基于Kriging模型的球铰芯轴预成形多目标优化

发布时间：2017-04-02 07:06

  本文关键词：基于Kriging模型的球铰芯轴预成形多目标优化，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：球铰芯轴是重型车辆平衡悬架推力杆的重要组成部分,在车辆行驶过程中工况复杂多变,极易出现断裂失效的情况。同时,球铰芯轴也是一种典型的汽车轴类精密锻件,轴向截面变化大,对坯料的预成形具有很高的要求。随着我国工业的快速发展,重型车辆的需求量也是迅猛增加,为保证重型车辆平衡悬架系统的安全性与稳定性,对球铰芯轴的成形质量、综合性能提出了更高的要求。而目前,对于球铰芯轴的研究内容并不多,国内的很多锻造企业主要还是依据长期的生产实践经验来制定球铰芯轴的锻造工艺,对于如何合理地进行类似汽车轴类零件的预成形设计还是基于传统的试错法,容易造成类似锻件开发及制造周期过长,材料利用率低下的情况。在数字化制造成为主流的今天,如何将球铰芯轴的精锻成形工艺与预成形优化设计结合起来,从而对制造的各个环节有更准确的把握显得尤为重要。球铰芯轴锻造成形工艺过程复杂,其过程的可操作性、成形质量及稳定性、材料利用率以及成形载荷、模具应力等,都对球铰芯轴的生产制造过程影响深远,是需要考虑的优化目标。本文对国内外汽车复杂轴类零件的成形工艺、精密塑性成形技术的研究现状进行了简单介绍,并以推力杆球铰芯轴为例对其预成形过程进行了优化设计,对预成形工艺参数进行了多目标的优化。首先设计了球铰芯轴的精密锻造成形工艺,选择卡压制坯的方法进行材料的预分配。通过数值模拟,设计不同的对照模拟实验,研究了卡压预成形过程中坯料的尺寸变化规律,以此为基础推导出卡压预成形的体积分配公式。通过体积分配公式,确定了对终锻成形具有影响的工艺参数,并确定了相关预成形工艺参数的合理范围值,依此以锻件的充填率以及材料利用率为目标建立了正交试验,通过正交试验的因素指标以及正交试验的二阶预测分析确定了影响较小的因素的优化值以及影响较大因素的优化值所在的范围。其次,在正交试验的基础上通过拉丁超立方法选取初始样本点以终锻过程最大成形载荷以及模具最大等效应力为响应进行了多组数值模拟,依次建立了Kriging近似替代模型,并验证了近似模型的精确度。最终,通过遗传算法的多目标优化与近似模型建立了联系,并最终通过迭代运算获得了预成形工艺参数的最优值。最后,通过生产实践,将优化工艺参数与原设计参数进行了对比,模拟结果与生产实际吻合,且锻件的成形质量等方面有显著的提高。本文将球铰芯轴精密锻造预成形设计、数值模拟技术、正交试验设计与近似替代模型方法、遗传算法多目标优化相结合,达到了优化预成形设计、提高材料利用率、优化锻件成形质量等目的。本文研究成果对球铰芯轴的实际锻造生产具有指导意义,并为类似锻件的生产以及相关的预成形设计与优化提供了理论指导和实践依据。
【关键词】：球铰芯轴 卡压预成形 Kriging近似模型 遗传算法
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG316
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-26
• 1.1 引言12-13
• 1.2 汽车推力杆结构13-15
• 1.2.1 汽车推力杆结构13-15
• 1.2.2 推力杆球铰芯轴15
• 1.3 推力杆球铰芯轴的工艺路线15-19
• 1.3.1 推力杆球铰芯轴16-17
• 1.3.2 球铰芯轴锻造成形工艺17-19
• 1.4 金属体积预成形设计的发展与研究现状19-24
• 1.4.1 国内外预成形设计的发展现状19-21
• 1.4.2 主要的预成形优化设计方法21-22
• 1.4.3 球铰芯轴预成形设计22-24
• 1.5 本课题的研究的目的及意义24
• 1.6 本课题的研究的内容及方法24-26
• 第二章 刚粘塑性有限元理论基础和卡压成形规律研究26-41
• 2.1 引言26
• 2.2 金属锻造刚粘塑性有限元理论26-28
• 2.2.1 刚粘塑性有限元方法的基本理论和假设27
• 2.2.2 刚粘塑性有限元方法的基本方程及边界条件27-28
• 2.2.3 刚粘塑性材料的变分原理28
• 2.3 热力耦合有限元分析软件Deform28-30
• 2.3.1 Deform简介28
• 2.3.2 Deform-3D边界条件的设置28-30
• 2.3.3 摩擦条件的设置30
• 2.4 卡压制坯的成形规律30-40
• 2.4.1 球铰芯轴预成形的有限元模型31-34
• 2.4.2 预成形轮廓尺寸变化规律34-35
• 2.4.3 坯料直径的变化规律35-36
• 2.4.4 坯料宽度的变化规律36-37
• 2.4.5 坯料长度的变化规律37-39
• 2.4.6 卡压制坯体积预分配规律39-40
• 2.5 本章小节40-41
• 第三章 正交试验设计与近似模型41-59
• 3.1 引言41
• 3.2 设计变量41-43
• 3.2.1 坯料长径比42
• 3.2.2 卡压距离42
• 3.2.3 卡压型槽宽度42
• 3.2.4 坯料温度42-43
• 3.2.5 模具预热温度43
• 3.3 目标函数43-45
• 3.3.1 充填率43-44
• 3.3.2 材料利用率44-45
• 3.3.3 综合成形性45
• 3.4 卡压预成形优化正交试验设计45-48
• 3.4.1 试验设计及其结果45-47
• 3.4.2 正交试验的二阶优化47-48
• 3.5 近似模型构建48-51
• 3.5.1 近似模型的选择49
• 3.5.2 Kriging近似模型49
• 3.5.3 多目标优化49-50
• 3.5.4 约束条件50-51
• 3.6 Kriging近似模型设计51-58
• 3.6.1 LHS方法51
• 3.6.2 初始样本点51-52
• 3.6.3 近似模型的建立52-53
• 3.6.4 Kriging近似模型工具箱DACE53-54
• 3.6.5 Kriging近似模型的实现54-57
• 3.6.6 Kriging近似模型的精度检验57-58
• 3.7 本章小结58-59
• 第四章 基于惩罚函数的遗传算法多目标优化59-67
• 4.1 引言59
• 4.2 遗传算法59-60
• 4.2.1 遗传算法的理论基础59-60
• 4.2.2 遗传算法的基本运算过程60
• 4.3 复杂的非线性多目标约束优化问题60-62
• 4.3.1 遗传算法多目标优化方法61-62
• 4.3.2 基于惩罚函数的遗传算法62
• 4.4 遗传算法多目标优化的实现形式62-65
• 4.4.1 基于ga函数的遗传算法设计62-63
• 4.4.2 gatool工具箱的调用63-65
• 4.5 球铰芯轴预成形遗传算法多目标优化的结果分析65-66
• 4.5.1 遗传算法最优解65
• 4.5.2 遗传算法最优解验证65-66
• 4.6 本章小结66-67
• 第五章 球铰芯轴预成形优化的生产验证67-72
• 5.1 生产试验设备及模具67-68
• 5.2 生产试验用材料及参数68-69
• 5.3 生产实践验证69-70
• 5.4 本章小结70-72
• 第六章 结论与展望72-74
• 6.1 完成的主要工作及结论72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 在攻读硕士期间发表的学术论文及其他科研成果79-80
• 附录A80-86
• A.1 Python最小二乘法拟合代码80
• A.2 正交试验二阶预测MATLAB代码80
• A.3 拉丁超立方法(LHS)样本点拾取MATLAB代码80-81
• A.4 Kriging近似模型预测最大成形载荷MATLAB代码81-82
• A.5 Kriging近似模型预测模具最大等效应力MATLAB代码82-83
• A.6 Kriging近似模型预测终锻成形质量MATLAB代码83
• A.7 Kriging近似模型预测充填率MATLAB代码83-84
• A.8 Kriging近似模型预测材料利用率MATLAB代码84-85
• A.9 基于ga函数的遗传算法设计MATLAB代码85-86

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