基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法及装置

摘要

本发明公开了基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法及装置，所述方法：采用有限元模拟的数据获取设计空间的散射点集；所述散射点集包括将设计域散射成均匀分布的设计点，所述设计点包括设计域网格内点Xi和近邻域网格内点Xi+1；采用所述设计域网格内点Xi搜索所述近邻域网格内点Xi+1，构建目标函数，通过响应面网格近邻搜索的策略获取所述目标函数的最优解。本发明采用散射近似和响应面网格近邻搜索优化的方法，在满足弯曲工艺参数的优化设计的高精度的同时，又能够以较低的时间成本实现弯曲工艺参数的设计优化。

说明书

技术领域

本发明涉及弯曲工艺参数优化的技术领域，尤其涉及一种基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法及装置。

背景技术

航空、航天、汽车工业、船舶制造业中的零件需要用弯曲的方法进行成形，对于弯曲模成形工艺参数的优化设计，有限元(FEM)模拟是常用的方法，经常被用来替代真实的弯曲工艺实验，但是大型复杂零件的弯曲成形工艺参数的模拟与优化的时间成本仍然较高。例如，一个汽车大型覆盖件的弯曲成形全过程FEM模拟往往需要十多个小时才可以完成，因此直接用一个模拟程序来优化设计方案，以找出最佳设计空间的时间成本仍然是很高的。同时存在很多近似计算方法可以完成工艺参数的优化设计，如人工神经网络、径向基函数、最小二乘法、支持向量回归等都可以在减少大量计算费用的情况下尽可能模拟原系统。上述这些模型的质量对优化设计的收敛精度和计算量有重要影响，其质量依赖于计算机模拟和真实工艺实验的样本点，通常更多的样本点能提供更多的计算信息，但是这也大大提高了计算的成本，采用少的样本点成本则低，但会造成模型不精确，因此，在弯曲模成形工艺参数的优化设计与建模过程中，如何在高精度与低成本之间寻求平衡是一个重要的工程问题。

在使用弯曲模进行金属板料弯曲成形时，通常会采用各种最优化设计技术来解决金属板料弯曲的工艺参数的优化问题，而这往往会导致时间成本昂贵的函数评估过程，特别是当成本和约束函数是通过包含大量精细网格、非线性几何和材料行为的有限元模拟获得的时候。

发明内容

本发明目的在于，提供一种基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法及装置，采用散射近似和响应面网格近邻搜索优化的算法，其中，所述响应面网格近邻搜索优化的算法采用局部非线性近似的方法来完成对目标函数的迭代拟合，以减少弯曲成形工艺参数优化中函数评估的成本，在满足弯曲工艺参数的优化设计的高精度的同时，又能以较低的时间成本实现弯曲工艺参数的设计优化，从而实现高精度与低成本之间的均衡。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法，包括：

采用有限元模拟的数据获取设计空间的散射点集；

所述散射点集包括将设计域散射成均匀分布的设计点，所述设计点包括设计域网格内点X

采用所述设计域网格内点X

优选地，所述采用所述设计域网格内点X

所述根据所述设计域网格内点X

优选地，所述采用所述设计域网格内点X

所述响应面网格近邻搜索的策略采用局部非线性近似的方法来完成对所述设计空间的目标函数的迭代拟合，迭代i时，所述设计域网格内点X

优选地，所述采用所述设计域网格内点X

回弹函数f(X)，其中X∈R

minimizef(X),X∈R

g

优选地，所述采用所述设计域网格内点X

所述目标函数中，f为成本函数，其中X包括所述成本函数采用函数近似值

其中，p为偏置函数，a

其中，w为权重函数，所述设计点的位置x的系数a

其中，A＝pwp

本发明实施例提供还提供一种基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的装置，包括：

采集模块，采用有限元模拟的数据获取设计空间的散射点集；

设计模块，所述散射点集包括将设计域散射成均匀分布的设计点，所述设计点包括设计域网格内点X

优化模块，采用所述设计域网格内点X

优选地，所述优化模块，包括：

所述根据所述设计域网格内点X

优选地，所述优化模块，包括：

所述响应面网格近邻搜索的策略采用局部非线性近似的方法来完成对所述设计空间的目标函数的迭代拟合，迭代i时，所述设计域网格内点X

优选地，所述优化模块，包括：

回弹函数f(X)，其中X∈R

minimizef(X),X∈R

g

优选地，所述优化模块，包括：

所述目标函数中，f为成本函数，其中X包括所述成本函数采用函数近似值

其中，p为偏置函数，a

其中，w为权重函数，所述设计点的位置x的系数a

其中，A＝pwp

本发明实施例本发明采用散射近似和响应面网格近邻搜索优化的RSM方法，该响应面算法采用局部非线性近似的方法来完成对目标函数的迭代拟合，以减少弯曲成形工艺参数优化中函数评估的成本，在满足弯曲工艺参数的优化设计的高精度的同时，又能够以较低的时间成本实现弯曲工艺参数的设计优化，从而实现高精度与低成本之间的均衡。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某一实施例提供的基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法的流程示意图；

图2是本发明另一实施例提供的基于有限元模拟的虚拟DOE的变尺度模式搜索设计空间最优解示意图；

图3是本发明又一实施例提供的U形弯曲成形中的零件示意图；

图4是本发明某一实施例提供的U形弯曲件的弯曲行程下的弯曲力矩的分布示意图；

图5是本发明另一实施例提供的U形弯曲模圆角参数和卸载情况、响应面网格模型示意图；

图6是本发明又一实施例提供的响应面目标函数示意图；

图7是本发明某一实施例提供的基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的装置结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不对作为对步骤执行先后顺序的限定。

应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1，本发明实施例提供一种基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的方法，包括：

S101、采用有限元模拟的数据获取设计空间的散射点集；

具体的，有限元模拟的方法常用来针对弯曲模成形工艺参数的优化设计，是一种数学模拟方法，基本的思想是将研究的地质体以一定的方式(单元形状和节点个数)简化为有限个单元组成的离散化模型。

请参照图2，采用空心点表示弯曲工艺参数设计空间中的散射点集，如图2(b)所示，这些散射点集可以通过有限元模拟的数据获取，采用这种方式完成基于有限元模拟的虚拟的实验优化设计(DOE)。

采用散射近似的方法，能以较低的时间成本实现弯曲工艺参数的设计优化。

S102、所述散射点集包括将设计域散射成均匀分布的设计点，所述设计点包括设计域网格内点X

请参照图2(a)，坐标轴的范围即为设计域，在设计域网格中包括设计域网格内点X

请参照图2(b)，采用空闲点表示弯曲工艺参数设计空间中的散射点集，这些散射点集可以通过有限元模拟的数据获取，采用这种方式完成基于有限元模拟的虚拟的实验优化设计(DOE)，其中，在弯曲模成形工艺参数设计空间中分布实验点的问题称为实验优化设计。

S103、采用所述设计域网格内点X

具体的，响应面(RSM)法是一种根据设计空间中各个点计算的结果，用近似模型替代复杂模型的成本低且高效可靠的方法，RSM方法可用于降低弯曲工艺参数优化中函数评估的复杂度，然后在此响应面上能以较低的成本执行优化。设计域网格内点X

请参照图2(b)，迭代i时，网格由四个黑点定义，计域网格内点X

弯曲模成形工艺参数的优化，目标是回弹函数f(X)的最小化，其中X∈R

minimizef(X),X∈R

g

以上目标函数基于一组函数f的数值实验，在弯曲模成形工艺参数设计空间中分布实验点的问题称为实验优化设计(DOE)，给定所选弯曲模成形工艺参数DOE分布的一组实验点X

其中，成本函数f根据偏置函数p与调整系数a

其中，p为偏置函数，a

其中，w为权重函数，设计点的位置x的系数a

其中，A＝pwp

针对本发明所提出的方法进行举例，具体实施案例及效果如下：

请参照图3，U型零件弯曲回弹测试，本测试示例了一个采用提出的响应面(RSM)算法优化的U型零件(左半部)弯曲回弹的案例，测试对象由一个宽度为40毫米，长度为380毫米的矩形薄片组成，由于U型零件左右对称，本案例只需示例对称U型零件的左半部的，材料选用高强度钢，其材料和几何特性如表1所示，采用各向同性随动硬化模型：

请参照图3(a)，弯曲成形中以及在模具卸载后发生回弹的U形零件，目标是优化回弹后的夹角参数：θ

请参照图3(b)，本发明改进响应面计算方法，采用一步模拟成形操作，包括初始解决方案以加快收敛过程。

请参照图4，展示了U形弯曲件的弯曲行程下的弯曲力矩的分布，可以清楚地观察到和Abaqus有限元模拟所获得结果的良好的吻合效果。

表1.材料和几何特性

主要回弹实验结果如表2所示，结果显示，回弹两个重要参数夹角参数：θ

表2.弯曲回弹参数的实验结果对比

请参照图5和图6，U型弯曲模具尺寸优化，优化目标是为了获得最优的上模和下模的圆角半径，其中，R

相较于目前在使用弯曲模进行金属板料弯曲成形时，通常会采用各种最优化设计技术来解决金属板料弯曲的工艺参数的优化问题，但这往往会导致时间成本昂贵的函数评估过程，特别是是当成本和约束函数是通过包含大量精细网格、非线性几何和材料行为的有限元模拟获得的时候。本发明采用散射近似和响应面网格近邻搜索优化的RSM方法，该响应面算法采用局部非线性近似的方法来完成对目标函数的迭代拟合，以减少弯曲成形工艺参数优化中函数评估的成本，在满足弯曲工艺参数的优化设计的高精度的同时，又能够以较低的时间成本实现弯曲工艺参数的设计优化，从而在高精度与低成本之间达成一种平衡，所提出的方法可以应用于设计弯曲模具几何结构，例如弯曲模具的半径，以尽量减少U形弯曲的回弹效应。

请参阅图7，本发明实施例提供一种基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的装置，包括：

采集模块11，采用有限元模拟的数据获取设计空间的散射点集；

设计模块12，所述散射点集包括将设计域散射成均匀分布的设计点，所述设计点包括设计域网格内点X

优化模块13，采用所述设计域网格内点X

关于基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的装置的具体限定可以参见上文中对于的限定，在此不再赘述。上述基于响应面法优化弯曲模成形工艺参数的装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。