冷鍛模具的有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：在日新月異不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)下，計(jì)算機(jī)付出工程分析技術(shù)得以誕生，它是建立在數(shù)值仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)信息技術(shù)基礎(chǔ)之上的一門綜合性學(xué)科，憑借突出的特性，它受到了模具加工成型行業(yè)工工作人員的廣泛歡迎。被簡(jiǎn)稱為模具CAE的運(yùn)用于成型加工和模型行業(yè)的計(jì)算機(jī)輔助工程是廣義模具的重要組成部分之一，更成為了該行業(yè)的研究熱門。為此，本文為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確性選擇了從計(jì)算機(jī)輔助工程中的有限元分析法出發(fā)，將有限元分析法運(yùn)用到對(duì)空間的數(shù)值模擬過程中，在對(duì)當(dāng)前冷鍛模具中運(yùn)用的有限元分析進(jìn)行科學(xué)的總結(jié)之余，推測(cè)出有限元分析法優(yōu)化設(shè)計(jì)的未來走向。

關(guān)鍵詞??冷鍛模具;有限元;優(yōu)化設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的理論基礎(chǔ)、行業(yè)作業(yè)要求和積累的操作經(jīng)驗(yàn)是以往分析模具的設(shè)計(jì)和成形工藝過程的三大憑借手段，然而無論實(shí)在傳統(tǒng)理論基礎(chǔ)中被簡(jiǎn)化的變形條件和過程還是無法進(jìn)行準(zhǔn)確衡量的操作經(jīng)驗(yàn)，亦或時(shí)間限制極強(qiáng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。不僅如此，以往設(shè)計(jì)模具的過程也過于繁瑣，過長(zhǎng)的時(shí)間要求和過多的實(shí)驗(yàn)次數(shù)有時(shí)候不僅會(huì)使得最終無法完成預(yù)期的效果，甚至?xí)?duì)模具造成不可逆的損壞。而出于模具和工藝的穩(wěn)定性和安全度方面考慮，工作人員在制定設(shè)計(jì)方案的過程中過于保守的態(tài)度也會(huì)導(dǎo)致制作環(huán)節(jié)過多，進(jìn)而增大了模具的整體尺寸。所以為了滿足日新月異的社會(huì)需求，有限元分析法得以誕生，它的運(yùn)用正推動(dòng)著模具成加工的現(xiàn)代化進(jìn)程。

1.有限元分析概述

伴隨著近年來有限元數(shù)值分析模擬技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，它已經(jīng)被成功地運(yùn)用到了冷鍛成形工藝行業(yè)了。不管是流動(dòng)金屬對(duì)模具產(chǎn)生的受力、應(yīng)變還是應(yīng)力亦，亦或?qū)е碌腻懠收虾湍＞呤ъ`等數(shù)據(jù)，都可以通過將有限元數(shù)據(jù)模擬技術(shù)確定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和建模等手段得到，最終憑借這些數(shù)據(jù)都是保證模具結(jié)構(gòu)合理性、材料選擇的科學(xué)性以及成形工藝方案成功完成。所以，模型設(shè)計(jì)分析中有限元分析方法的運(yùn)用不僅可以大幅度提高模具的開發(fā)進(jìn)程，還為模具設(shè)計(jì)提供了高質(zhì)量的保障。在有限元分析法的幫助下，將極大地節(jié)省人員和財(cái)力成本，讓模具設(shè)計(jì)行業(yè)擺脫以往的經(jīng)驗(yàn)主義的束縛，向著科學(xué)設(shè)計(jì)的方向快速發(fā)展。

2.有限元分析的優(yōu)化技術(shù)

建立在目標(biāo)函數(shù)值之上的擬合優(yōu)化法和極具靈敏度分析的優(yōu)化法是優(yōu)化有限元分析的方法中最為突出的兩種。

2.1基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化法

擬合優(yōu)化法是從外推法演變而來的，在運(yùn)用這一方法對(duì)有限元分析法進(jìn)行優(yōu)化的過程中，設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)函數(shù)所對(duì)應(yīng)的關(guān)系是通過函數(shù)插值的方式進(jìn)行近似模擬的，而最終的實(shí)際函數(shù)的極值也是用前面差值函數(shù)獲得的近似函數(shù)關(guān)系的極值進(jìn)行計(jì)算的。而憑借有限元程序即可對(duì)擬合優(yōu)化法運(yùn)用于優(yōu)化鍛造工藝的參數(shù)過程中的目標(biāo)函數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

經(jīng)過近幾年的發(fā)展，得益于有限元分析軟件在鍛造成型過程中的數(shù)值模擬環(huán)節(jié)的應(yīng)用，優(yōu)化算法與有限元程序在建立在目標(biāo)函數(shù)值基礎(chǔ)之上的擬合優(yōu)化方法的幫助下，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)自工作了，并且快速地得出諸如應(yīng)變和應(yīng)力方面的數(shù)值信息。所以，在有限元分析軟件極為突出的商用特性的幫助下，基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化分析法的適用范圍極為廣泛，能夠滿足各種類型的鍛造成型工藝需求。但是，由于它在解決擬合問題的過程中需要較長(zhǎng)的收斂時(shí)間，有時(shí)根據(jù)還需要不可避免的要進(jìn)行多種設(shè)計(jì)變量取值，從而極易引發(fā)諸如適合性和確定性之類的問題，導(dǎo)致擬合過程無法順利完成。

2.2基于靈敏度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)法

不同于擬合優(yōu)化法，在實(shí)施建立在靈敏度分析基礎(chǔ)之上的優(yōu)化方法時(shí)，第一步便是找到設(shè)計(jì)過程中的變量和目標(biāo)函數(shù)，并推導(dǎo)出變量與目標(biāo)函數(shù)的映射關(guān)系，然后進(jìn)一步用導(dǎo)數(shù)公式將設(shè)計(jì)變量的靈敏度與目標(biāo)函數(shù)之間關(guān)系表達(dá)出來，并將已有的設(shè)計(jì)變量數(shù)據(jù)帶入到該導(dǎo)數(shù)公式中獲得靈敏度范圍。最后在設(shè)計(jì)變量最佳方向的定位過程中借助于優(yōu)化算法，計(jì)算出更為準(zhǔn)確的相關(guān)設(shè)計(jì)變量，再重復(fù)前面的靈敏度范圍計(jì)算，一直計(jì)算到最終優(yōu)化迭代出現(xiàn)收斂為止。

得益于梯度型優(yōu)化方法的特性，建立在靈敏度分析基礎(chǔ)之上的優(yōu)化方法相比于基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化法具有高速收斂的突出優(yōu)點(diǎn)。盡管伴隨著冷鍛模具行業(yè)對(duì)它的不斷深入的研究以及運(yùn)用，該優(yōu)化方法近年來已經(jīng)小有成就，但仍然無法回避推到設(shè)計(jì)變量的靈敏度與目標(biāo)函數(shù)之間關(guān)系的導(dǎo)數(shù)公式在要求較為高的金屬塑性成型過程中的難度系數(shù)，不僅如此，還需要在數(shù)值分析的程序代碼中加入對(duì)完成靈敏度范圍確定的程序代碼，而這一過程將為工作帶來龐大的工作量，這些都對(duì)基于靈敏度分析的優(yōu)化方法的適用范圍造成了嚴(yán)重的束縛。

鑒于鍛造成形過程的復(fù)雜性，雖然近年來建立在有限元分析的鍛造工藝的優(yōu)化技術(shù)無論是在應(yīng)用還是研究領(lǐng)域，都取得了不菲的成績(jī)，卻仍未能發(fā)生質(zhì)的飛躍。在以后的鍛造成形中，更應(yīng)該將變形力、變形是否均勻以及質(zhì)量和結(jié)構(gòu)是否合理作為理想鍛件的衡量標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)目標(biāo)，進(jìn)一步優(yōu)化鍛造過程。

3.總結(jié)

綜上所述，我國飛速發(fā)展的市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)為制造業(yè)帶來機(jī)遇的同時(shí)，也帶來了激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，小投入、快生產(chǎn)和高品質(zhì)成為了我國制造業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。然而對(duì)于在鍛造行業(yè)而言，只有在鍛造工藝過程中，不斷優(yōu)化各種參數(shù)，降低它們對(duì)鍛件質(zhì)量造成的影響，才能跟上制造業(yè)的發(fā)展腳步。但是，以往的優(yōu)化方法早已無法滿足各類參數(shù)的優(yōu)化需求，取而代之的是以有限元為代表的數(shù)值模擬分析法。由此可以看出，建立在有限元分析基礎(chǔ)之上的優(yōu)化方法的運(yùn)用將成為冷鍛模具工藝的未來走向。

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作者簡(jiǎn)介：

張耀華（1986.9-），男，漢族，廣東順德人。2007年畢業(yè)于順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，數(shù)控與模具制造專業(yè)。2007年就職于佛山市富合汽車工業(yè)配件有限公司，產(chǎn)品工程師，研究方向：掛車后橋車軸。