基于类等势场法的轮盘锻件预成形多目标优化设计_孔萌.pdf

第 48 卷 第 3 期Vol.48 No.3FORGING&STAMPING TECHNOLOGY 2023 年 3 月Mar.2023锻造基于类等势场法的轮盘锻件预成形多目标优化设计孔 萌1,王宗申1,陈 磊1,朱立华1,高 珊2(1.山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博 255000;2.山东理工大学 材料科学与工程学院,山东 淄博 255000)摘要:以轮盘类锻件为例,结合数值模拟与优化算法,研究基于类等势场法的锻件预成形多目标优化设计。首先,模拟分析坯料在预锻和终锻过程中的充填情况、变形均匀性和成形载荷,发现存在充填不足、折叠等缺陷。然后,以锻造充填率为响应值,基于静电场模拟结果进行响应面分析,获得预锻件最佳体积比和等势线取值范围。最后,以电势值为设计变量,对锻件预成形进行基于变形均匀性和终锻成形载荷的多目标优化设计,最终得到电势值取 0.2370 V 时为最优解。结果表明,优化后锻件充填效果良好,无折叠等缺陷,等效应变方差由 0.4000 降为 0.1945,应变分布更为均匀,终锻成形载荷由 1.22105 kN降为 9.71104 kN,优化效果显著,可为同类锻件的生产提供借鉴和理论指导。关键词:轮盘;预成形;类等势场法;变形均匀性;终锻成形载荷DOI:10.13330/j.issn.1000-3940.2023.03.001中图分类号:TG316 文献标志码:A 文章编号:1000-3940(2023)03-0001-10Multi-objective optimization design on preforming for wheel disc forgings based on quasi-equipotential field methodKong Meng1,Wang Zongshen1,Chen Lei1,Zhu Lihua1,Gao Shan2(1.School of Mechanical Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China;2.School of Materials Science and Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255000,China)Abstract:For wheel disc forgings,combining the numerical simulation and optimization algorithm,the multi-objective optimization design of preforming for forgings based on quasi-equipotential field method was investigated.Firstly,the filling condition,deformation uniformity and forming load of billet during the pre-forging and final forging processes were simulated and analyzed,and the defects such as insufficient fill-ing and folding were observed.Then,choosing forging filling ratio as the response value,the response surface analysis was carried out to a-chieve the optimal volume ratio and the value range of equipotential lines for pre-forgings based on the simulation result of electrostatic field.Finally,taking the potential value of equipotential lines as the design variable,the multi-objective optimization design on the forming forg-ings based on deformation uniformity and final forging load was conducted,and the potential value was 0.2370 V as the optimal solution.The results show that after optimization,the filling effect of forgings is good without defects such as folding,the equivalent strain variance is reduced from 0.4000 to 0.1945,the strain distribution is more uniform,and the final forging load decreases from 1.22105 kN to 9.71104 kN.Thus,the optimization effect is remarkable,which can provide reference and theoretical guidance for the production of similar forgings.Key words:wheel disc;preforming;quasi-equipotential field method;deformation uniformity;final forging load收稿日期:2022-01-19;修订日期:2022-03-24基金项目:国家自然科学基金资助项目(51605266);山东省自然科学基金资助项目(ZR2019PEM009);山东省高等学校青创科技支持计划项目(2021KJ068);淄博市校城融合发展计划项目(2018ZBXC037)作者简介:孔 萌(1999-),女,硕士研究生E-mail:21401030026 通信作者:王宗申(1986-),男,博士,副教授E-mail:wangzsh 预成形可以改善锻造金属的填充效果和显微组织,从而提高锻件质量1。目前,锻件预成形优化设计已成为塑性加工领域的前沿研究方向之一。反向模具跟踪算法2-3是较早应用于预成形设计的方法,但其计算结果很大程度上依赖于边界节点确定的准确性。Yang Y H 等4利用响应面法建立了二阶近似模型,并结合有限元模拟方法实现了对航空发动机盘面的优化设计。Liu C S 等5以瓶坯状锻件为研究对象,利用椭圆傅里叶分析、有限元法和遗传算法反向设计瓶坯形状,完成了预成形优化设计。Kitayama S 等6采用径向基函数网络进行近似优化,通过模拟确定各目标间的 Pareto 边界,将裂纹风险降到最低。然而,预成形设计的基本思路与试错法相同,主要通过大量反复实验不断进行修正,设计自动化程度较低。近年来,更多优化算法被引入到塑性成形过程中以实现工艺优化设计。类等势场法基于静电场理论进行静电场模拟,再利用响应曲面优化算法进行优化设计,模拟实验与优化过程相对独立,优化设计效率得到提高,同时节省了计算时间7。本文以轮盘类锻件为例,首先,对锻件的锻造成形过程进行有限元模拟与分析,研究采用传统设计方法时,轮盘在锻造成形过程中的金属充填情况、变形均匀性和载荷变化等,分析并指出锻造缺陷。然后,利用基于类等势场法的锻造预成形多目标优化设计方法对轮盘预锻过程进行优化设计,最终获得形状符合要求、飞边较小、变形均匀且成形载荷低的锻件。1 轮盘锻造过程有限元模拟与分析本文选用某轮盘锻件的结构和尺寸如图 1 所示。采用传统的锻造工艺分析与模具设计方法,确定模膛形状以及初始坯料尺寸为 240 mm184 mm,作为初始模拟方案。基于锻件的轴对称性,借助 DE-FORM-2D 软件对锻造过程进行有限元建模和分析,主要模拟参数及取值如表 1 所示,选用材料的流动应力模型如式(1)所示。图 1 轮盘锻件的结构和尺寸Fig.1 Structure and dimensions of wheel disc forgings-=(A+B-n)1+Cln-0-()|-0-()(D-ETm)T=(T-Troom)Tmelt-Troom|(1)表 1 主要模拟参数及取值Table 1 Main simulation parameters and their values模拟参数取值锻件材料AISI-1045模具材料AISI-H-13坯料初始温度/1050模具初始温度/300摩擦因数0.3上模运动速度/(mms-1)50对流换热系数/(kW(m2K)-1)2.9锻件比热/(W(mK)-1)3.77锻件热导率/(W(mK)-1)35模具比热/(W(mK)-1)3.2模具热导率/(W(mK)-1)25接触换热系数/(kW(m2K)-1)11式中:-为流动应力;-为等效应变;-为等效应变速率;-0为参考应变速率,取值为 1;D 为损伤参量,取值为 1;T为比温度;T 为锻件与模具接触部分温度;Troom 为环境温度,取值为 20;Tmelt为材料熔化温度,取值为 1500;A、B、C、E、n、和 m 均为常数,取值为 A=-4044.81,B=35029,C=0.128244,E=1.0,n=0.186116,=0,m=0.0187744。图 2a 和图 2b 分别给出了初始模拟方案中预锻和终锻过程中金属的充填情况。从图 2b 可以看出,终锻结束后坯料未能完全充满模膛,部分坯料溢出模膛形成飞边。这主要是由于材料接触到下模内壁后才开始流动,上、下模具挤压使得坯料溢出模膛,导致轮毂下部坯料减少,无法完全充满同时形成较大的飞边。坯料在预锻和终锻后的等效应变分布云图分别如图 3a 和图 3b 所示。预锻完成后,等效应变分布整体比较均匀,最大值为 3.205,出现在预锻件中心下部;中心下部凸起处的等效应变水平最低,约为 0.115,如图 3a 所示。如图 3b 所示,终锻过程中,随着上模下压量的增加,在坯料与上、下模接触部分的等效应变逐渐增大,由于受到模具和锻件接触面摩擦力的影响,使得锻件中心部分的金属变形受阻,坯料在成形锻件中心时较为困难,不能很好地沿模腔壁流动。由于接触表面摩擦力的影响,应变沿径向由外缘向中心逐渐增大,沿高度方向由表面向中心逐渐减小。故终锻结束后,应变分布不均匀,最大值为 6.835,出现在终锻件中心上部;最小值为 0.415,出现在终锻件中心上部凸起处8。2锻压技术 第 48 卷图 2 初始方案的充填效果(a)预锻(b)终锻Fig.2 Filling results in initial scheme(a)Pre-forging(b)Final forging图 3 初始方案的等效应变分布(a)预锻(b)终锻Fig.3 Equivalent strain distributions in initial scheme(a)Pre-forging(b)Final forging坯料在预锻和终锻后的等效应力分布如图 4a 和图 4b 所示,终锻结束后等效应力最大值出现在锻件中心上 部,约 为 308 MPa,且 等 效 应 力 最 大 处出现坯料折叠,将会影响成形终锻件的表面质量,也会破坏其连续性,在使用时容易出现应力集中而发生疲劳裂纹,很大程度上影响锻件的承载能力,严重影响其力学性能。经分析可能是因为预锻模具中心圆角处设计不合理,导致内部出现折叠缺陷7,9-10。图 4 初始方案的等效应力分布(a)预锻(b)终锻Fig.4 Equivalent stres