多工位高速鍛造工藝智能集成優(yōu)化技術(shù)研究.pdf

1、多工位高速鍛造是一種先進(jìn)的近凈成形工藝，由于該工藝在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益上的優(yōu)越性，當(dāng)前在制造業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。多工位高速鍛造的成形工位多，各工位之間關(guān)聯(lián)密切，對(duì)工藝和模具的設(shè)計(jì)要求也較高。不合理的預(yù)成形工位模具設(shè)計(jì)往往會(huì)造成工位載荷分配不合理，成形載荷過(guò)大以及折疊、充填不飽滿(mǎn)等成形缺陷。長(zhǎng)期以來(lái)，為了得到合理的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)人員往往要反復(fù)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試模或者數(shù)值模擬，在試模結(jié)果的基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗(yàn)修改原有的設(shè)計(jì)方案。這種傳統(tǒng)的試錯(cuò)優(yōu)化模式，

2、主要依靠設(shè)計(jì)人員的主觀(guān)經(jīng)驗(yàn)和直觀(guān)判斷，具有很大的隨意性和局限性，很難獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，造成資源和時(shí)間的浪費(fèi)，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇，對(duì)多工位高速鍛造的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提出了高效率、高質(zhì)量和低成本的要求，迫切需要將先進(jìn)的優(yōu)化理論與方法引入多工位高速鍛造工藝優(yōu)化過(guò)程中，將設(shè)計(jì)人員從繁重的反復(fù)試湊工作中解脫出來(lái)。因此，將智能技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)與最優(yōu)化技術(shù)引入多工位高速鍛造工藝與模具的優(yōu)化中是一個(gè)必然的趨勢(shì)

3、。本文與瑞士哈特貝爾公司(HATEBUR)合作開(kāi)展了研究工作，并取得了以下研究成果：針對(duì)多工位高速鍛造優(yōu)化問(wèn)題所具有的各工位之間關(guān)聯(lián)密切、約束與目標(biāo)眾多、響應(yīng)值與設(shè)計(jì)變量無(wú)顯式關(guān)系，并且全過(guò)程模擬時(shí)間長(zhǎng)，復(fù)雜零件不能二維簡(jiǎn)化的特點(diǎn)，提出了基于近似替代模型的組合優(yōu)化策略。首先采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行顯著性分析，去除不重要的設(shè)計(jì)變量，降低優(yōu)化問(wèn)題的規(guī)模；之后應(yīng)用拉丁超立方采樣方法獲取樣本點(diǎn)，構(gòu)建設(shè)計(jì)變量和響應(yīng)值(優(yōu)化目標(biāo)、約

4、束條件)的近似替代模型；最后，基于近似替代模型，應(yīng)用懲罰策略構(gòu)造評(píng)價(jià)函數(shù)，將復(fù)雜的多約束非線(xiàn)性工程優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解評(píng)價(jià)函數(shù)的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，應(yīng)用遺傳算法尋找全局最優(yōu)解。在優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中，利用近似替代模型快速預(yù)測(cè)響應(yīng)值，而無(wú)需進(jìn)行數(shù)值模擬，從而顯著節(jié)省了優(yōu)化時(shí)間。對(duì)各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和近似模型建模方法進(jìn)行了研究和比較。針對(duì)多工位高速鍛造工藝優(yōu)化，提出采用拉丁超立方采樣和Kriging模型的組合建立數(shù)值變量型響應(yīng)的近似模型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

5、建立語(yǔ)言變量型響應(yīng)的近似模型。分別采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和拉丁超立方采樣2種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法以及二次響應(yīng)面模型、最小二乘響應(yīng)面模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和Kriging模型4種近似建模方法建立實(shí)際案例的設(shè)計(jì)變量與響應(yīng)值之間關(guān)系的近似替代模型，并對(duì)近似模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行了比較。以實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)改進(jìn)-響應(yīng)反饋”過(guò)程的智能集成和自動(dòng)化為目標(biāo)，研究了CAD/CAE智能集成的關(guān)鍵技術(shù)，從而減少繁瑣的人機(jī)交互操作，為優(yōu)化提供一個(gè)智能化的集成平臺(tái)。其中包括模具幾何模型

6、根據(jù)設(shè)計(jì)變量自動(dòng)修改，智能建立有限元分析模型以及從數(shù)值模擬結(jié)果自動(dòng)提取響應(yīng)值。提出了基于優(yōu)化案例模型和型腔參數(shù)化模型模板的知識(shí)集成模式。通過(guò)優(yōu)化案例模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變量自動(dòng)對(duì)應(yīng)到同一或不同工位的模具幾何模型上的形狀參數(shù)，并將優(yōu)化信息和幾何模型進(jìn)行集成；基于型腔參數(shù)化模板，應(yīng)用模具幾何模型自動(dòng)獲取技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)變量到模具幾何模型的自動(dòng)映射，并保證了模具之間的約束與裝配關(guān)系。提出了基于有限元分析模板的CAE模型智能建模技術(shù)。實(shí)現(xiàn)CAE分析模型的

7、智能建模和修改，自動(dòng)完成多工位高速鍛造過(guò)程的連續(xù)模擬。提出了基于知識(shí)的CAE分析結(jié)果智能反饋技術(shù)。應(yīng)用知識(shí)提取和模型智能重構(gòu)，對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果中的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能地分析并自動(dòng)加以轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)了模擬結(jié)果到響應(yīng)值(優(yōu)化目標(biāo)、約束條件)的自動(dòng)提取與反饋，從而實(shí)現(xiàn)了“設(shè)計(jì)改進(jìn)-響應(yīng)反饋”過(guò)程的智能集成和自動(dòng)化。在基于近似替代模型的組合優(yōu)化策略和CAD/CAE智能集成技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，本文基于UG NX和DEFORM軟件平臺(tái)，利用Visual C++.n

8、et及MATLAB、EXCEL等軟件開(kāi)發(fā)了多工位高速鍛造工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)。將基于近似替代模型的優(yōu)化流程和相關(guān)知識(shí)集成到多工位高速鍛造工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)中，在優(yōu)化過(guò)程中，系統(tǒng)提供有效的智能支持，引導(dǎo)設(shè)計(jì)者完成多工位高速鍛造工藝優(yōu)化任務(wù)。通過(guò)對(duì)軸承套圈的多工位高速鍛造工藝優(yōu)化實(shí)例分析，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。基于智能優(yōu)化系統(tǒng)，應(yīng)用多工位高速鍛造智能集成優(yōu)化技術(shù)分別對(duì)二維熱鍛案例(軸承套圈鍛件和齒坯鍛件)和三維冷鍛案例(小齒輪鍛件)進(jìn)行了