g i n g ，t h ea v e r a g eo ft h eg r a i ns i z e sd e c l i n e s5 4 8 f r o m6 7 5 1 mt o 3 0 5m ma n dt h ea v e r a g eo ft h eg r a i ns i z e sd e c l i n e s3 靴mf r o m8 9 7 舡mt o5 4 3 鲰m i nn o n - i s o t h e r m a lp r o c e s s a f t e ro p t i m i z a t i o n ，t h er e c r y s t a l l i z e dg r a i ns i z eb e c o m e s f u r t h e rm o r eu n i f o r ma n df i n e t h es h a p eo ft h ef i n a lf o r g i n g g a i no p t i m i z a t i o nw h o s e s i d eh a sr e l a t i v e l ys m a l lf l a s ha f t e ro p t i m i z a t i o n ，w h i l ef l a s hw a sv e r yb i gi n i t i a l l y f r o mt h eo p t i m a lr e s u l t ，i tc a nb es e e nt h a t ，t h eo p t i m a la r i t h m e t i ct h a tt h es o f t w a r e u s e si sg r e a t l yc r e d i b l e a c c o r d i n gt o t h e o p t i m a lr e s u l t s ，c y l i n d e ru p s e t t i n ga n dh s h a p e df o r g i n g e x p e r i m e n tw a sd e s i g n e d t h es h a p eo ft h ef i n a lf o 晒n gg a i no p t i m i z a t i o nw h o s es i d e h a sh a r d l ya n yd r u mw i t hap r o c e s so fp e r f o r mw h i l es i d eh a sb i g g i s hd r u mw i t h o u ta p e r f o r mp r o c e s s ，t h er e c r y s t a l l i z e dg r a i ns i z eb e c o m e sm u c hm o r eu n i f o r ma n d f i n e a sar e s u l t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ep r o v e dw e l lt oc o n f i r mt oo p t i m a lr e s u l t s k e y w o r d s ：f o r g i n g ；m i c r o s t r u c t u r e ；o p t i m i z a t i o n ；p r e f o r md e s i g n ；g e n e t i ca r i t h m e t i c ； e x p e r i m e n t v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：妞导师签 山东大学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 引言 新一代的金属塑性加工技术是先进制造技术中不可缺少的重要组成部 分。锻造生产在国民经济中占有极为重要的地位，随着经济竞争的日趋激烈， 以提高质量和降低成本为宗旨的净形及近净形制造已成为当前制造业的发 展趋势。在这种新形势下，具有悠久历史的传统生产工艺锻造生产由于 具有产品机械性能好、生产效率高、节省材料等特性，不仅仍处于不可替代 的地位，而且越来越受到人们的重视，有着广阔的应用前景。 近年来，随着塑性成形技术的发展以及用户越来越高的产品质量要求使 得人们需要更好的了解和控制生产的整个过程，在热变形过程中，材料发生 的组织变化，在很大程度上决定了成品的最终性能：同时组织变化也对变形 过程本身产生作用，因为随着微观组织的变化，材料的屈服应力随之改变， 因而全面、细致、深入的了解和掌握生产中工件的变形过程及组织变化过程 就成为实现这一目标所遇到的首要问题。锻造生产的目标除了完成产品的基 本形状要求外，更重要的是通过材料的塑性变形提高产品的综合机械性能。 因此，只有既能满足产品形状的基本要求，又能达到产品性能的更高要求， 才能充分发挥金属塑性成形技术的优越性。而直接决定产品机械性能的便是 材料在塑性成形过程中的微观组织演变及最终产品的微观组织结构。因此， 金属塑性成形过程的微观组织模拟与优化的研究，具有非常重要的应用价 值。“微观模拟一技术将成为热塑性加工工艺设计中的重要工具。 为了能在锻造过程中合理地分配金属，使金属在终锻时完全达到形状要 求且不出现缺陷，往往在终锻前需要进行一次或多次预成形，而预锻模及预 成形形状与终锻件形状直接对应，它直接限制了金属的流动情况，从而直接 影响成形件的最终形状和微观组织性能。因此，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。 随着全球经济竞争的日趋激烈，低成本、高质量和高效率成了制造型企 业在竞争中取胜的关键因素，也成了制造型企业追求的目标。这就要求在实 际锻造生产的工艺设计时，要兼顾成本、质量、效率，对锻造过程中的有关 工艺参数进行优化设计，实现锻造过程的优化设计。在锻造生产工艺设计的 1 第一章绪论 各个方面，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。所以，预成形的优化设计即成为锻造过程优化设计中最为关键 也最有成效的一点，而且产品的多样化和复杂化也使得预成形的优化设计成 为锻造过程优化设计中最难实现的一点。 随着计算机软硬件技术的迅猛发展，尤其是计算机技术、图形学与塑性 力学、塑性成形工艺学的交叉结合，开创了金属塑性成形工艺及模具 c a d c a e c a m 的新领域。以有限元为代表的数值模拟方法已广泛应用于各 种金属成形问题的求解分析中。运用刚塑性、刚粘塑性有限元法可以实时跟 踪描述金属的流动行为，模拟成形过程，揭示金属的真实流动规律，研究各 种因素对金属变形行为的作用与影响，并给出变形体在成形过程中各种力学 场量的分布。因而用数值模拟方法对锻造过程进行优化设计不仅是可能的， 而且是必要的，具有理论上和实践上的双重价值。 1 2 体积成形过程数值模拟与优化的研究现状 现代设计在很大程度上依赖于所用的设计方法和分析工具。由于缺少系 统化的分析规律，传统的锻造过程设计往往依靠一些成熟的经验和直觉作为 设计的准则，如在难充满的部分增大模腔斜度，增大圆角半径等。在经过多 次试模、修正和改进后，才确定正确的工艺参数。这种常规方法具有很大的 盲目性和试探性，并带来严重的设备、材料和时间的浪费。同时，产品质量 得不到保证，更无法保证设计方案的最优化。这种缺乏科学性的经验方法， 因其周期长、成本高、精度低，已不再适应现代锻造生产的发展要求。 随着计算机软硬件技术的发展和金属塑性流动理论的成熟，使得锻造过 程的计算机数值模拟得以实现。利用数值模拟方法，可方便地确定塑性成形 过程各个阶段所需的变形功和载荷，获得工件的内部应力、应变、温度分布 和金属流动规律，获得模具的应力、应变、温度分布，预测工件的成形状况、 残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布，为锻造过程优化设计提供了强有 力的工具。基于数值模拟【卜4 l 的工艺和模具设计方法主要有正向模拟( f o r w a r d s i m u l a t i o n ) 和反向模拟( b a c k w a r ds i m u l a t i o n ) 。 1 2 1 正向模拟技术 正向模拟是从坯料开始，模拟工件在模具作用下的整个成形过程，以获 2 山东大学硕士学位论文 得工件的变形情况和各种场变量的分布。数值模拟方法中较为精确且被广泛 使用的方法是有限元法。当前已有一些大型的通用数值模拟商品化软件，如 d e f o r m 、a u t o f o r g e 、f o r g e 3 等，为工业界提供了可靠的模具设计 验证工具。这些分析验证工具使产品开发者们在制造和试验样品之前，能准 确评价不同的设计方案，从中选优，其中的工艺反复可以在计算机中通过工 艺模拟来实现，而不是在实验室或车间中用实物模拟来实现，各种不同的设 计方案可以在进行耗资的实物制造和试验之前，在计算机上模拟工艺的全过 程，从而使设计者可以分析模具形状、工艺参数等与产品性能之间的关系， 观察成形情况以及是否产生内部或外部的缺陷，进而修改工艺及模具直到满 意状态。因此，计算机模拟对于保证产品质量、减少材料消耗、提高生产率 及缩短产品开发周期等方面显示了显著的优越性。 基于有限元的正向模拟技术在实际锻造生产中已有较多应用。 d u g g i r a l a 5 j 用刚塑性有限元程序a l p i d 来模拟各种锻造过程，以确定一种闭 式模锻工艺来获得无缺陷圆环齿轮锻件。k i m l 6 1 用有限元法对应变硬化材料 及非应变硬化材料h 形截锻件三种几何形状进行了无飞边锻造预成形设计， 获得了不同截面高宽比零件所需的预成形工步数和预成形形状。b s k a n g l 7 】 将翼形截面桨叶作为二维平面应变问题，采用基于有限元的正向加载法，由 模拟结果提出了此类锻件较为理想的预成形设计方法。陈军【8 。1 0 】建立了通用 的三维刚塑性刚粘塑性有限元模拟系统，对圆饼类锻件的镦粗预成形工艺进 行了过程模拟，并首次模拟了连杆辊挤的预成形工艺。赵国群【1 1 以3 】将链轨节 多工位连续锻造过程简化为二维问题进行刚塑性有限元模拟，所提出的模具 设计和坯料的初始位置的建议，可以减小终锻成形的飞边，提高材料的利用 率。采用刚粘塑性有限元法，对链轨节的成形工艺进行了正反向数值模拟。 詹梅【1 4 】采用刚粘塑性有限元法，提出了动态边界条件处理中修正触模节点位 置的一种新方法初矢修正法，解决了金属塑性成形三维有限元模拟中由 于离散的模具网格造成的“死锁”问题，并对叶片的锻造过程进行了模拟分 析。赵新海【1 5 1 9 】采用刚塑性有限元法，对凸筋类金属管接头的复合成形新工 艺进行了模拟，对其各种影响成形的因素进行了分析。王忠金【2 0 】在假设预锻 模拟形状的前提下对连杆的终锻过程进行了有限元模拟。左旭【2 1 】对汽车零件 3 第一章绪论 如十字轴和曲轴的多工位模锻成形的全过程进行了三维有限元模拟，并开发 了相应的模拟软件f o r m i n 9 3 。王广春【2 2 瑙】采用三维刚塑性有限元，对环形 件的摆动辗压变形进行了分析，并自行研制开发了相应的软件系统一一 r o f i d 。蒋浩民【2 7 - 2 8 】采用刚粘塑性有限元，对2 2 1 4 铝合金的超塑性进行了 系统的研究，确定了该合金的最佳预处理工艺，并开发了相应的数值模拟系 统h f o r g e 3 d 。 1 2 2 反向模拟技术 上世纪8 0 年代中期，k o b a y a s h i 2 9 】等提出了一种有限元反向跟踪( 反向模 拟1 方法，并应用于实际锻造问题的预成形设计。这种反向跟踪方法是从完全 充满终锻模腔的终锻件形状出发，以逆向变形方式模拟材料变形规律，按照 规定的边界条件控制准则，通过解除边界节点的约束条件而得到任意时刻的 预成形件形状。实施反向模拟技术必须解决下述关键技术： ( 1 ) 反向模拟开始时边界初始值的确定，其中包括初始应变分布、速度 分布以及温度分布等。 ( 2 ) 加工硬化现象的处理。在确定边界初始值时，对于应变硬化材料， 因其应变与变形历史有关，不能仅由假定得出，必须先进行处理。 ( 3 ) 预成形工步数确定与形状选择准则。反向模拟过程会得到一系列的 工件中间变形形状，以哪个中间形状为预成形形状，预成形工步取多少，必 须预先确定适用的原则。 ( 4 ) 反向模拟过程中动态边界条件的确定。对正向模拟过程，工件自由 边界逐步与模腔壁贴合即触模；对反向模拟过程，与模具接触的边界节点逐 步与模具脱离成为自由节点。故必须建立触模节点在何时、何处以何种顺序 脱模的控制准则。 反向模拟方法依赖于边界条件的控制准则。由于材料成形路径的多样 化，建立通用的或者最佳的边界条件控制准则仍存在较大的困难。另外，反 向模拟的结果得到的是预成形件的形状，而不是预成形模具的形状，通常反 向模拟得到的预成形件的形状过于复杂，增加了预成形模具设计的困难。 除了基于有限元法的反向模拟技术外，较早用于预成形设计的反向模拟 技术还有上限元法。 4 山东大学硕+ 学位论文 近年来，随着市场竞争的日益激烈，产品的成本和质量成为决定各生产 企业命运的关键因素。在锻造行业，在努力降低设计和制造成本的同时，提 高锻件的性能和质量已成为大势所趋。因而必须对锻造过程进行优化设计以 获得少无飞边、高性能的锻件。同时，优化过程应能实现自动化，从而提高 设计效率，减少设计的盲目性。于是，人们开始研究可实现锻造过程设计优 化的方法。 1 2 3 优化设计方法 无论是正向模拟还是反向模拟，都可归结为利用数值模拟技术进行设计 结果验证的试错法。其基本思路仍与传统的试错法一样，只不过所用的验证 手段不同，对不合理设计的修改还需要由设计者根据经验提出，设计过程的 自动化程度还很低。 近年来，优化理论被引入到塑性成形过程的工艺和模具设计中，将工艺 和模具设计问题处理为优化问题。基于优化的工艺和模具设计方法是在有限 元正向模拟的基础上，结合优化算法来实现工艺和模具的优化设计。它充分 利用了有限元模拟过程中提供的信息来实现工艺和模具设计的自动化，因而 是一种新颖的设计方法，引起各国学者极大的兴趣，取得了大量的研究成果。 ( 1 ) 微观遗传算法 遗传算法是一种模拟生命进化机制的搜索和优化算法，它利用“优胜劣汰 的生命机制进行优选，是一种直接优化法【3 0 3 1 l 。主要用于自动控制、机器入学 和神经网络中，与其他算法相比，遗传算法具有全局优化和稳含并行性的优点， 尤其适用于设计灵敏度可能是不连续的或者目标函数具有多个极值点，设计迭 代只依赖于目标函数的情况。 根据遗传算法的群体规模，遗传算法又分为简单遗传算法和微观遗传算法。 简单遗传算法的群体规模一般为3 0 , - - - - 2 0 0 ，且规模越大越有利于防止过早收敛问 题的出现，但由于金属成形问题是一个几何非线性和物理非线性耦合的复杂过 程，此过程模拟比较费时，而遗传算法必须通过数值模拟来获得目标函数。r o y 3 2 1 等对一种汽车零件的预成形工步的模具形状进行了优化，计算耗时较大。因此， 简单遗传算法不适应于分析金属成形过程，而微观遗传算法可克服此弊端，群体 规模可少至6 ，且具有自适应性，效率更高。 5 第一章绪论 上海交大的罗仁平【3 3 书】采用微观遗传算法进行了预成形优化设计，通过对 微观遗传算法实际编程和验证，对其进行了改进：采用多点杂交技术提高基因 块结合的多样性：根据染色体的编码距离配对，引入远源杂交原理，以加快收 敛速度，并避免了近亲杂交引起的早熟现象的出现；提出了一种适应值转换函 数，解决了适应值问题。在此基础上，对平面应变方坯镦粗和轴对称h 形截面 零件的锻造进行了预成形优化设计，并以连杆闭式模锻为例对三维问题进行了 预成形设计，取得了良好的效果。 罗佑新【3 6 】采用改进的遗传算法，分别以弹簧体积最小、重量最轻、弹簧体 积与簧丝体积加权最小为目标函数，以弹簧的直径与簧丝的直径为设计变量， 并以某内燃机气门弹簧设计为例，进行了优化设计，发现弹簧的重量减轻了 5 7 1 ，说明遗传算法是一种实用而有效的算法。 ( 2 ) 基于灵敏度分析的优化设计方法 灵敏度分析是一种广泛用于计算目标函数梯度的方法。基于灵敏度分析 的优化方法属于梯度型优化方法。该方法将锻造过程的预成形设计和模具设 计问题处理为优化问题，用严密的数学公式进行描述，将优化问题的目标函 数定义为一组给定设计变量中所希望的最终状态和数值计算状态之间的误 差的某种程度。灵敏度分析的方法需要计算目标函数对预成形参数的灵敏度 信息( 导数) ，然后采用高效的优化算法( 如b f g s 算法) 进行优化设计。求解 目标函数对设计变量的灵敏度通常有两种方法，一种是根据有限元刚度方程 推导灵敏度方程，然后求解灵敏度的值。这种方法，推导过程复杂，但求解 的灵敏度值精度高，优化迭代收敛速度高，优化次数少；另一种方法是用直 接差分法求解灵敏度的值。这种方法计算简单，但灵敏度值精度低，优化迭 代次数多，有时会出现优化不收敛的现象。 ( 3 ) 拟合优化法 拟合优化方法思想来源于外推法。这种方法用简单的函数来近似逼近目 标函数和设计变量之间的函数关系，通过求解这个简单函数的极值点来推测 真实函数的极值点。 拟合优化法属于非梯度型直接优化法，它不需要求灵敏度信息，而只需 要根据目标函数值确定优化方向。 6 山东人学硕十学位论文 ( 4 ) 扫描单纯法 该方法是对传统单纯形法的改进，是将一个单纯形放置于一个可行域 中，待其收敛后改变可行域，直至求出全局最优解。此方法比传统的单纯形 法的优越处在于可保证得到全局最优解，但算法相对复杂。 ( 5 ) 一致变换方法 一致变换方法的基本思想为：根据体积不变假设，将金属成形过程作为 纯几何变换过程，即在约束条件限制下，按照形状变换规则，将终锻件逐步 变换成形状较为简单的预成形。变换过程使用三种不同的投影方法。本方法 在实际应用中，存在下列问题：在预成形的初始状态，锻造方向、分模线应 预先确定：变换过程仅考虑单方向金属流动，不能用于锻造方向和分模线需 变换的多工序锻造中；仅基于形状变化，不能考虑不同材料因流动行为不同 而发生的变动，即不能考虑材料行为。 ( 6 ) 神经网络形状内插值法 此方法是一种基于设计实例的锻造过程预成形设计方法。它利用零件所 属零件族的已有的预成形设计实例，通过对零件族中已有零件的预成形设计 进行内插值得到此零件的预成形形状。利用这种技术，可以将由经验设计、 数值模拟设计、物理模拟设计等方式得到的预成形设计结果储存在零件族的 预成形形状库中，作为已有的设计知识，内插值可用神经网络算法实现。此 方法将减少f e m 分析设计和物理模拟设计的时间消耗。此方法实现预成形 设计的主要问题在于零件和预成形的形状表示及神经网络的训练。 ( 7 ) 改进的约束变尺度法 约束变尺度法从牛顿法求解的最优性条件出发提出的一种很有效的方 法。 1 3 体积成形过程微观组织模拟与优化的研究现状 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，也因此成为了制造型企业追求的目标。这就要 求在实际锻造生产的工艺设计时，不仅要满足外在尺寸的要求，更要追求产 品的内在质量。一般来说，提高产品机械性能的方法主要有开发新型的产品 材料、改进现有的后处理工艺及控制产品的微观组织结构等。目前，国内外 7 第一章绪论 学者们侧重于研究产品内部微观组织的变化过程和力学性能的预测与控制。 在热塑性成形中，材料微观组织的演变如动态再结晶、静态再结晶及晶粒长 大等主要依赖于材料热力学成形工艺参数，如材料组分及工艺条件等，这就 使得通过控制这些影响因素来预测和改进微观组织结构成为可能。 最初提出对材料微观组织进行控制的是轧钢领域研究的学者们。s e l l a r 和w h i t e m a n 了7 j 首先提出了碳钢热轧过程中的微观结构演变模型。y a d a 和 s e n u m a 3 8 】提出了一种经验公式分析含m n 量小于1 的碳钢的微观组织演 变。j a n 9 1 3 9 j 等采用y a d a 的经验公式分析了碳钢的微观组织演变过程并通过 热镦粗实验对分析结果进行了验证。s h i v p u r i 和p a u s k a r 4 0 l 通过实验提出了一 种统计模型来预测热锻合金钢的微观组织和机械性能。但是这些研究仅局限 于在给定的工艺条件下采用有限元法和现有的微观组织演变模型来预测微 观组织的演变，而无法通过控制变形过程中的工艺因素来达到提高产品机械 性能的目的。j s c h u n g 等【4 1 】采用微观遗传算法对非等温成形过程进行了模 拟与优化，并以圆柱形坯料加工h 形轴对称产品为例，将主要工艺参数作为 优化的设计变量，目标函数定义为产品中温度分布的不均匀程度，对直接终 锻和先预成形再终锻两种成形工艺进行了模拟和对比分析，通过控制成形工 艺来获得产品中均匀的温度分布以实现均匀的微观组织结构，与未经预锻的 成形相比较，温度分布的一致性得以明显提高，特别是在横截面的中心部分。 s k l e e 等【4 2 】以平均