基于正挤压全过程模具结构优化及疲劳寿命研究

摘要

作为高精度、高效率、优质低耗的先进生产技术，冷挤压被广泛用于工业生产中。由于冷挤压模具所承受的压力大、模具寿命短，合理的模具结构尤为重要。因此，冷挤压过程的研究和工艺参数的整体优化具有重要的意义。
　　本文针对Scm435合金钢棒材正挤压，首先通过有限元数值模拟重现了从模具的过盈装配，工件放置，挤压，卸载，到工件顶出整个生产全过程中挤压件及模具的应力、应变及温度分布。并以此为依据提出了新的通过分段式模套施加变过盈量的工艺方案，以及具体的工艺实施方法，通过有限元数值模拟进行了验证。随后，根据上海某汽车紧固件公司提供的真实工艺参数，通过对挤压全过程的数值模拟，分析对比了不同结构的长型凹模的特点，并确定了最终的凹模结构。
　　本文的研究，通过python语言编写参数化建模文件，集成ABAQUS和ISIGHT对棒材正挤压的双层预压力模具结构的关键参数(倒角、过盈量和摩擦系数），利用NSGA-Ⅱ进行多学科多目标优化。进行了实验设计（DOE），以优化拉丁超立方抽样方法对样本空间进行抽样，并在抽样结果的基础上，构造响应面函数，以响应面函数代替复杂而耗时的数值模拟程序进行优化。这一方法可以大幅度节约计算时间，所得到的优化结果和通过NSGA-Ⅱ得到的结果相对比，验证了此种方法的可行性，从而为实际工程应用提供了可能。通过进一步研究，本文提出了新的基于离散变量的优化拉丁超立方抽样法的样本空间构造方法，同时对响应面函数的误差分析进行了改进，通过构造新的响应面函数代替逐次的有限元计算，得到的结果验证了改进后的方法的优越性和实用性。
　　本文搭建了ABAQUS-FE-SAFE-ISIGHT有限元、疲劳寿命及优化的数值模拟平台。在该平台上，本文对遗传优化得到的多目标函数的Pareto解集进行疲劳寿命计算，并对凹模疲劳寿命影响因素进行了详细的分析和讨论，所得结果验证了系统优化和预测的正确性。所搭建的这个平台，可以进一步应用于实际挤压过程模具的结构优化及寿命分析。

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1 绪论

1.1 冷挤压概况

1.2 冷挤压工艺现状和发展

1.3 有限元数值模拟和发展

1.4 优化设计

1.5 疲劳寿命预测

1.6 本文研究的主要内容

1.7 本章小结

2 传统的实心件正挤压模具结构及有限元分析

2.1 实心件正挤压

2.2 Scm435材料拉伸测试和真应力-应变曲线转化

2.3 数值模拟流程与结果讨论

2.4 实心件正挤压模具结构疲劳破坏

2.5 对凹模受载有利的设计方法的介绍

2.6 本文Scm435合金钢冷挤压凹模结构改进和工艺细节的考虑

2.7 改进结构后的凹模工艺有限元分析

2.8 有限元分析结果讨论

2.9 本章小结

3 数值模拟-疲劳寿命-优化设计平台搭建

3.1 数值模拟-疲劳寿命-优化设计平台搭建的理论基础和实际操作

3.2 DOE实验设计

3.3 近似建模

3.4 基于响应面模型的快速优化

3.5 基于离散变量的优化拉丁超立方抽样法改进

3.6 ISIGHT-FESAFE-ABAQUS的联合数值模拟平台搭建

3.7 本章小结

4 总结与展望

参考文献

附录A 四次响应面模型函数表达式

附录B 近似模型优化结果有限元分析计算结果

附录C 1~4阶响应面模型随机误差分析

附录D 1~4阶响应面模型误差分析表

附录E 改进的响应面模型函数

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢