基于粒子群算法的等温挤压能耗优化

发布时间：2020-08-12 11:22

【摘要】：挤压工艺由于具有材料利用率高、产品质量好等优点而被广泛应用于各个行业,然而挤压工艺参数的设定主要依靠产品质量调整而并未考虑能耗因素,因此广泛存在着高耗低效的现象。随着铝型材行业进入薄利时代,实现能耗成本与质量的协同调控成为亟需解决的问题。由于在挤压过程中,金属流动状态会随着参数变化而改变,从而无法有效地保证产品质量。而等温挤压工艺通过维持型材出口面温度的恒定,能够有效地保证型材质量。因此等温挤压得到了越来越多学者的关注,但是考虑能耗的相关研究仍较少。针对等温挤压能耗优化问题,本文首先基于上限理论结合等温挤压机理建立成形能耗模型;其次,结合数值模拟技术,建立有限元分析模型,分析工艺参数对成形能耗与型材出口面温度变化及分布情况的影响;然后,利用支持向量机建立工艺参数与等温挤压成形能耗与型材出口面温度的预测模型,以此建立工艺参数与等温挤压成形能耗与型材出口面温度的优化模型;最后,并采用粒子群算法优化等温挤压工艺参数,达到型材质量最优及成形能耗最小目的。具体研究工作如下:(1)为了解决目前缺乏等温挤压成形能耗计算方法的问题,本文对挤压成形过程中的金属流动特性进行了分析,将挤压过程分成了三个阶段,针对每个阶段的特点,基于上限理论建立了相应的能耗计算模型。能耗模型显示,等温挤压成形能耗与挤压速度以及金属变形抗力有直接关系。(2)为了解决能耗模型中部分参数无法直接获取的问题,本文根据所建立的能耗模型,选择坯料初始温度、坯料温度梯度以及挤压速度作为研究对象,利用数值模拟软件建立空心圆管的有限元分析模型,对不同工艺参数条件下的等温挤压成形过程进行仿真模拟,分析仿真结果,研究坯料初始温度、坯料首尾温差和挤压速度等工艺参数对挤压成形能耗与型材出口面温度变化及温度分布的影响。(3)为了解决挤压工艺参数的合理选择较为困难的问题,本文采用支持向量机建立工艺参数与型材质量及挤压成形能耗的预测模型,在此基础上建立工艺参数与挤压成形能耗及型材质量的多目标优化模型,并采用粒子群算法求解,实现了挤压工艺参数的优化。(4)综合上述建立的模型与方法,使用MATLAB仿真平台建立“挤压能耗仿真优化系统”,为挤压成形的能耗优化提供理论支持和技术参考。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP18;TG379
【图文】：

能力曲线,极限图,挤压成形

广东工业大学硕士学位论文建立相应的关系模型。因此结合支持向量机和粒子群算过程能耗的影响规律，合理选择挤压工艺参数，对减少本和投产时间具有一定的指导意义。研究现状等温挤压概述是指在保持型材出口温度恒定或基本恒定（差异为±10形工艺。等温挤压工艺的特点是在挤压过程中，变形区最大限度地保持金属变形抗力和金属流动的均匀性，保精准程度以及组织与性能沿断面和长度方向的均匀性[11工艺的实现基础是挤压成形极限图[12]。如图 1-1 所示，表示挤压能力曲线，而右侧曲线表示挤压制品的表面质

二维图,圆管,二维,挤压阶段

在终了挤压阶段，坯料容易产生缩尾等缺陷，实际生产中不建议继续挤压，选择忽略终了挤压阶段的能耗，所以等温挤压成形能耗表示为：tfE E+Etotal(2.13)2.2 填充挤压阶段能耗模型在填充挤压阶段，铝棒可近似视为静态压缩过程，因此，填充过程的能耗由材料的镦粗时的挤压力和冲头移动距离确定[37]，即：t0131 AvthDEit + (2.14)式中：μ为摩擦系数，热变形时 μ 0. 3~0.5；Dt为挤压筒内径(mm)；vi为挤压垫移动速度(mm/s)；t1为填充挤压阶段时间(s)；h 为铝棒镦粗后的高度(mm)；0 为变形温度下材料的变形抗力(MPa)； /42A D ，为坯料的横截面积(mm2)。2.3 基本挤压阶段能耗模型

结构图,圆管,结构图

3.2 等温挤压成形工艺参数分析根据第二章所建立的能耗模型，可以发现，在众多的工艺参数中对挤压成形能耗有着直接影响的是挤压速度和金属变形抗力，而金属变形抗力主要受温度影响。挤压速度是挤压工艺参数中非常重要的参数，对型材的表面质量、力学性能以及生产效率都有一定的影响[43]。挤压温度主要影响挤压过程中金属流动的均匀性，同时也会影响成形过程中金属的晶粒尺寸和力学性能的变化[44]。对于等温挤压工艺而言坯料初始温度对型材出口面的温度影响较大，而坯料存在的温度梯度对挤压过程的温度升高起补偿作用，通过坯料后半段较低温度的金属平衡前期挤压时的大量热量，使得挤压过程型材出口面温度大致恒定。所以选择将挤压速度、坯料初始温度和坯料温度梯度作为本文研究的工艺参数，研究其与挤压成形能耗的关系。为了准确分析工艺参数对于挤压成形能耗的影响，针对单一参数分析时，其它工艺参数保持不变。以铝合金圆管的挤压成形过程为例，图 3-1 是本文研究的铝合金空心圆管结构图，使用的坯料直径为 90mm，长度为 250mm，挤压筒内径为 96mm，所生产的空心圆管外径为 60mm，内径 56mm，壁厚 2mm。

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