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的近凈成形工藝，由于該工藝在技術(shù)、經(jīng)濟效益上的優(yōu)越性，當前在制造業(yè)中得到了廣泛應用。多工位高速鍛造的成形工位多，各工位之間關(guān)聯(lián)密切，對工藝和模具的設(shè)計要求也較高。不合理的預成形工位模具設(shè)計往往會造成工位載荷分配不合理，成形載荷過大以及折疊、充填不飽滿等成形缺陷。長期以來，為了得到合理的設(shè)計方案，設(shè)計人員往往要反復對設(shè)計方案進行試?；蛘邤?shù)值模擬，在試模結(jié)果的基礎(chǔ)上根據(jù)經(jīng)驗修改原有的設(shè)計方案。這種傳統(tǒng)的試錯優(yōu)化模式，

2、主要依靠設(shè)計人員的主觀經(jīng)驗和直觀判斷，具有很大的隨意性和局限性，很難獲得最優(yōu)的設(shè)計方案，造成資源和時間的浪費，無法適應現(xiàn)代生產(chǎn)的要求。隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和企業(yè)競爭的日益加劇，對多工位高速鍛造的產(chǎn)品開發(fā)提出了高效率、高質(zhì)量和低成本的要求，迫切需要將先進的優(yōu)化理論與方法引入多工位高速鍛造工藝優(yōu)化過程中，將設(shè)計人員從繁重的反復試湊工作中解脫出來。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)化中是一個必然的趨勢

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

4、束條件)的近似替代模型；最后，基于近似替代模型，應用懲罰策略構(gòu)造評價函數(shù)，將復雜的多約束非線性工程優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解評價函數(shù)的單目標優(yōu)化問題，應用遺傳算法尋找全局最優(yōu)解。在優(yōu)化計算過程中，利用近似替代模型快速預測響應值，而無需進行數(shù)值模擬，從而顯著節(jié)省了優(yōu)化時間。對各種試驗設(shè)計方法和近似模型建模方法進行了研究和比較。針對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)值變量型響應的近似模型，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

5、建立語言變量型響應的近似模型。分別采用正交試驗設(shè)計和拉丁超立方采樣2種試驗設(shè)計方法以及二次響應面模型、最小二乘響應面模型、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際案例的設(shè)計變量與響應值之間關(guān)系的近似替代模型，并對近似模型的預測精度進行了比較。以實現(xiàn)“設(shè)計改進-響應反饋”過程的智能集成和自動化為目標，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交互操作，為優(yōu)化提供一個智能化的集成平臺。其中包括模具幾何模型

6、根據(jù)設(shè)計變量自動修改，智能建立有限元分析模型以及從數(shù)值模擬結(jié)果自動提取響應值。提出了基于優(yōu)化案例模型和型腔參數(shù)化模型模板的知識集成模式。通過優(yōu)化案例模型，實現(xiàn)設(shè)計變量自動對應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行集成；基于型腔參數(shù)化模板，應用模具幾何模型自動獲取技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計變量到模具幾何模型的自動映射，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)。實現(xiàn)CAE分析模型的

7、智能建模和修改，自動完成多工位高速鍛造過程的連續(xù)模擬。提出了基于知識的CAE分析結(jié)果智能反饋技術(shù)。應用知識提取和模型智能重構(gòu)，對數(shù)值模擬結(jié)果中的數(shù)據(jù)進行智能地分析并自動加以轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)了模擬結(jié)果到響應值(優(yōu)化目標、約束條件)的自動提取與反饋，從而實現(xiàn)了“設(shè)計改進-響應反饋”過程的智能集成和自動化。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，利用Visual C++.n

8、et及MATLAB、EXCEL等軟件開發(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)化過程中，系統(tǒng)提供有效的智能支持，引導設(shè)計者完成多工位高速鍛造工藝優(yōu)化任務。通過對軸承套圈的多工位高速鍛造工藝優(yōu)化實例分析，驗證了該系統(tǒng)的實用性和可靠性。基于智能優(yōu)化系統(tǒng)，應用多工位高速鍛造智能集成優(yōu)化技術(shù)分別對二維熱鍛案例(軸承套圈鍛件和齒坯鍛件)和三維冷鍛案例(小齒輪鍛件)進行了