基于数值模拟的连续挤压模具型腔尺寸优化

论文摘要

连续挤压是一种生产超长线材、管材、型材的新型挤压技术,具有生产率高、能耗低、质量好等优点,在近年得到了迅速发展,并取得了巨大的经济效益。连续挤压一个显著的特点是可实现由小截面坯料到大截面零件的挤压成形,当零件的截面积比坯料截面积大得多时,可以通过多道次的连续挤压模具,逐渐增大其截面面积。因此,尽可能增大每道次的挤压截面积,可以减少后续挤压次数。为此,本文力图在不产生工艺缺陷的情况下,通过对挤压模具型腔尺寸的优化,达到增大挤压截面积；降低挤压轮扭矩的目的。在研究连续挤压工艺、有限元基本理论及多目标优化方法的基础上,探讨了数值模拟中若干技术问题的处理方法,并借助于数值模拟软件对连续挤压稳态阶段的金属变形规律进行了研究,进而对影响挤压截面积、挤压轮扭矩的诸因素,如模具型腔尺寸中的模口高度和宽度、圆角半径、堵头高度及挤压轮摩擦因子进行了分析。在此基础上,利用BP神经网络建立了挤压截面积、挤压轮扭矩、变形均匀性与各影响因素之间的非线性映射关系,并利用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法实现了型腔尺寸的优化。研究结果表明：连续挤压进入稳态后,挤压轮槽不同位置处的填充程度不同。在挤压模口附近,轮槽横截面各角落填充较满,而在远离挤压模口的横截面上,各角落填充较差。在保证成形质量的条件下,挤压截面积的大小受多个因素的影响,且模口宽度、圆角半径和挤压轮摩擦因子的影响较大,而堵头高度和挤压轮转速的影响很小。优化及模拟验证结果表明：上圆角半径R1=13.75mm,下圆角半径R2=14.46mm,模口宽度W=9.36mm,模口高度H=23.4mm,挤压轮摩擦因子m=0.64时,成形结果最好,此时,连续挤压所能挤出的截面积为219mm2,挤压轮扭矩为7.41 KN·m,等效应变差值为3.85,达到了增大挤压截面积、减小变形力和提高变形均匀性的目的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 连续挤压原理及工艺特点
• 1.2.1 连续挤压原理
• 1.2.2 连续挤压的工艺特点
• 1.3 连续挤压工艺优化的研究进展
• 1.4 常用的优化方法
• 1.4.1 基于灵敏度分析的优化方法
• 1.4.2 基于目标函数值的优化方法
• 1.5 主要研究内容
• 第二章 数值模拟中若干技术问题的处理
• 2.1 模具及坯料的几何建模与网格划分
• 2.1.1 模具及坯料的几何建模
• 2.1.2 有限元网格的划分
• 2.1.3 坯料畸变网格的重划
• 2.2 模具及坯料的材料模型
• 2.3 运动条件的设置及处理
• 2.3.1 模具运动设置
• 2.3.2 对称面的设置
• 2.3.3 坯料咬入设置
• 2.4 摩擦边界条件的设置
• 2.5 数值模拟过程中体积损失的处理
• 2.5.1 体积损失的影响因素
• 2.5.2 体积损失的处理
• 2.6 模口型腔充填情况的判据
• 2.7 本章小结
• 第三章 稳态挤压阶段的变形规律
• 3.1 模拟条件
• 3.1.1 模具及坯料尺寸的确定
• 3.1.2 模具及坯料的材料模型
• 3.1.3 模拟参数的设置
• 3.2 模拟结果及分析
• 3.2.1 不同横截面的填充情况
• 3.2.2 等效应变速率的分布
• 3.2.3 等效应变的分布
• 3.2.4 流速分布
• 3.2.5 挤压轮扭矩分析
• 3.3 可能产生的质量问题
• 3.3.1 折叠
• 3.3.2 充不满
• 3.4 本章小结
• 第四章 模具尺寸和摩擦因子对成形结果的影响
• 4.1 成形质量影响因素分析
• 4.2 模口尺寸对成形结果的影响
• 4.2.1 模拟条件
• 4.2.2 模口尺寸对挤压截面积的影响
• 4.2.3 模口尺寸对挤压轮扭矩的影响
• 4.3 上圆角半径对成形结果的影响
• 4.3.1 模拟条件
• 4.3.2 可能产生的质量问题
• 4.3.3 上圆角半径对挤压截面积的影响
• 4.3.4 上圆角半径对挤压轮扭矩的影响
• 4.4 下圆角半径对成形结果的影响
• 4.4.1 模拟条件
• 4.4.2 可能产生的质量问题
• 4.4.3 下圆角半径对挤压截面积的影响
• 4.4.4 下圆角半径对挤压轮扭矩的影响
• 4.5 堵头高度对成形结果的影响
• 4.5.1 模拟条件
• 4.5.2 能产生的质量问题
• 4.5.3 堵头高度对挤压截面积的影响
• 4.5.4 堵头高度对挤压轮扭矩的影响
• 4.6 挤压轮转速对成形结果的影响
• 4.6.1 模拟条件
• 4.6.2 挤压轮转速对挤压截面积的影响
• 4.6.3 挤压轮转速对挤压轮扭矩的影响
• 4.7 摩擦因子对成形结果的影响
• 4.7.1 模拟条件
• 4.7.2 可能产生的质量问题
• 4.7.3 摩擦因子对挤压截面积的影响
• 4.7.4 摩擦因子对挤压轮扭矩的影响
• 4.8 本章小结
• 第五章 连续挤压模具型腔尺寸优化
• 5.1 优化目标及设计变量的确定
• 5.1.1 优化目标
• 5.1.2 设计变量
• 5.2 优化方法的选择
• 5.3 样本数据的确定
• 5.4 BP神经网络数学模型的建立
• 5.4.1 训练样本的归一化处理
• 5.4.2 BP神经网络模型的设计
• 5.4.3 BP神经网络的训练
• 5.4.4 BP神经网络训练结果分析
• 5.5 多目标遗传算法优化
• 5.5.1 运行参数的确定
• 5.5.2 适应度函数的构建
• 5.5.3 优化结果及分析
• 5.6 优化结果的验证
• 5.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文