板料成形过程建模与质量控制技术研究

论文摘要

板料冲压成形是一种十分重要的金属板料塑性加工技术,在工业领域有着极为广泛的应用,已成为先进制造代表技术之一。板料成形过程同时又是一个极为复杂的过程,工业界在长期的生产中积累了丰富的工艺认识和参数选择经验,但随着市场竞争的日益激烈,要求企业对市场的需求作出快速的响应,同时对成形件的质量要求越来越高,现有的认知经验已不能适应现代生产所提出的对问题作出快速响应要求。快速并合理确定模具型面参数和加工过程工艺参数,同时如何以最少的成本,准确地得到成形过程的系统特征,并进行成形件的质量控制,已成为板料冲压成形加工企业在市场中取得立足的根本技术之一,越来越受到了各国工业界和研究人员的日益关注。本学位论文综合运用弹塑性力学、数理统计、现代控制及数值模拟技术等基础理论,在数值模拟的基础之上,以较经济的样本数据,开展板料冲压成形过程系统特征的建模方法研究,同时以此为基础进行模具型面参数和工艺参数优化及冲压成形件的质量控制技术研究,并把对成形过程的系统特征进行定性分析的结果用来指导实际冲压件的试模和生产。论文的主要工作包括:(1)深刻剖析板料的成形性能及影响成形性能的主要因素,科学并系统地研究各类因素与冲压件成形质量的关系;建立板料成形质量的评价标准,为后续的优化目标函数的建模及质量控制打下理论基础;同时根据在长期生产中已积累的丰富的工艺认识,就成形过程中出现的缺陷给出其预防措施;(2)阐述了数值模拟仿真在板料成形过程的作用和意义,详细研究了目前使用最广泛的动态显式有限元的关键技术;针对有限元法在对复杂冲压件的数值模拟仿真中出现的问题(如网格畸变,计算精度不高等),对无网格法做了一些研究;(3)根据数理统计学的分析原理和试验设计方法,研究了高效建模样本的特点及其获取方法;针对传统建模方法需要较多样本的问题和为了高效并准确地对板料成形过程规律进行数学建模,提出了基于偏最小二乘法的板料成形过程建模方法,该方法有效地解决了建模效率和模型精度两者相互制约的问题;(4)在对成形过程进行高效建模之后,根据成形质量的要求,提出了一种以冲压成形件厚度变薄均匀度为质量评价标准的优化目标函数,为优化分析提供了评判的理论依据,并用矩阵分析方法对文献中几种不同质量评价目标函数表达式给出了统一表达式,使优化函数形式简单,意义明确;同时根据实际生产中的工序,提出“二步法”优化参数步骤,为板料成形质量控制提供了理论依据;(5)针对板料成形过程的规律,结合本文所研究的高效建模方法和现代控制理论,研究了状态空间法和时序分析理论在板料成形过程中的应用,提出了基于状态空间法和时序理论的板料成形闭环控制系统,把板料吸入量的误差转化为控制系统的变压边力输入,以达到保证成形件的质量。仿真结果表明该方法具有简单易行,控制精度高等特点;(6)以某型汽车的中地板为研究对象,开展了数值模拟仿真和试验研究。数值仿真结果与实际冲压结果相符。根据本学位论文第五章的研究部分结论,进行定性分析,找到产生质量缺陷的可能原因,并用分析结论来指导了试验研究。试验结果表明,仿真分析结果可信,有效地解决了成形中的质量缺陷问题,成品率从50%提高到95%左右。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景和意义
• 1.1.1 论文的研究背景
• 1.1.2 论文的研究意义
• 1.2 相关技术的研究现状
• 1.2.1 板料成形过程的数值模拟方法
• 1.2.2 板料成形过程建模方法及优化技术
• 1.2.2.1 设计变量
• 1.2.2.2 试验设计方法
• 1.2.2.3 板料成形过程中的代理模型建模方法
• 1.2.2.4 板料成形过程中的质量评价模型
• 1.2.2.5 板料成形过程中的优化算法
• 1.2.3 板料成形质量控制技术研究
• 1.2.4 存在问题
• 1.3 论文主要研究内容及组织结构
• 2 板料成形过程分析研究
• 2.1 板料的冲压成形性能概述
• 2.1.1 影响材料成形性能的因素
• 2.1.2 材料的成形极限图
• 2.2 冲压成形过程中存在的主要问题及对策
• 2.2.1 冲压成形方式
• 2.2.2 板料成形件中易出现的质量缺陷
• 2.2.3 模具型面参数及工艺参数与产品缺陷的关系
• 2.2.4 成形过程中的调试技术
• 2.3 本章小结
• 3 板料冲压成形数值模拟理论研究
• 3.1 板料冲压成形过程的有限元数值模拟研究
• 3.1.1 动态显式有限元的关键技术
• 3.1.1.1 增量运动方程的表述形式及有限元离散方程
• 3.1.1.2 本构关系
• 3.1.1.3 接触与摩擦
• 3.2 成形过程中的无网格法数值模拟研究
• 3.2.1 无网格法求解过程
• 3.2.2 无网格法的基本分析理论
• 3.2.2.1 塑性变形流动法则
• 3.2.2.2 小波基无网格法的形函数
• 3.2.2.3 边界处理
• 3.2.3 实例计算
• 3.2.3.1 小波基的选择
• 3.2.3.2 计算结果分析
• 3.3 本章小结
• 4 基于偏最小二乘法的板料成形过程建模方法研究
• 4.1 建模样本的特点
• 4.1.1 普通建模样本数据特点
• 4.1.2 高效建模样本数据特点
• 4.2 高效建模样本获取方法研究
• 4.2.1 均匀设计的数学原理
• 4.2.1.1 均匀设计表的构造
• 4.2.1.2 均匀度的验证
• 4.2.2 均匀试验设计的特点
• 4.3 高效建模方法研究—偏最小二乘回归分析技术
• 4.3.1 偏最小二乘回归分析的特点
• 4.3.2 偏最小二乘回归分析建模算法及步骤
• 4.3.2.1 偏最小二乘回归分析建模算法
• 4.3.2.2 偏最小二乘回归分析建模步骤
• 4.4 基于偏最小二乘法的板料成形过程建模技术策略
• 4.4.1 有限元模型及模拟软件的验证
• 4.4.2 方盒形件成形过程的建模技术研究
• 4.4.2.1 高效建模样本获取
• 4.4.2.2 建立回归模型
• 4.4.2.3 回归模型分析及验证
• 4.5 本章小结
• 5 板料成形质量控制多目标优化技术研究
• 5.1 板料成形质量评价多目标优化设计模型的建立
• 5.1.1 设计变量的选取
• 5.1.2 约束条件的确定
• 5.1.3 成形质量评价多目标优化函数的确定
• 5.1.4 多目标优化步骤
• 5.2 多目标优化算法研究
• 5.2.1 Pareto最优解
• 5.2.2 多目标遗传算法基本原理和方法
• 5.3 板料成形工艺参数多目标优化
• 5.3.1 模具型面参数多目标优化
• 5.3.2 板料成形过程工艺参数的多目标优化
• 5.4 本章小结
• 6 基于现代控制理论的板料成形质量控制策略研究
• 6.1 状态空间控制理论及时序分析法研究
• 6.1.1 状态空间控制理论
• 6.1.1.1 状态及状态空间表达式
• 6.1.2 时间序列理论
• 6.2 压边力控制技术
• 6.3 基于时序分析理论和状态空间法的板料成形过程质量控制策略
• 6.3.1 板料成形质量控制系统状态空间建模
• 6.3.1.1 状态变量的选择
• 6.3.1.2 状态方程的建立
• 6.3.1.3 增益参数的识别策略
• 6.3.2 实例研究
• 6.3.2.1 预测模型的研究
• 6.3.2.2 增益参数的识别
• 6.3.2.3 两种预测模型的比较研究
• 6.4 本章小结
• 7 基于数值模拟的板料成形质量控制应用研究
• 7.1 成形件特征及成形质量缺陷描述
• 7.1.1 成形件结构特征及成形特点分析
• 7.1.2 成形质量缺陷分析
• 7.2 冲压件成形过程的数值模拟应用研究
• 7.3 冲压成形试验
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 研究总结
• 8.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录