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1、重庆大学博士学位论文基于代理模型的锻造模具结构智能优化研究姓名：张渝申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：周杰20091204中文摘要摘要锻造是金属塑性加工中常用的加工方法，由于材料经过锻造加工之后具有各项优良的机械性能，所以广泛应用于各种机械产品的加工。锻造模具是锻造生产中的主要装备，其设计和制造的质量以及使用寿命决定了锻件的质量和成本。对锻件质量的控制，主要是要对锻造模具进行控制。影响锻造工艺及锻件质量的因素可归纳为模具结构形状设计、模具材料、模具加工、锻件复杂程度、设备性能等因素。由于在金属塑性变形过程中材料的流动主要受模具形状的影响及控制，因此，合理选择与设计模具结构的形状参数
2、就显得尤为重要。随着数值模拟仿真技术日益成熟，基于模拟的设计方法在塑性成形工程中得到了广泛应用。这种设计方法是应用有限元技术对金属塑性成形过程中的应力应变进行计算，在后处理结果中直观地分析成形过程中金属的流动规律以及设计变量对成形过程的影响，判断是否会产生成形缺陷，预测成形载荷，然后对工艺参数和模具形状的进行修改。为了提高锻造模具的设计效率、降低制造成本和提高产品质量，有必要对锻造工艺及其模具结构中影响锻件质量的各项工艺参数进行优化。目前，基于有限元分析的优化设计方法在锻造成形工艺及其模具设计中的已成为一种趋势。作为基于有限元分析的优化方法之一，基于目标函数值的拟合优化方法因其通用性好而最具推
3、广价值。基于目标函数值的拟合优化方法，其特点是优化与有限元程序分离，通用性强。可直接利用现有的商用有限元分析软件，充分发挥其强大的有限元计算功能。基于目标函数值的拟合优化方法，其实质是代理模型方法，即用拟合的方法建立近似模型，通过近似模型逼近目标函数和设计变量之间的函数关系，然后求解这个近似模型的极值点来逼近真实的极值点。基于目标函数值的拟合优化方法中，关键是要通过定的拟合方法，建立起能够正确反映设计变量与目标函数之间关系的近似模型。为了能够正确地反映设计变量各个参数的重要性，必须采用合理的试验设计方法获得所需的样本点。得到足够的样本点后，通过一定的机理模型，采用数值模拟程序进行求解，获得所关
4、心的目标函数值。然后选择合适的近似模型构建方法进行拟合。最后，对得到的近似模型进行优化分析(低维的采用常规线性规划或非线性规划，高维的采用智能优化算法)。由于金属塑性成形问题的多因素高维非线性无法用常规优化迭代方法寻优，而智能优化方法可以不用求导数，且全局探索能力强，非常适用于塑性成形问题重庆大学博士学位论文的优化。另外，充分考虑到g r i g i n g 模型适于对高维非线性问题进行插值拟合的特点。本文将K r i g i n g 模型与遗传算法(G e n e t i cA l g o r i t h m s，G A)相耦合，提出g r i g i n g G A 优化策略，用于锻造模具
5、结构参数的优化设计。K r i g i n g-G A 优化策略由三部分组成：近似模型的构建；多目标问题的变换；遗传算法寻优。I 蹦g i n g 模型的构建与遗传算法寻优通过在M a t l a b 下编程进行耦合。与遗传算法比较而言，粒子群算法容易实现，并且由于其不需要遗传交叉、变异等操作，使之需要调整的参数较少。另外，粒子群算法具有收敛速度快的优点。本文将K r i g i n g 模型与粒子群优化算法(P a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o n，P S O)相耦合，首次提出了g r i g i n g P S O 优化策略，在M a
6、t l a b 下编程实现。将K r i g i n g G A 优化策略用于汽车法兰盘锻模和汽车曲轴锻模的优化中，与多项式响应面方法进行了对比。研究结果表明，K r i g i n g G A 优化法较多项式响应面方法的预测精度高，但收敛慢。在此基础上，将K r i g i n g P S O 优化策略应用于该汽车曲轴锻模的优化问题作为对比。结果表明，与K r i g i n g G A 法所得优化结果基本一致，但收敛速度提高数十倍。最后，将K r i g i n g P S O 优化策略应用于射孔弹冷挤压的预挤压成形和终成形组合凹模的优化设计中，验证了K r i g i n g P S O
7、 优化策略的有效性。关键词：锻造，模具结构，优化，遗传算法，粒子群算法英文摘要A B S T R A C TF o r g i n gi st h ec o m m o n l yu s e dp r o c e s s i n gm e t h o di nm e t a lp l a s t i cp r o c e s s i n g D u et ot h em a t e r i a la f t e rf o r g i n gh a v ee x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s，S Ot h i sm e t
8、 h o dw i d e l ya p p l i e di na l lk i n d so fm e c h a n i c a lp r o d u c t sp r o c e s s i n g A sf o 画n gd i ei st h em a i ne q u i p m e n ti nf o r g i n gp r o d u c t i o n,t h eq u a l i t yo fi t sd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n ga n ds e r v i c el i f ed e t e r m i n e st
9、 h eq u a l i t ya n dc o s to ff o r g i n g s T h eq u a l i t yo ff o r g i n g sm a i n l yd e p e n d so nt h eq u a l i t yo ff o r g i n gd i e T h ei n f l u e n c ef a c t o r so ff o r g i n gp r o c e s sa n df o r g i n g sq u a l i t yC a nb es u m m a r i z e da st h em o l ds t r u c
10、t u r ea n ds h a p ed e s i g n,m o u l dm a t e r i a l，m o u l dp r o c e s s i n g，f o r g i n g sc o m p l e x i t y,e q u i p m e n tp e r f o r m a n c e，a n do t h e rf a c t o r s T h em a t e r i a lf l o wd u r i n gm e t a lp l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s sm a i n l yi si n
11、 f l u e n c e da n dc o n t r o l l e db yt h em o l ds h a p e，t h e r e f o r e，r e a s o n a b l es e l e c t i o na n dd e s i g no ft h em o l ds t r u c t u r es h a p ep a r a m e t e r sa r ep a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t W i n lt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o
12、 l o g yh a sb e c o m e m o r em a t u r e，s i m u l a t i o n-b a s e dd e s i g nm e t h o di np l a s t i cf o r m i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l yu s e d T h i sd e s i g na p p r o a c hi st oc a l c u l a t es t r e s sa n ds t r a i ni nt h em e t a lf o r m i n gp r o c e s s
13、u s i n gf i n i t ee l e m e n tt e c h n o l o g y,a n dt od e t e r m i n ew h e t h e rt h ed e f e c t sw o u l dh a v ef o r m e da n dt op r e d i c tf o r m i n gl o a d，a n dt h e nm o d i f yt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm o l ds h a p e st h r o u g ha ni n t u i t i v ea n a
14、l y s i so fm e t a lf o r m i n gp r o c e s sf l o wp a t t e r na n dd e s i g nv a r i a b l e so nt h ei m p a c to ff o r m i n gp r o c e s si nP o s t-p r o c e s s i n gr e s u l t s I no r d e rt oi m p r o v et h ef o r g i n gd i ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dr e d u c em a n u f a
15、 c t u r i n gc o s t sa n di m p r o v ep r o d u c tq u a l i t y,i ti sn e c e s s a r yt oo p t i m i z et h ef o 哂n gp r o c e s sp a r a m e t e r si nf o r g 堍p r o c e s sa n dd i es t r u c t u r et h a ta f f e c tt h eq u a l i t yo ft h ef o r g i n g s A tp r e s e n t，t h eo p t i m u
16、md e s i g nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si nf o r g i n gp r o c e s sa n di t sd i ed e s i g nh a sb e c o m eat r e n d A so n eo ft h eo p t i m i z a t i o nm e t h o db a s e do nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s，t h ef i t t i n go p t i m i z a t i o nm
17、 e t h o d sb a s e d0 nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u ei st h em e t h o dt oh ep o p u l a r i z e dc u r r e n t l yb e c a u s eo fi t sg o o dg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c s T h ef i t t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t i v ef u n c
18、t i o nv a l u e，w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db ys e p a r a t i o no fo p t i m i z a t i o na n dt h ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n dv e r s a t i l i t y,C a nb ed i r e c t l yu s et h ee x i s t i n gc o m m e r c i a lF E Ms o f t w a r e，g i v ef u l lp l a yt oi t sp o w e
19、 r f u lf i n i t ee l e m e n tf u n c t i o n s T h ef i t t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u ei sm重庆大学博十学位论文e s s e n t i a l l ya g e n tm o d e lm e t h o d T h i sm e t h o di st oe s t a b l i s ha p p r o x i m a t em o d e lb
20、yf i t t i n ga n dt oa p p r o x i m a t et h ef u n c t i o n a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e no b j e c t i v ef u n c t i o na n dv a r i a b l e sa n dt h e ns o l v i n gt h i sa p p r o x i m a t em o d e lt oa p p r o x i m a t et h et r u ee x t r e m ep o i n t T h ek e yi nt h ef i
21、t t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o d sb a s e do nt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u ei st oe s t a b l i s ht h ea p p r o x i m a t em o d e lw h i c hC a nc o r r e c t l yr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e s i g nv a r i a b l e sa n dt a r g e tf u n
22、 c t i o n I no r d e rt oc o r r e c t l yr e f l e c tt h ei m p o r t a n c eo fe a c hp a r a m e t e rd e s i g nv a r i a b l e s，t h er e a s o n a b l ee x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o dm u s tb ea d o p tt oo b t a i nt h en e c e s s a r ys a m p l ep o i n t s A f t e rg e te n
23、 o u g hs a m p l ep o i n t，t h eo b j e c t i v ef u n c t i o nv a l u eC a nb eo b t a i n e du s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o np r o g r a mf o rs o l v i n gt h r o u g hac e r t a i nm e c h a n i s mm o d e l T h e ns e l e c tt h ea p p r o p r i a t em e t h o dt ob u i l da p p
24、 r o x i m a t em o d e l s F i n a l l y,t h ea p p r o x i m a t em o d e l sw e r eo p t i m i z e da n a l y s i s C o n v e n t i o n a lo p t i m i z a t i o ni t e r a t i v em e t h o dc a nn o tb eu s e di nt h em e t a lf o r m i n go p t i m i z a t i o np r o b l e m sb e c a u s em u l
25、t i-f a c t o r、h i g h-d i m e n s i o n a la n dn o n-l i n e a r I n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nm e t h o di si d e a l f o ro p t i m i z a t i o no fm e t a lf o r m i n gp r o b l e m sb e c a u s ei tC a nn o tc a l c u l a t ed e r i v a t i v ea n dt h eg o o dg l o b a le x p
26、l o r a t i o na b i l i t y I na d d i t i o n,t h eK r i g i n gm o d e li ss u i t a b l ef o rh i g h-d i m e n s i o n a ln o n l i n e a ri n t e r p o l a t i o np r o b l e m s T h i sp a p e r,t h eK r i g i n gm o d e lc o u p l e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m si sp r o p o s e dK
27、 r i g i n g G Ao p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sf o rf o r g i n gd i es t r u c t u r ep a r a m e t e r so fo p t i m a ld e s i g n I nt h i sp a p e r,K r i g i n g-G Ao p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sf o ro p t i m a ld e s i g no ff o r g i n gd i es t r u c t u r ep a r a m
28、 e t e r sa r ep r o p o s e db yt h eg d g m gm o d e la n dg e n e t i ca l g o r i t h m sc o u p l e d K r i g i n g-G Ao p t i m i z a t i o ns t r a t e g yc o n s i s t so ft h r e ep a r t s：b u i l d i n ga p p r o x i m a t em o d e l；t h et r a n s f o r m a t i o no ft h em u l t i-o b j
29、 e c t i v ep r o b l e m；g e n e t i ca l g o r i t h mo p t i m i z a t i o n K f i g i n gm o d e lC o n s t r u c t i o na n dg e n e t i ca l g o r i t h r no p t i m i z a t i o np r o g r a mc a r r i e do u tb yc o u p l i n gu s i n gM a t l a b C o m p a r i s o nw i t hg e n e t i ca l g
30、o r i t h m s，p a r t i c l es w a r ma l g o r i t h mh a st h ea d v a n t a g e so fe a s yt or e a l i z ea n df a s tc o n v e r g e n c ea n df e wp a r a m e t e r sn e e dt ob ea d j u s t e db e c a u s ei td o e sn o tn e e dg e n e t i cc r o s s o v e ra n dm u t a t i o no p e r a t i o
31、 n T h i sa r t i c l ef i r s tp r o p o s eK r i g i n g-P S Oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yc o u p l e dw i t hk r i g i n gm o d e la n dt h ep a r t i c l es w a r ma l g o r i t h m sa n da c h i e v eu n d e rM a t l a bp r o g r a m m i n g T h eK r i g i n g-G As t r a t e g ya n dP
32、 o l y n o m i a lr e s p o n s es u r f a c em e t h o dw e r ec o m p a r e dw i t ha p p l i e di no p t i m i z a t i o nf o ra u t o m o t i v ef l a n g ef o r g i n gd i ea n dc r a n k s h a f tf o r g i n gd i e T h er e s u l t ss h o wt h a t,K d g i n g-G Am e t h o dh a sm o r ea c c u
33、r a c yb u ts l o wI V英文摘要c o n v e r g e n c et h a nt h ep o l y n o m i a lr e s p o n s es u r f a g em e t h o d s O nt h i sb a s i s，t h e1(J d g i n g P S Oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g i e sa p p l i e dt ot h ec r a n k s h a f tf o r g 吨d i ea sac o n t r a s tt ot h eo p t i m i z
34、 a t i o np r o b l e m T h er e s u l t ss h o w e dt h a tr e s u l t so b t a i n e dw i t ht h eK r i g i n g G Aa n d 丽t l lt h eK r i g i n g P S Oh a db a s i c a l l yt h es a n l e，b u tt h em i 西n g-P S Oc o n v e r g e n c es p e e df a s ts e v e r a ld o z e nt i m e s F i n a l l y,t h
35、 er d i g i n g P S Oo p t i m i z a t i o ns t r a t e g yu s e di nc o l de x t r u s i o no fp r e p e r f o r a t e As h e l l sa n de n d-f o r m i n gc o m b i n a t i o no fe x t r u s i o nd i co ft h eo p t i m a ld e s i g nt ov e r i f yt h er o g i n g P S Oo p t i m i z a t i o ns t r a
36、 t e g yi se f f e c t i v e K e y w o r d s：F o r g i n g，D i eS t r u c t u r e，O p t i m i z a t i o n,G e n e t i cA l g o r i t h m s，P a r t i c l eS w a r mO p t i m i z a t i o n V学位论文独创性声明本人声明所呈交的-j 塾士学位论文基王垡理蘧型丝丝送缝掏蟹篚选丝硒童是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究
37、成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作导师签名：学位论文使用授权书本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程(以下简称“章程”)，愿意将本人的j 曼_ 士学位论文基岱理蘧型鲍鱼蘧结构蟹丝选丝班宜提交中国学术期刊(光盘版)电子杂志社(C N K I)在中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，
38、并同意编入C N K I 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部作者签名：备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书刀，须填写以下内容：该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。说明：本声明及授权书坐逝装订在提交的学位论文最后一页。1 绪论1绪论1 1 研究意义锻造工艺是金属塑性加工中常用的加工方法，由于材料经过锻造加工之后具有各项优良的机械性能，所以广泛应用于各种机械上。由锻造制造而成的零件与其他机械加工比较而言，其晶粒组织更细
39、密且内部缺陷较少，同时，更节省材料。另外由于晶粒连续流动而形成纤维化组织，使得材料的强度、抗冲击性和耐疲劳强度得到大大地加强。而针对形状复杂的零件，采用模锻加工比机械加工更节省成本，更适合大批量生产。2 0 世纪9 0 年代以来，由于中国汽车工业的快速发展，汽车零部件市场的需求使锻造技术得到了更广泛地应用。中国加入W T O 以后，在全球化的趋势下，同行业间由于不同国家和地区的原材料、人工与土地等成本差异，导致竞争更加激烈。因此，如何通过技术手段降低生产成本和提高锻件质量，成为工业化国家锻造业共同的努力方向。锻造模具是锻造生产中的主要装备，其设计和制造的质量以及使用寿命决定了锻件的质量和成本。
40、模具发生失效后的修补和重新试模调试会浪费宝贵的生产时间，增加产品的制造成本。更会延误生产速度，甚至造成设备及人员的损伤。因此，对锻件质量的控制，主要是要对锻造模具进行控制。影响锻造工艺及锻件质量的因素可归纳为模具结构形状设计、模具材料、模具加工、锻件复杂程度、设备性能等因素。由于在金属塑性变形过程中材料的流动主要受模具形状的影响及控制，因此，合理选择与设计模具结构的形状参数就显得尤为重要。锻模的传统设计过程是：首先由设计人员针对具体锻件，根据以往经验和设计手册进行工艺分析，设计制造出模具后进行试模，然后按照经验修改模具相关参数，不断重复反复修改，直至得到合格的锻件。该方法依赖于工程师的经验，修
41、模量大，设计和试模周期长，最终得到的满足工程实际需要的模具设计方案通常不是最优的。这种基于经验的传统设计方法往往会造成设计失败，浪费人力物力和时间。随着数值模拟仿真技术日益成熟，基于模拟的设计方法在塑性成形工程中得到了广泛应用。这种设计方法是应用有限元技术对金属塑性成形过程中的应力应变进行计算，在后处理结果中可以直观地看到成形过程中金属流动的规律以及设计变量对成形过程的影响。设计人员可以在计算机上观察成形的过程，判断是否会产生成形缺陷，预测成形载荷，然后对工艺参数和模具形状的进行修改。重庆大学博士学位论文基于模拟的设计方法类似于以二维的计算机绘图代替手工绘图(即电子图板)，只不过是以虚拟试模代
42、替传统的真实试模，其实质仍然是传统的“试错法打(t r i a la n de r r o r)。在经过反复试模、修改后，才确定正确的工艺参数。上述两类方法在参数较少且设计人员经验丰富的情况下可以起到一定的作用，但是参数较多的情况下，且需要考虑多项性能指标的时候，这种方法便显现出其局限性。因以经验为主导，所以缺乏科学性，具有很大的盲目性和试探性，严重地浪费时间，无法保证设计方案的最优，产品质量得不到保证。针对上述问题，近年来，研究者在塑性成形的问题上采用基于最优化技术的设计方法，取得了成功。基于最优化技术的设计方法以定量化、系统化和模型化为特征，注重运用各种数学模型和手段来解决问题。其基本思路
43、是用试验设计方法获取设计参数的样本，通过数值模拟仿真获得样本所对应的响应，然后建立近似模型作为真实问题的替代模型，最后基于近似模型进行优化得到最佳设计方案。该方法作为定量的设计方法，科学地提炼工程问题中的数量化规律，为设计者提供有依据的最优方案。1 2 金属塑性成形研究及优化现状1 2 1 塑性有限元法进入2 1 世纪以来，得益于计算机软硬件技术的飞速发展，塑性成形中的力学问题及其数值求解方法与计算机紧密结合，使数值模拟技术成功应用于金属塑性成形问题的分析中。主要的数值模拟方法有主应力法、滑移线场、极限法、有限元法等，其中有限元法的应用最为广泛。有限元法最早于2 0 世纪7 0 年代开始应用于
44、金属塑性加工问题的分析。近年来，塑性有限元法已成为塑性成形问题中最强有力的分析工具。针对金属塑性成形问题的有限元模拟仿真，目前已形成一批成熟的商业软件，如用于体积成形的D e f o r m 2 D 3 D、Q f o r m 2 D 3 D、S u p e r f o r g e 和用于板料成形的D y n a f o r m、A u t o f o r m、P a m s t a m p 等。金属塑性成形有限元方法可分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法等几类。弹塑性有限元采用增量加载，每一增量步都判断单元是否己进入屈服。如果每次加载同时进入屈服的单元数目过多，会使得解的收敛
45、困难，故每次计算时的增量步长不能取得太大，因此导致弹塑性有限元的计算效率较低。刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法，将弹性变形忽略不计，采用L e v y M i s e s 方程作为本构方程，避开几何非线性问题。与弹塑性有限元法相比，可采用比较大的增量步长，因此计算时间大为缩短、计算效率得到显著提高。L e e 和K o b a y a s h i I l J 于1 9 7 3 年首次提出了刚塑性有限元，该方法通过L a g r a n g e21绪论乘子技术施加体积不变条件，用小变形的计算方法来处理大变形问题，因此计算模型较简单。1 9 7 5 年，Z i e l l l(i e 诮c z I
46、 Z I 等提出了采用罚函数法的体积不可压缩条件的刚塑性有限元法。1 9 8 2 年，M o r i 和O s a k a d a l 3 I 提出了刚塑性可压缩材料的有限元法。同时，O h 4 1 针对任意形状的模具边界条件提出了解决方法，进一步完善了刚塑性有限元法，并与其他学者一起开发了二维刚塑性l l I l 粘塑性有限元程序。P a r k和K o b a y a s h i I s l 以立方体坯料为研究对象，进行了三维镦粗成形的模拟研究，分析了摩擦条件的影响。D u g g i r a l a l 6 l 以圆环齿轮锻件为研究对象，采用刚塑性有限元程序进行模拟分析，最终成功设计出满
47、足要求的模具。K i m l T l 用有限元法对H 型截面锻件成功进行了无飞边的预成形工艺设计。FF e r e s h t e h S a I l i e e 瞪I 用二维有限元程序对轴对称件锻造过程进行了模拟。T o m o v l 9-加I 运用刚粘塑性有限元对热模锻及其飞边形式的影响进行了研究。E r v a s t i 和S t a h l b e r g l l l l 针对汽车前轴的锻造过程进行了有限元模拟，并进行了实验验证。S o n g 和I m f l 2 l 针对锥齿轮的锻造过程进行了有限元模拟和实验验证。国内研究者于2 0 世纪9 0 年代也相继开展了锻造成形有限元模
48、拟仿真的研究。赵国群I 协1 5 I 以链轨节为对象，采用刚塑性有限元方法，进行了多工位连续锻造成形的模拟研究，最终确定了坯料的初始位置，设计出了合理的模具，能够减少终锻时飞边所消耗的材料，提高了材料的利用率。陈军【l 7 l 应用三维刚塑性刚粘塑性有限元模拟系统，对圆饼类锻件进行了镦粗预成形工艺的模拟分析。王广春I l s-2 2 1采用三维刚塑性有限元，对环形件的摆动辗压变形进行了模拟分析。赵新海等I D!针对管接头的复合成形用刚塑性有限元对该工艺的成形过程进行了模拟分析，总结了该工艺的优点，分析了该工艺的模具结构及材料变形。刘郁丽和杨合1 2 4-2 7 1 等在解决三维有限元模拟关键技
49、术问题的基础上，自行开发了面向叶片精锻过程的三维刚粘塑性有限元模拟分析系统3 D P F S。并采用该系统对不同预成形毛坯在不同摩擦条件下材料充填模腔的过程进行了模拟分析，获得了叶片精锻过程中摩擦对预成形毛坯在模具中放置位置的影响规律。物理实验结果的很好地吻合了数值模拟结果，证明了3 D P F S 系统的可靠性，胡亚民等困I 对摩托车带爪齿轮坯温成形的精锻工艺进行了数值模拟分析。1 2 2 有限体积法如前所述，有限元法是基于L a g r a n g e 的方法，而锻造过程由于材料产生塑性大变形，因此在模拟中有限元网格需要不断重新划分。多次的网格再划分不仅影响计算精度，对于一些畸变严重的网格
50、甚至会导致重新划分失败。为避免模拟过程中不断地出现网格再划分的问题，采用有限体积法(F i n i t eV o l u m eM e t h o d，F V M)是一条有效的途径。有限体积法是将材料的流动空间划分为E u l e r 坐标系上的网格，变形过程中材料流过时，这些网格在空间上保持固定不3重庆大学博+学位论文动并且形状也不发生变化。材料仅仅只是在E u l e r 网格中流动，其质量、动量和能量也同时从一个单元流到下一个单元。因此，材料流动过程要同时满足质量、动量和能量的守恒并且满足材料本构方程、状态方程和热平衡方程等。联立这些方程求解可解出有限体积内变形体的各种物理场量。针对金属