基于正挤压全过程模具结构优化及疲劳寿命研究

发布时间：2017-05-29 08:03

  本文关键词：基于正挤压全过程模具结构优化及疲劳寿命研究，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【关键词】：实心件正挤压 多学科优化 疲劳寿命 实验设计 响应面模型
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG375.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-28
• 1.1 冷挤压概况10-11
• 1.2 冷挤压工艺现状和发展11-13
• 1.2.1 冷挤压工艺的过去和未来11
• 1.2.2 国外冷挤压技术的现状和发展11-12
• 1.2.3 国内冷挤压技术的现状和发展12-13
• 1.3 有限元数值模拟和发展13-18
• 1.3.1 有限元法发展概况13-17
• 1.3.2 弹塑性有限元法在金属成型中的运用17
• 1.3.3 本文有限元分析软件ABAQUS简介17-18
• 1.4 优化设计18-23
• 1.4.1 优化设计概念和步骤18
• 1.4.2 实心件正挤压工艺参数优化18-19
• 1.4.3 本文中采用的优化软件的介绍19-20
• 1.4.4 多目标优化问题简介20-21
• 1.4.5 离散变量优化21
• 1.4.6 本文所用优化算法简介21-23
• 1.5 疲劳寿命预测23-26
• 1.5.1 疲劳寿命预测法23-24
• 1.5.2 我国机械产品开发疲劳研究的现状24-25
• 1.5.3 实心件正挤压凹模的疲劳寿命研究现状25
• 1.5.4 基于有限元分析的疲劳寿命预测25-26
• 1.5.5 本文所用的疲劳软件以及疲劳算法简介26
• 1.5.6 硬质合金的疲劳特性26
• 1.6 本文研究的主要内容26-27
• 1.7 本章小结27-28
• 2 传统的实心件正挤压模具结构及有限元分析28-70
• 2.1 实心件正挤压28-30
• 2.2 Scm435材料拉伸测试和真应力-应变曲线转化30-34
• 2.3 数值模拟流程与结果讨论34-52
• 2.4 实心件正挤压模具结构疲劳破坏52-53
• 2.5 对凹模受载有利的设计方法的介绍53-55
• 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55-56
• 2.7 改进结构后的凹模工艺有限元分析56-59
• 2.8 有限元分析结果讨论59-69
• 2.9 本章小结69-70
• 3 数值模拟-疲劳寿命-优化设计平台搭建70-100
• 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70-86
• 3.1.1 FE-SAFE和ABAQUS的联合应用70-73
• 3.1.2 基于ISIGHT和ABAQUS的优化平台73-75
• 3.1.3 ISIGHT优化数值模拟结果75-78
• 3.1.4 基于工艺期望的Pareto解的筛选78-86
• 3.2 DOE实验设计86-89
• 3.3 近似建模89-92
• 3.4 基于响应面模型的快速优化92-93
• 3.5 基于离散变量的优化拉丁超立方抽样法改进93-95
• 3.6 ISIGHT-FESAFE-ABAQUS的联合数值模拟平台搭建95-98
• 3.7 本章小结98-100
• 4 总结与展望100-102
• 参考文献102-105
• 附录A 四次响应面模型函数表达式105-110
• 附录B 近似模型优化结果有限元分析计算结果110-117
• 附录C 1~4 阶响应面模型随机误差分析117-137
• 附录D 1~4 阶响应面模型误差分析表137-139
• 附录E 改进的响应面模型函数139-143
• 攻读硕士学位期间发表论文及科研成果143-144
• 致谢144-145

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