基于預成形設計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化與實驗研究.pdf

1、鍛造生產廣泛應用于機械、冶金、造船、航天、兵器以及其它許多工業(yè)生產部門，在國民經濟中占有極為重要的地位。隨著全球經濟競爭的日趨激烈，低成本、高質量和高效率成為制造型企業(yè)在競爭中取勝的關鍵因素，為此，要求對鍛造過程中涉及到的有關工藝參數(shù)進行優(yōu)化設計。材料在鍛造過程中的微觀組織演變及最終產品的組織結構直接決定著產品機械性能，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)化設計中必須且非常關鍵的內容，具有重要的應用價值。預鍛模及預成形形狀

2、與終鍛件形狀直接對應，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。因而，預成形設計便成為控制產品質量、實現(xiàn)鍛造生產要求的非常重要的方面。 在對國內外微觀組織模擬與優(yōu)化的發(fā)展及現(xiàn)狀作了全面回顧的基礎上，本文以鍛件晶粒尺寸細小均勻為目標，以預成形模具形狀為優(yōu)化對象，將有限元數(shù)值模擬方法和遺傳優(yōu)化算法結合起來，對典型的圓柱體鐓粗和H形截面的軸對稱鍛件進行面向微觀組織優(yōu)化的預成形設計，并對應優(yōu)化結果設計實驗進行

3、驗證。 本文對剛粘塑性有限元的理論進行了闡述，給出了剛粘塑性材料的基本假設及塑性力學基本方程，介紹了剛粘塑性有限元變分的基本原理及求解過程，并詳細介紹了遺傳算法的基本原理，一般結構以及常規(guī)的操作步驟。 介紹了最優(yōu)化設計的主要內容和一般原則，分別對鍛件形狀和微觀組織的優(yōu)化建模進行了研究。建立了適合于組成總目標函數(shù)的新的形狀子目標函數(shù)和晶粒尺寸子目標函數(shù)，給出了其詳細的表達式，然后采用加權的方法將兩者組成總的目標函數(shù)，對總目

4、標函數(shù)進行優(yōu)化。 利用FORTRAN語言，采用微觀遺傳算法與有限元模擬相結合的方法，開發(fā)了基于預成形設計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化程序。該程序由初始化模塊，預成形參數(shù)修改模塊，預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)基于預成形設計的鍛造過程微觀組織的優(yōu)化設計。

5、 利用本文所開發(fā)的基于預成形設計的鍛造過程微觀組織優(yōu)化設計軟件，對圓柱體熱鐓粗及H形截面軸對稱鍛件進行了面向微觀組織的預成形優(yōu)化設計。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82.51μm下降到72.38μm，下降了12.3％；非等溫過程平均晶粒度由80.2μm下降到66.7μm，平均晶粒度下降了約14μm，而且分布均勻性均得到了明顯的提高，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壁幾乎沒有鼓形的情況。對H形

6、等溫鍛造，整個鍛件的平均晶粒度由86.3μm下降到69.35μm，平均晶粒度下降了約20.3％；對H形非等溫鍛造，整個鍛件的平均晶粒度由89.7μm下降到54.36μm，平均晶粒度下降了約35μm，優(yōu)化后，微觀組織更加均勻細致，優(yōu)化效果明顯。終鍛件由最初的有較大飛邊的情況變成了最終的飛邊較小，完全充滿的情況。上述應用實例表明，本文所開發(fā)的軟件中的優(yōu)化算法具有相當?shù)目煽啃浴?根據(jù)優(yōu)化中所采用的相關參數(shù)及優(yōu)化結果，設計實驗模具，進行