板料成形工艺与模具多目标优化设计技术及应用研究

摘要

板料冲压成形是一种十分重要的金属板塑性加工技术，在工业领域有着极为广泛的应用。然而，板料成形经历复杂的变形过程，合理地确定成形工艺与模具对提高产品的质量，保证生产的稳定性具有至关重要的作用。此外，在国际制造业以缩短产品市场化周期、降低产品开发费用以及减轻产品重量作为竞争目标的大背景下，板料成形工艺与模具的优化设计问题受到各国工程和研究人员的日益关注。 本文建立了板料成形工艺与模具多目标优化设计模型。针对板料成形的非线性特点，将影响板料成形的主要因素分为三类，即：材料类、工艺类以及模具类，作为优化设计变量；总结部分板料成形的工艺知识、设计规范以及设计经验，并转化为优化设计的约束条件；针对板料成形的主要缺陷形式：破裂、起皱、塑性变形量不足、厚向变形不均匀以及形状不良五个方面，建立了面向成形和回弹过程的成形性评价目标函数；研究了Pareto最优解的含义，并提出采用多目标遗传算法求解Pareto最优解。 在研究了拉丁方法、响应面法以及有限元法的基础上，提出了加快优化效率并保证计算精度的“三步法”优化策略，并实现了优化系统的集成。首先，采用拉丁方法试验设计，基于数值模拟的试验设计结果用于构建响应面函数；然后，采用多目标遗传算法对响应面函数求解，得到Pareto最优解；最后，采用有限元法对选择的Pareto最优解精确分析、验证。以柱面扁壳为例，建立了与试验模型相一致的多目标优化设计模型，采用“三步法”优化策略，对其成形和回弹过程进行了数值分析，验证了所提出的多目标优化设计模型的正确性和优化技术的可靠性。 以NUMISHEET'93标准考题的方盒形件拉深成形为对象，分别研究了时变压边力曲线和分块压边力曲线的优化设计方法；基于等效拉深筋模型，研究了拉深筋阻力的优化设计方法；并以汽车发动机罩外板为例，以塑性变形不足最小和厚向变形不均匀最小为目标函数，验证了压边力和拉深筋阻力等工艺参数的多目标优化设计效果。 提出基于网格变形技术的模具型面优化设计方法，网格变形技术通过修改当前有限元网格的节点坐标，实现模具型面的几何变化，并将几何变化量转化为优化设计变量，采用本文提出的优化设计技术实现模具型面的优化设计。以汽车行李箱外板为例，以拉深槛高度为设计变量，以塑性变形量不足最小和形状不良最小为目标函数，验证了工艺补充面和压料面的多目标优化设计效果。研究表明基于网格变形技术的模具型面优化设计，可以显著地提高模具设计水平并加速模具设计效率。 以车身翼子板为例，研究其拉延工艺压边力和拉深筋阻力的优化设计，与实际拉延结果对比，验证了本文所提出的多变量耦合、多目标优化设计技术的工程应用效果。应用结果表明本文提出的优化技术，可以显著地提高汽车覆盖件产品的设计质量，缩短了产品设计周期，降低产品开发费用。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2板料成形工艺设计及其研究状况

1.2.1基于经验的设计

1.2.2基于CAD的设计

1.2.3基于智能的设计

1.2.4基于有限元的设计

1.3板料成形优化设计技术的研究现状

1.3.1板料成形优化设计的基本思想

1.3.2板料成形优化设计的主要分类

1.3.3板料成形优化设计的关键问题

1.3.4板料成形优化设计的发展动态

1.3.5板料成形优化设计存在的问题

1.4选题意义及主要研究内容

1.4.1选题意义

1.4.2主要研究内容

第2章板料成形多目标优化设计模型

2.1引言

2.2设计变量的选取

2.3约束条件的设定

2.4目标函数的建立

2.4.1破裂

2.4.2起皱

2.4.3变形量不足

2.4.4厚度不均匀

2.4.5形状不良

2.5优化算法的选择

2.5.1 Pareto最优解

2.5.2多目标遗传算法

2.5.3控制参数的设定

2.6板料成形多目标优化设计模型

2.7本章小结

第3章板料成形优化设计方法与策略

3.1引言

3.2优化设计方法

3.2.1拉丁方设计

3.2.2响应面法

3.2.3有限元法

3.3优化设计策略

3.4优化设计过程集成

3.4.1过程集成方法

3.4.2优化设计过程

3.5多目标优化设计模型的评价

3.5.1试验模型

3.5.2有限元模型

3.5.3拉丁方法试验设计

3.5.4响应面法近似求解

3.5.5有限元法精确分析

3.6本章小结

第4章板料成形工艺参数优化设计

4.1引言

4.2压边力优化设计

4.2.1 NUMISHEET'93标准考题分析

4.2.2时变压边优化设计

4.2.3分块压边优化设计

4.3拉深筋优化设计

4.3.1等效拉深筋阻力模型

4.3.2拉深筋优化设计方法

4.4发动机罩外板拉延成形工艺参数优化设计实例

4.4.1成形分析

4.4.2优化设计

4.5本章小结

第5章板料拉延成形模具型面优化设计

5.1引言

5.2模具型面设计方法

5.3网格变形技术

5.3.1网格变形的基本算法

5.3.2网格变形的基本实例

5.4模具型面优化设计过程

5.5行李箱外板拉延模具型面优化设计实例

5.5.1初始模具型面设计

5.5.2模具型面优化设计

5.6本章小结

第6章覆盖件成形工艺优化设计的工程应用

6.1引言

6.2翼子板成形工艺优化设计

6.2.1有限元模型的建立

6.2.2优化设计模型的建立

6.2.3优化设计与结果验证

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明及哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历