基于预成形设计的锻造过程微观组织优化与实验研究

论文摘要

锻造生产广泛应用于机械、冶金、造船、航天、兵器以及其它许多工业生产部门,在国民经济中占有极为重要的地位。随着全球经济竞争的日趋激烈,低成本、高质量和高效率成为制造型企业在竞争中取胜的关键因素,为此,要求对锻造过程中涉及到的有关工艺参数进行优化设计。材料在锻造过程中的微观组织演变及最终产品的组织结构直接决定着产品机械性能,因此,锻造过程微观组织模拟与优化的研究是锻造工艺优化设计中必须且非常关键的内容,具有重要的应用价值。预锻模及预成形形状与终锻件形状直接对应,它直接限制金属的流动情况,从而直接影响成形件的最终形状和微观组织性能。因而,预成形设计便成为控制产品质量、实现锻造生产要求的非常重要的方面。在对国内外微观组织模拟与优化的发展及现状作了全面回顾的基础上,本文以锻件晶粒尺寸细小均匀为目标,以预成形模具形状为优化对象,将有限元数值模拟方法和遗传优化算法结合起来,对典型的圆柱体镦粗和H形截面的轴对称锻件进行面向微观组织优化的预成形设计,并对应优化结果设计实验进行验证。本文对刚粘塑性有限元的理论进行了阐述,给出了刚粘塑性材料的基本假设及塑性力学基本方程,介绍了刚粘塑性有限元变分的基本原理及求解过程,并详细介绍了遗传算法的基本原理,一般结构以及常规的操作步骤。介绍了最优化设计的主要内容和一般原则,分别对锻件形状和微观组织的优化建模进行了研究。建立了适合于组成总目标函数的新的形状子目标函数和晶粒尺寸子目标函数,给出了其详细的表达式,然后采用加权的方法将两者组成总的目标函数,对总目标函数进行优化。利用FORTRAN语言,采用微观遗传算法与有限元模拟相结合的方法,开发了基于预成形设计的锻造过程微观组织优化程序。该程序由初始化模块,预成形参数修改模块,预成形有限元模拟模块,终锻参数修改模块,终锻有限元模拟模块,目标函数模块,微观遗传算法评价模块七大模块组成。该程序只需要提供必要的变形控制参数、工艺参数、模具和毛坯形状参数以及微观遗传算法各初始参数值,即可自动实现基于预成形设计的锻造过程微观组织的优化设计。利用本文所开发的基于预成形设计的锻造过程微观组织优化设计软件,对圆柱体热镦粗及H形截面轴对称锻件进行了面向微观组织的预成形优化设计。对于典型的圆柱体镦粗,等温过程平均晶粒度由优化前的82.51μm下降到72.38μm,下降了12.3%;非等温过程平均晶粒度由80.28μm下降到66.78μm,平均晶粒度下降了约14μm,而且分布均匀性均得到了明显的提高,同时,终锻件形状由最初的有较大鼓形的情况变成了最终侧壁几乎没有鼓形的情况。对H形等温锻造,整个锻件的平均晶粒度由86.37μm下降到69.35μm,平均晶粒度下降了约20.3%;对H形非等温锻造,整个锻件的平均晶粒度由89.74μm下降到54.36μm,平均晶粒度下降了约35μm,优化后,微观组织更加均匀细致,优化效果明显。终锻件由最初的有较大飞边的情况变成了最终的飞边较小,完全充满的情况。上述应用实例表明,本文所开发的软件中的优化算法具有相当的可靠性。根据优化中所采用的相关参数及优化结果,设计实验模具,进行圆柱体热镦粗及H形截面轴对称锻件成形实验。观察成形后锻件的充填情况与微观组织分布情况,发现与直接成形相比,终锻件的鼓形有明显的减小,H形锻件的型腔更容易充满,微观组织更加均匀细致,优化效果明显。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 体积成形过程数值模拟与优化的研究现状
• 1.2.1 正向模拟技术
• 1.2.2 反向模拟技术
• 1.2.3 优化设计方法
• 1.3 体积成形过程微观组织模拟与优化的研究现状
• 1.4 热加工工艺模拟优化的发展趋势
• 1.5 本课题的研究意义与主要研究内容
• 第二章 基于预成形的锻造过程微观组织优化理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 有限元数值模拟基本理论
• 2.2.1 塑性力学基本方程
• 2.2.2 刚/粘塑性有限元变分原理
• 2.2.3 刚/粘塑性有限元求解过程
• 2.3 热锻过程微观组织演变
• 2.3.1 锻件性能与微观组织、晶粒度的关系
• 2.3.2 金属热锻过程及变形后晶粒细化机理与发展
• 2.3.3 微观组织演变的数学模型
• 2.4 遗传算法
• 2.4.1 遗传算法的概述
• 2.4.2 遗传算法的机理
• 2.4.3 基因遗传算法的基本步骤
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于预成形的锻造过程微观组织优化建模
• 3.1 最优化设计的主要内容和原则
• 3.1.1 目标函数的确定原则
• 3.1.2 设计变量的确定原则
• 3.1.3 约束条件的确定原则
• 3.1.4 最优化方法的确定原则
• 3.1.5 多目标优化方法
• 3.2 锻造过程形状优化建模
• 3.2.1 锻造过程预成形模具形状优化设计目标函数的建立
• 3.2.2 锻造过程预成形模具形状优化变量的选取
• 3.3 微观组织优化建模
• 3.3.1 微观组织演变模型的目标函数
• 3.3.2 微观组织演变模型的设计变量选取
• 3.4 多目标函数的构建
• 3.4.1 形状无量纲化子目标函数
• 3.4.2 晶粒尺寸无量纲化子目标函数
• 3.4.3 总目标函数
• 3.5 加权因子的选择
• 3.6 微观组织优化设计方法的选择
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于预成形的锻造过程微观组织优化软件开发及应用
• 4.1 引言
• 4.2 软件开发
• 4.2.1 软件开发环境
• 4.2.2 软件结构
• 4.3 系统各模块的主要功能
• 4.4 微观组织模拟优化
• 4.4.1 圆柱体等温镦粗工艺模拟优化
• 4.4.2 圆柱体非等温镦粗工艺模拟优化
• 4.4.3 H形轴对称锻件等温锻造模拟优化
• 4.4.4 H形轴对称锻件非等温锻造模拟优化
• 4.5 本章小结
• 第五章 锻造过程微观组织优化实验模具设计
• 5.1 引言
• 5.2 实验目的
• 5.3 实验方案
• 5.4 实验设备
• 5.5 模具设计
• 5.5.1 圆柱体镦粗工艺模具设计
• 5.5.2 H形轴对称锻造模具设计
• 5.6 实验模具的加工
• 5.7 本章小结
• 第六章 锻造过程微观组织优化实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验过程
• 6.2.1 圆柱体镦粗
• 6.2.2 H形轴对称锻造
• 6.3 实验结果分析
• 6.3.1 锻件形状
• 6.3.2 微观组织
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 攻读硕士学位期间参与的科研项目
• 学位论文评阅及答辩情况表