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1、浙江工业大学硕士学位论文1 9 2 9 9 5 5基于有限元模拟的汽车轮毂轴承套圈冷挤压工艺及模具优化作者姓名：吴海伟指导教师：杨庆华教授、孟彬讲师浙江工业大学机械工程学院20 10 年12 月，!：-。：。，、D i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt oZ h e j i a n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g yf o rt h eD e g r e eo fM a s t e rO p t i m i z a t i o nf o rC o l dE x t r u s i o nD i ea n
2、 dP r o c e s sP a r a m e t e r so fW h e e lH u bB e a r i n gR i n g sB a s e do nF i n i t eE l e m e n tS i m u l a t i o nCa n d i d a t e：W UH a i w e iA d v i s o r：P r o f e s s o rY a n gQ i n g h u a，M e n gB i nC o l l e g eo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gZ h e ji a n gU n i v
3、 e r s i t yo fT e c h n o l o g yD e c2 0 1 0浙江工业大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。作者签名：象舻日期：刮口年肛月妇学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文
4、的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。，2、不保密日。(请在以上相应方框内打“)作者签名：昊啬中刷磴轹彳浙江工业大学硕士学位论文基于有限元模拟的汽车轮毂轴承套圈冷挤压工艺及模具优化摘要汽车轮毂轴承作为汽车重要零部件之一，起着承受车身重量和为轮毂的转动提供精确引导的作用。据估计，目前国内仅轿车轮毂轴承的年需求量就达数千万套，市场前景广阔。因此，对轴承套圈的成形工艺及其模具进行研究，具有重要的技术意义和经济价值。常用
5、的汽车轮毂轴承套圈加工方法一般采用热锻毛坯结合后续切削加工进行生产，材料利用率低，制造成本高，且金相组织致密性不高，达不到强化设计的要求。本文采用的冷挤压技术是利用金属塑性变形来成形所需形状零件的一种净成形加工工艺。材料在三向压应力作用下挤压成形后组织致密，晶粒细化，并且材料流线沿零件轮廓连续分布，大大提高了零件的力学性能，尤其是抗疲劳性能。本文基于有限元分析平台D E F O R M 3 D 和M A T L A B 软件，提出了一套结合正交试验法、B P 人工神经网络和遗传算法的模具优化设计方法，对轴承套圈冷挤压模具和成形工艺做了优化，并对模具寿命做了预测，具体工作如下：(1)建立汽车轮毂
6、轴承内圈冷挤压模具简化模型，利用D E F O R M 3 D 软件对其成形过程进行了有限元模拟。对成形过程中应力应变场、速度场、温度场、磨损量以及行程载荷进行了分析。选择了成形挤压速度、凹模行腔的两个圆角半径、摩擦因数作为优化变量，模具磨损量、冲头载荷力、坯料应力作为优化目标。(2)引入正交试验法，建立正交试验表，安排优化变量分别取不同值的试验组，并分别对每组试验进行有限元分析，得到相对应的优化目标值。用所建立的正交试验表和其有限元分析结果为样本，代入M A T L A B 神经网络工具箱，建立B P 人工神经网络，并对网络进行训练，直到网络精度达到要求。采用训练好的神经网络对优化变量取不同
7、值时的优化目标作预测。利用回归分析，寻求优化变量与优化目标之间的函数关系，建立数学模型，作为遗传算法的目标函数。(3)利用遗传算法的寻优功能，实现最优化目标。对优化得到的冷挤压模具进行寿命预测，并试制模具。本文中，神经网络的预测功能代替了优化过程中的有限元分析。有限元分析仅仅为神经网络提供学习样本以及为优化结果做验证，不直接参与优化。避免了有限元分析耗时长的缺陷，提高了优化效率。摘要关键词：冷挤压，轴承套圈，有限元，正交试验，神经网络，遗传算法，模具寿命浙江工业大学硕士学位论文o P T I M I Z A T I o NF o RCo L DE X T R U S I o ND I EA N
8、 DP R o C E S SP A R A M E T E R SO FW H E E LH U BB E A R I N GR I N G SB A S E Do NF I N I T EE L E M E N TS I M U L A T I o NA B S T R A C TA so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r ti na u t o m o b i l e，w h e e lh u bb e a r i n gr i n g sp l a yt h er o l eo fb e a r i n gl o a da n dp r
9、o v i d i n gg u i d i n ga c c u r a c yf o rw h e e lh u b Sr o t a t i o n I ti se s t i m a t e dt h a td o m e s t i cm a r k e td e m a n d sa r et e nm i l l i o n su n i t sp e ry e a r T h e r ea r eb r i g h tm a r k e tp r o s p e c t T h e r e f o r er e s e a r c ho fw h e e lh u bb e a
10、 r i n gm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yh a sb o t ht e c h n i c a ls i g n i f i c a n c ea n dg r e a te c o n o m i cv a l u e 1 1 1 et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r et e c h n o l o g yo f w h e e lh u bb e a r i n gv i ah o tf o r g i n ga n ds u b s e q u e n tc u t t i n gp
11、r o c e s sh a sl o wm a t e r i a lu t i l i z a t i o n,h i g hm a n u f a c t u r ec o s ta n du n c e m o l i d a t e dm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e I tc a n n o tm e e tt h es t r e n g t h e n i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t s C o l de x t r u s i o ni san e tf o r m i n g
12、p I O C,e 爆8t h a tf o r m sb i l l e ti n t or e q u i r e ds h a p ep a r tw i t hm e c h a n i s mo fm e t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o n 1 1 1 eb i l l e tf o r m e du n d e rt h r e e-d i m e n s i o n a ls t r e s sh a sc o n s o l i d a t e dm e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r e
13、，g r a i nr e f i n i n g A n dt h es t r e a m l i n eo fm a t e r i a ld i s t r i b u t ea l o n gt h ep a r tp r o f i l e A f o r e m e n t i o n e dc h a r a c t e r i s t i c si m p r o v em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp a r ts i g n i f i c a n t l y,e s p e c i a l l yt h ea n t
14、i f a t i g u ep e r f o r m a n c e Ac o l l a b o r a t i v eo p t i m i z a t i o nm e t h o df o rd i ed e s i g nW a sd e s c r i b e d，c o m b i n e du s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t，n e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h mb a s e do nF E As o f t w a r eD E F
15、 O R M 3 Da n dN 灯L A B C o l de x t r u s i o nd i ea n df o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so f w h e e lh u bb e a r i n gr i n g sw e：T eo p t i m i z e d，a n dt h ed i el i f eW a sp r e d i c t e d(1)F i n i t ed e m e n tm e t h o ds i m u l a t i o nf o rc o l de x t r u s i o np r
16、o c e s sW a sp e r f o r m e da f t e rt h es i m p l i f i e dm o d e lf o rc o l de x t r u s i o nd i eo fw h e e lh u bb e a r i n gt i n g sW a se s t a b l i s h e d I nt h es i m u l a t i o n,d i s t r i b u t i o no fe f f e c t i v es t r e s s，s t r a i n,v e l o c i t y,t e m p e r a t
17、u r ef i e l d，d i ew e a rl o s e sa n dl o a d s t r o k ec I l l v ew e r ea n a l y z e d F o r m i n gv e l o c i t y,r a d i u so ft w of i l l e t so fc a v i t yd i ea n df r i c t i o ne o e 伍e i e n tw e r es e l e c t e da so p t i m i z a t i o nv a r i a b l e s，m e a n w h i l ed i ew
18、e a l l o s e 1 0 a do fp u n c h，s t r e s so f b i l l e tw e r es e l e c t e da so p t i m i z a t i o no b j e c t i v e(2)O r t h o g o n a le x p e r i m e n tw a su s e dt od e s i g ne x p e r i m e n t a ls c h e m e sw h o s eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e sw e r ec h a n g e di n
19、d i f f e r e n ts c h e m e s O p t i m i z a t i o no b j e c t i v ev a l u e sw e r eo b t a i n e df r o mf i n i t ed e m e n ta n a l y z i n go fe a c hs c h e l T l e T h e nb a s e dO i lt h en e u r a ln e t w o r kt o o lb o xi nM r L A B an e u r a ln e t w o r kW a se s t a b l i s h e
20、 du s i n gt h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e sa n dIA B S T R A C To p t i m i z a t i o no b j e c t i v ev a l u e sf r o mo r t h o g o n a le x p e r i m e n ta ss p e c i m e n T h en e t w o r kW a st r a i n e du n t i lt h ep r e c i s i o no fn e t w o kW a ss a t i s f i e d T h
21、e n,t h et r a i n e dn e t w o r kW a su s e dt of o r e c a s to p t i m i z a t i o no b j e c t i v ew h e nt h eo p t i m i z a t i o nv a r i a b l e st o o kd i f f e r e n tv a l u e s I no r d e rt of i n dm a p p i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e no p t i m i z a t i o nv a r i a b l
22、 e sa n do p t i m i z a t i o no b j e c t i v e，r e g r e s s i v ea n a l y s i sW a su s e dt oe s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hw o u l db et a k e na so b j e c t i v ee u n c t i o nf o rg e n e t i ca l g o r i t h ms u b s e q u e n t l y U t i l i z i n go p t i m i
23、 z e df u n c t i o no fg e n e t i ca l g o r i t h m，o p t i m a lo b j e c t i v eW a sa c h i e v e d(3)F i n a l l y,t h eo p t i m i z e dd i eo fw h e e lh u bb e a r i n gr i n g sW a st r i a lm a n u f a c t u r e d,a n dt h el i f eo fd i eW a sp r e d i c t e d I nt h i sd i s s e r t a
24、t i o n,f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sj u s tp r o v i d e dl e a r n i n gs a m p l e sf o rn e u r a ln e t w o r ka n dv e r i f i e dt h eo p t i m i z e dr e s u l t,w h o s ej o bi no p t i m i z e dp r o c e s sW a sr e p l a c e db yp r e d i c t i v ef u n c t i o no fn e u r a ln
25、e t w o r k I to v e r c o m e dt h ed e f i c i e n c yo fl a r g ec o m p u t a t i o n a lr e s o u r o ec o n s u m p t i o no ff i n i t ec l e m e n ta n a l y s i sa n di m p r o v e se f f i c i e n c yo fo p t i m i z a t i o n K e yW o r d s：c o l de x t r u s i o n,b e a r i n gr i n g s，
26、f i n i t ed e m e n ta n a l y s i s，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t,n e u r a ln e t w o r k，g e n e t i ca l g o r i t h m，l i f eo fd i e sI V浙江工业大学硕士学位论文摘要目录A B S T R A C T。第1 章绪论I I I11 1 研究背景和意义11 2 国内外发展现状21 2 1 轴承套圈加工方法21 2 2 有限元技术在塑性成形应用的发展状况31 2 3 优化方法在模具优化中的应用发展41 3 研究内容思路51 3 1主要
27、研究内容51 3 2 研究思路6第2 章刚塑性有限元理论2 1 刚塑性增量理论的广义变分原理72 1 1基本方程72 1 2 刚塑性材料变分原理82 2 刚塑性有限元求解步骤92 3 热力耦合分析1 02 3 1 热传导有限元列式1 02 3 2 热力耦合分析1 22 4 塑性成形有限元中的摩擦类型1 32 5 爿、结1 4第3 章轮毂轴承内圈成形优化目标及参数确定1 53 1 建立有限元模型153 2 有限元结果分析1 73 2 1 行程载荷分析173 2 2 速度场分析1 93 2 3应力场分析2 03-2 4 温度场分析。2 0V目录3 2 5 凹模磨损分析。2 13 3 优化目标及优化
28、参数的选择2 23 4 优化参数边界确定一2 33 5 小结2 4第4 章多种优化方法协同优化过程2 54 1 建立正交试验组2 54 2 人工神经网络简介2 64 2 1B P 人工神经网络2 74 2 2 印神经元模型2 84 2 3B P 学习算法2 94 3 建立B P 神经网络3 24 3 1 建立训练样本3 24 3 2 数据归一化处理3 34 3 3隐含层设计3 34 3 4 建立神经网络3 44 3 5 网络精度测试3 64 3 6 线性回归分析3 64 4 遗传算法简介。3 84 4 1 遗传算法的优点I 3 94 4 2 遗传算法实施步骤3 94 5 轴承套圈单目标遗传算法
29、优化。4 14 5 1 冲头载荷力遗传寻优4 14 5 2 凹模最大磨损量遗传寻优4 34 5 3有限元模拟验证4 54 5 3 1 冲头行程载荷优化验证4 54 5 3 2 凹模最大磨损量优化验证4 64 6 轴承套圈多目标遗传算法优化4 74 6 1多目标遗传算法分类4 84 6 2 建立多目标评价函数4 84 6 3多目标遗传算法求解4 84 6 4 有限元验证4 94 7 叫、结51第5 章模具寿命预测5 25 1 模具失效形式5 2v I浙江工业大学硕士学位论文5 2 模具磨损寿命预测5 35 3 模具疲劳寿命预测5 35 3 1 绘制冲头寿命曲线5 75 3 2 绘制凹模寿命曲线5
30、 75 4 小结5 8第6 章模具结构及其工艺设计6 1 毛坯尺寸设计5 96 2 工艺流程设计5 96 2 1毛坯球化退火软化处理5 96 2 2 酸洗去表面氧化层6 06 3 模具结构设计6 06 4 工艺试验6 16 5d、结6 3第7 章结论与展望7 1 总结6 47 2 展望6 5参考文献。致谢攻读学位期间参加的科研项目和成果V I I7 0浙江工业大学硕士学位论文第1 章绪论1 1 研究背景和意义本课题来源于浙江省科技计划面上科研工业项目“汽车轮毂轴承内外圈的冷精锻加工技术(项目编号：2 0 0 8 C 2 1 1 2 6)。通过分析金属塑性成形过程，设计合理的冷挤压成形模具及工艺
31、，利用冷挤压成形的接近净成形工艺优势，制造汽车轮毂轴承(锥形推力轴承)内外圈部件，替代传统的热锻和机械切削加工。随着我国汽车工业的发展，汽车进出口由逆差变为顺差，国内外市场对汽车零部件的需求越来越大。汽车轮毂轴承作为汽车的一个重要零部件，主要作用是为轮毂的转动提供精确引导以及承重，承受轴向和径向载荷。据不完全统计，2 0 0 6 年我国轿车轮毂轴承的需求量约5 0 0 0 万套。可见，针对轴承套圈的成形工艺及其模具的研究，具有十分重要的技术意义和广阔市场前景。现有的先进的轴承套圈毛坯加工方法主要有：冷挤、温挤、套锻、塔锻、冷辗、高速镦锻等【l】。其中冷挤压成形技术具有成形工序少、效率高、材料利
32、用充分、能耗少等优势，以及冷挤压成形工件表面质量好、尺寸精度高和力学性能好等特性，被广泛应用于汽车零部件的制造。然而，与工业发达国家相比，我国汽车工业中，冷挤压制品的利用率还很低。据初步估计，我国每辆汽车冷挤压制品约2 0 公斤，相对于发达国家的4 0至5 0 公斤还有很大差距。而且，由于冷挤压工艺本身更多的作为后续精密a n-r-的前道工序的特性，以及各国的技术保密，我们很难见到冷挤压文献以及冷挤压加工工艺，这成为阻碍我国汽车零部件产业发展的一个主要问题。在模具制造方面，C A D C A E C A M 技术因其借助计算机对成形产品、模具结构、成形工艺以及数控加工等进行设计和优化，能有效缩
33、短模具设计制造周期、降低成本、减少能耗、提高制造精度，已逐步取代传统的模具设计制造工艺【2 1。随着计算机技术和有限元模拟技术(F E M)的发展，不少学者应用有限元模拟技术模拟金属塑性成形过程，揭示金属流动规律、行程载荷变化、应力应变分布规律和温度分布规律，从而对模具结构及挤压工艺进行改进。有限元模拟技术的应用使得模具设计人员能够在制造模具之前预测潜在的缺陷，将缺陷在设计初级阶段解决。避免了反复试模、修模造成的模具材料以及模具设计时间的浪费。绪论虽然利用有限元模拟技术可以达到模具优化设计的目的，但是仍然属于多次试凑法，需要耗费大量机时，对于模具优化设计尚没有确定的算法。国内外大多学者采用数值
34、模拟技术与优化方法相结合的方法。其中最具有代表性的优化方法有拟合优化法、遗传算法、人工神经网络法等。本文将有限元模拟技术与遗传算法、人工神经网络法、正交试验法这几种优化方法相结合，对汽车轮毂轴承套圈冷挤压模具及工艺参数进行优化设计。通过这种协同优化设计，将有限元模拟技术相对独立于优化过程，不直接参与优化，仅仅为神经网络提供训练样本，以及对优化结果进行验证。避免了传统优化方法消耗大量机时的缺陷，提供了一种快速、高效的轴承套圈冷挤压模具和工艺优化设计方法，也为其他形状复杂的汽车零部件冷挤压成形技术的研究奠定了基础。1 2 国内外发展现状1 2 1 轴承套圈加工方法轴承套圈传统的加工工艺通常是采用高
35、温锻制毛坯、切削加工、热处理，具有以下缺点：(1)容易脱碳、氧化；(2)切削余量较大，材料利用不充分；(3)工艺复杂、加工周期较长；(4)尺寸精度不高；(5)金属流线被切断，力学性能变差；(6)高温锻造能耗大、工作环境差。为了克服以上传统加工工艺的缺陷，国内外研究人员对轴承套圈的塑性成形加工工艺做了大量研究，提出了很多新的塑性成形工艺，并应用于实际生产。现有先进的轴承套圈毛坯加工方法主要有：冷挤、温挤、套锻、塔锻、冷辗、高速镦锻等 1，3 1。金属在冷态下进行挤压，变形抗力大，对挤压机的要求很高，吨位要求大。因此为了降低挤压力，热锻或温锻应用比较广泛。对于汽车轮毂轴承套圈以及其他一些中小型圆锥
36、轴承套圈，发达国家现多采用高速镦锻机或多工位压力机热锻毛坯，采用中频加热分流锻造轴承套圈。所生产的轴承套圈精度高、力学性能好、材料利用率高 4，5 1。国内轮毂轴承生产的高速多工位镦锻设备基本依赖国外进口，如瑞士哈特贝尔公司的A M P 系列，日本阪村机械株式会社的H B P，H P F，B P 系列，意大利的S A C M A 公司。但是这些设备都比较昂贵，对于国内大多数中小企业来说，投资巨大，因此，并没有在国内得到普遍应用。国内大型企业普遍采用劳动密集型压力机联线生产，主要工艺有单件挤压成形工艺和挤压辗扩成形工艺。2参数、成形温度等【6 一。传统的模具设计方法往往依赖于设计人员丰富的经验，
37、设计周期长，材料消耗大，己不能适应现代工业发展的需求。随着计算机技术的发展，计算机模拟技术(C A E)在塑性成形加工中的应用日渐普及。各种C A E 商业软件己在生产实际生产中得到广泛应用。在塑性成形加工中，它可以用于分析各种成形工艺，如各种锻造、轧制、冲压、拉拔及随后的各种热处理。它可以计算温度场、各种应力应变参量、再结晶动力学、扩散行为及相变动力学等参量【s】。有限元法(F E M)是金属塑性成形C A E 技术的理论基础。于上个世纪7 0 年代开始，应用于金属塑性成形加工领域。主要分为弹塑性有限元方法和刚塑性有限元方法。1 9 6 7 年，P V M a c r a l 和I P K
38、i n g 提出了小变形弹塑性有限元法，采用增量方法分析了金属成形问题。7 0 年代，C H L e e 和S K o b a y a s h i，1 w a t a，A N a g a m a s t u a 等学者，对锻压、挤压、拉拔、轧制等各种金属成形问题做了研究与分析。发现随着变形量的增大，分析结果误差明显增大，且步长太小，计算效率太低，限制了其在塑性成形领域的进一步应用。大变形弹塑性有限元法产生于7 0 年代。L e e、H i b b i t t、M c M e c k i n g 等人推导出了可用于大变形弹塑性计算的有限元列式，分别是T L 法、U L 法和E u l c r 法
39、。由于金属塑性成形分析需要较多的加载步长，使得大变形问题计算时间较长，效率较低，故在七八十年代弹塑性有限元方法未能得到更为广泛的应用。但是，相对于刚塑性有限元法，弹塑性有限元法具有可同时考虑弹性变形和塑性变形的优势。可以分析塑性成形的加载和卸载过程，以及工件残余应力、内部应力应变分布、回弹、工件与模具的相互作用等问题。为了克服弹塑性有限元法的缺陷，K L a n g e 于1 9 7 1 年以M a r k o v 变分原理为基础，把体积不可压缩条件利用拉格朗日乘子法引入到泛函中，建立了刚塑性有限元公式。1 9 7 3 年，C H L e e 和S K o b a y a s h i 提出了刚
40、性区的处理方法和反正切摩擦力模型，应用于圆环墩粗分析。1 9 7 9 年，O C Z i e n k i e w i c z 等提出采用罚函数法处理体积不可压缩条件的刚塑性有限元法。1 9 8 2 年，K M o i l 和K O s a k a d a 提出刚塑性可压缩材料的有限元法。刚塑性有限元法忽略了弹性变形，通过在离散空间对速度积分来处理几何非线性，解法相对简单。可采用更大的增量步长，用小变形的计算方法来处理塑性大变形问题。与弹塑性有限元法相比，计算模型和求解过程简单，计算效率较高，且其精度和可靠性满足工程精度要求 2，9，1 0 1。3绪论8 0 年代开始，塑性成形有限元软件逐渐实现
41、实用化和商品化。目前，市场上较为成熟的有限元分析软件主要有M A R C、A N S Y S、D 町A F O l 蝴、M T L F R MP A M S T A M P、A B A Q U S、O P T R I SD E F O R M、S u p e r-f o r g e 以及我国的M A F A P 等【7，1 1 1。国内外专家采用数值模拟技术对汽车零部件成形加工作了大量研究。K i m 等对汽车转向系中斜齿轮冷精锻进行了数值模拟【1 2 1。W a n gH u a j u n 等人利用三维刚塑性有限元理论，对汽车主减速器螺旋锥齿轮精密锻造过程进行了模拟，得到了具有完整齿形和金
42、属流动过程的锻造零件模型【1 3】。张剑寒等人采用数值模拟方法对轴承钢球冷挤压工艺做了研究，并对其模具进行了优化【1 4 J。1 2 3 优化方法在模具优化中的应用发展最优化方法就是用数学的结果和计算机的数值计算的方法去寻找一个最佳的选择【1 5 1。在金属塑性成形应用中具有代表性的有：基于灵敏度分析的优化法以及无敏度拟合优化法的遗传算法、人工神经网络法等。基于灵敏度分析的优化方法要求先建立数学模型，推导出目标函数对设计变量的灵敏度方程，根据现有的设计变量值求解出灵敏度信息，再确定设计变量的最优搜索方向，得到更优的设计变量，求解灵敏度信息，如此反复，直至优化迭代收敛。J o u n 等人【1
43、6 1 9】应用该优化设计方法结合有限元分析，对多种截面挤压轮廊形状进行了优化设计；H y u n b o 等【冽对板料成形形状做了优化设计；赵国群等【2 1 洲用B 样条曲线表示预成形模具形状，实际终锻件与理想终锻件形状之差为目标函数，对锻造过程模具预成形形状优化做了大量的工作。无敏度优化方法是直接寻优解法，包括随机优化方法、拟合优化法、改良的遗传算法、人工神经网络法等。拟合优化法不需要求灵敏度信息，由目标函数值确定优化方向，属于非梯度型直接优化法。K u s i a k 2 s,2 6 p A 锻件中奥氏体颗粒分布一致为目标，对轴对称闭式模锻的预成形进行了优化。但该方法对设计变量有一定限制
44、，设计变量过多时，可能会使拟合过程失效。遗传算法是由美国I H H o U a n d 教授于1 9 5 7 年提出的一种自适应全局优化概率搜索劣汰 的生命机制进行优选，属于直接优化法。具有全局搜索性等优点，尤其适用于目标函数不连续或具有多个极值点，设计迭情况u 2 8,2 9 1。浙江工业大学硕士学位论文人工神经网络采用数学形式构造出生物神经网络的结构及工作方式的模型，通过模拟大脑的一些机理与机制，实现所对应某个方面的功能【3 0 1。人工神经网络具有自学习、自组织、自适应和非线性动态处理等特性【3 1 1，可以充分逼近任意复杂的非线性关系，其并行分布处理方法使得快速进行大量运算成为可能。在
45、模具优化领域中得到了广泛的应用。K i m 等学者【3 2，3 3 1 最早提出将人工神经网络用于金属成形过程，采用三层B P 神经网络，利用神经网络强大的函数逼近能力优化初始工件尺寸和模具型腔轮廓形状，减少了有限元分析的计算量；刘汉武等【3 4 1 结合有限元法、人工神经网络与遗传算法对生产方管铝型材的挤压模具进行强度校核与结构优化。邹琳等3 5,3 6 1 提出一种集有限元模拟、多种群并行遗传算法、B P 神经网络为一体的挤压模具优化模型，实现了优化迭代过程中个体适应度值的实时求解。1 3 研究内容思路1 3 1 主要研究内容本文以桑塔纳I A 5 4 4 9 汽车轮毂轴承套圈为例，针对其
46、传统的切削机加工的缺陷，对套圈冷挤压成形工艺做了分析。为了探讨模具形腔关键尺寸和成形工艺参数对模具寿命及挤压件质量之间的关系，缩短模具设计周期以及提高模具使用寿命，应用有限元分析软件D E F O R M 3 D 对工件成形过程进行有限元模拟。结合正交试验法、B P 人工神经网络法和遗传算法等优化方法，对模具及成形工艺进行优化设计。并对优化后的模具进行工艺试制及工件试生产，验证优化结果的可行性。主要研究内容如下：(1)三维建模及有限元模拟。初步设计模具形腔结构、冲头、坯料形状，运用三维建模软件建立初始模型。导入到有限元分析软件D E F O R M 3 D，初步确定工艺参数，对轴承套圈冷挤压成
47、形过程进行模拟分析。根据有限元分析结果，挑选凹模圆角、冲头挤压速度、摩擦因数为优化变量，确定模具磨损量、工件最大应力、凸模最大载荷力为优化目标。为优化设计做前期准备。(2)优化设计。采用正交试验方法设计试验方案，应用有限元分析软件D E F O R M 3 D 分别对各组别方案进行有限元分析，得到的分析结果作为神经网络的训练样本。建立三层B P 神经网络模型，得到模具及工艺优化参数和优化目标之间的对应关系，并对其迸行线性回归分析，建立函数模型。所得到的函数模型作为遗传算法的适应度函数，进行遗传寻优，实现对模具及工艺的优化设计。最后采用有限元仿真对优化结5绪论6证，证明其正确性。模具寿命预测。对
48、优化后的模具建立寿命预测模型，预测模具寿命。冷挤压模具结构设计及工艺制定。根据优化后的模具结构参数设计模具。模具试制。进行汽车轮毂轴承套圈产品试制，对试制产品的尺寸精度、表面耐磨性、使用寿命等性能指标以及产品的生产效率、成品率等进行测试分析。究思路究思路如图1-1：初步设计模具结构，进行有限元。分析、确定优化参数和优化目标上正交试验法设计实验方案上建立B P 人工神经网络上回归分析，建立数学模型上遗传算法进行优化上有限元模拟验证优化结果土模具寿命预测土模具设计及试制图1-1 全文研究思路浙江工业大学硕士学位论文第2 章刚塑性有限元理论刚塑性有限元法是目前国内外公认的分析金属成形问题最先进的方法
49、之一，它具有以下优剧3 7】：(1)由于单元形状具有多样性，有限元法使用任意的边界条件、任何材料模型、任意的结构形状，一般不会发生处理上的困难。金属材料的塑性加工过程，都可以利用有限元进行分析，而其他的数值方法往往会受到一些限制。(2)能够提供金属塑性成形过程中变形力学的详细信息，为优化模具结构设计及成形工艺参数提供详细而可靠的依据。(3)虽然有限元法的计算精度与所选择的单元种类、单元大小等有关，但随着计算机技术的发展，有限元法计算结果的精度将会越来越高。(4)用有限元法编制的计算机程序通用性强，可以用于求解大量复杂的问题。只需修改少量的输入参数数据即可。(5)由于计算过程完全计算机化，既可以
50、减少一定的试验工作，又可直接与C A D C A M 实现集成，有利于模具设计过程自动化。2 1 刚塑性增量理论的广义变分原理2 1 1基本方程金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程极为复杂。为便于数学上的处理和简化计算，需要对材料性能和变形过程作出一些假设。其基本假设主要有：(1)忽略材料的弹性变形，即8 0 a,驴=0；(2)材料的体积不可压缩；(3)忽略成形过程中的B a u s c h i n g e r 效应；(4)材料具有均质各相同性；(5)不计体积力的影响。刚塑性材料应满足的基本方程有：(1)平衡微分方程岛，=0(2-1)7刚塑性有限元理论(2)本构方程式中占为等效应变率，仃