基于類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法的鍛造預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、鍛造是一種主要的材料成形加工方法。鍛件最終成形前，往往需要進(jìn)行一次或多次預(yù)成形，預(yù)成形工序數(shù)目和預(yù)成形形狀設(shè)計(jì)是塑性成形工藝和模具設(shè)計(jì)的根本和難點(diǎn)，一直未能很好地解決?；诮?jīng)驗(yàn)、物理模擬或數(shù)值模擬的預(yù)成形設(shè)計(jì)方法難以得到合理的預(yù)成形設(shè)計(jì)結(jié)果，從理論上研究預(yù)成形設(shè)計(jì)方法具有重要的理論和工程意義。
　　 類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法作為一種新興的非優(yōu)化算法，可以用靜電場(chǎng)中不同電壓的兩個(gè)導(dǎo)體間等勢(shì)場(chǎng)分布模擬塑性變形過(guò)程中坯料與鍛件之間最小變形路徑，在三

2、維復(fù)雜鍛件的預(yù)成形設(shè)計(jì)中有廣闊的應(yīng)用前景。本文首次將類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法、工程優(yōu)化算法和有限元分析方法相結(jié)合，以預(yù)鍛件形狀為優(yōu)化對(duì)象，對(duì)三維軸對(duì)稱(chēng)鍛件和三維復(fù)雜鍛件（預(yù)成形件為三維形狀）的預(yù)成形設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究:
　　 (1)結(jié)合類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法和預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理，針對(duì)需要兩工步模鍛成形的鍛件，提出了基于類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行鍛造預(yù)成形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。該方法對(duì)只需一步預(yù)成形的三維軸對(duì)稱(chēng)鍛件或形狀復(fù)雜的非軸對(duì)稱(chēng)鍛件均適用。
　　

3、 (2)以典型的H型截面軸對(duì)稱(chēng)鍛件為例，對(duì)需要兩工步模鍛成形的鍛件進(jìn)行了基于類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法的預(yù)成形多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。首先運(yùn)用靜電場(chǎng)模擬方法獲得了坯料與鍛件之間的等勢(shì)場(chǎng)分布;然后以等勢(shì)線(xiàn)電勢(shì)值和預(yù)成形件與終鍛件體積比為設(shè)計(jì)變量，以鍛造充填率為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)H型軸對(duì)稱(chēng)鍛件的終鍛成形過(guò)程進(jìn)行了響應(yīng)面分析，確定了最佳預(yù)鍛件體積和合理的等勢(shì)線(xiàn)取值范圍;最后以等勢(shì)線(xiàn)電勢(shì)值為單因素設(shè)計(jì)變量，運(yùn)用共軛梯度優(yōu)化算法，對(duì)H型軸對(duì)稱(chēng)鍛件進(jìn)行了基于鍛件變形均勻性和

4、終鍛力的多目標(biāo)預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了最優(yōu)預(yù)鍛件形狀，得到了飛邊較小、變形均勻而且終鍛力較小的終鍛件。
　　 (3)針對(duì)需要多工步模鍛成形的三維復(fù)雜鍛件，提出了基于類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法進(jìn)行兩步預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。采用反向設(shè)計(jì)法，首先結(jié)合類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法、響應(yīng)面優(yōu)化方法和有限元數(shù)值分析，確定最優(yōu)預(yù)鍛件形狀;然后基于優(yōu)化后的預(yù)鍛件形狀，采用縱橫截面曲線(xiàn)方法設(shè)計(jì)合理的預(yù)制坯形狀。經(jīng)過(guò)兩步預(yù)成形設(shè)計(jì)，可以解決三維復(fù)雜鍛件終鍛時(shí)容易產(chǎn)生折迭和不易充滿(mǎn)的問(wèn)

5、題。
　　 (4)以形狀復(fù)雜的擺體鍛件為例，對(duì)需要多工步模鍛成形的三維復(fù)雜鍛件進(jìn)行了基于類(lèi)等勢(shì)場(chǎng)法的兩步預(yù)成形優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。運(yùn)用靜電場(chǎng)模擬方法獲得了坯料與擺體鍛件之間的三維等勢(shì)場(chǎng)分布，通過(guò)等勢(shì)面的分布規(guī)律分析了坯料成形過(guò)程中的流動(dòng)特征，判斷擺體鍛件可能出現(xiàn)的鍛造缺陷;采用截面曲線(xiàn)放樣法提取了三維靜電場(chǎng)中等勢(shì)面作為預(yù)鍛件形狀;基于靜電場(chǎng)模擬結(jié)果，以等勢(shì)面電勢(shì)值和預(yù)鍛件與終鍛件體積比為設(shè)計(jì)變量，以鍛造充填率為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)三維復(fù)雜擺體鍛