基于APDL-MATLAB聯合仿真的拉絲機優化設計分析

徐毅松，熊瑞平，盧文翔，鄧人瑋，史東繁

基于APDL-MATLAB聯合仿真的拉絲機優化設計分析

徐毅松，熊瑞平*，盧文翔，鄧人瑋，史東繁

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

以多道次直進式拉絲機為研究對象，針對目前拉絲機優化設計多集中于單一部件對于拉拔過程的研究，提出一種基于MATLAB與APDL聯合仿真的優化設計分析方法，將拉絲機設計參數與拉拔過程相結合，獲得優化設計所需的設計變量參數以及其優化結果。本文介紹了拉絲機拉拔系統組成和原理，利用APDL完成了對拉絲模具的參數化建模與仿真，分析電機最大功率等五項設計變量對拉拔系統的影響。采用SPEAⅡ多目標優化算法結合拉絲機設計參數以聯合仿真結果獲得拉絲機優化結果完成優化設計。多種優化設計結果對比表明，對于不同情況的拉絲機設計需求，優化結果對于拉絲機工作效率提高或減少設計制造成本提供了設計參考。

APDL-MATLAB；拉絲機；多目標優化；優化設計

在電線電纜、鋼絲繩等金屬制品的生產加工中，拉絲機作為一種非常常見的加工裝備，有著十分重要的地位[1]。拉拔是金屬塑性加工最主要的方法之一，廣泛應用于管材、線材的生產。拉絲機是應用拉拔過程的加工裝備，即是在拉力的作用下，迫使截面面積較大的金屬塑性材料通過固定拉絲模具孔，由拉力使得金屬材料發生塑性變形，從而獲得跟模具孔尺寸和形狀相同的金屬制品的塑性加工成型方法[2]。拉絲機的設計制造成本、生產成本和效率以及加工質量受到很多因素的影響。對于拉絲模具，陳海杰等[3]通過對銅線拉絲模具的幾何尺寸和金屬絲塑性變形的數學分析，基于經典的上界定理，建立數學模型，求解得到在最小功率的情況下，銅線拉絲模具壓縮區的最佳錐角。對于多模拉絲機，朱迅等[4]對拉絲機的壓縮比提出了一種改進遺傳算法的方法，采用排序選擇法和兩點交叉法，提升拉絲機產品性能并節約了能耗。廖強華等[5]在常用水箱拉絲機配模工藝的基礎上，提出了一種新的配模，使得新配模工藝在各道次壓縮率、各道次滑動因數、拉拔力安全因數較其他配模工藝均有提升。對于機架的設計，黃仲勇[6]在對拉絲機機架進行深入分析，采用有限元仿真分析結果對原模型進行改進達到保證強度、優化結構的目的。對于拉拔過程的溫度控制，Joakim Larsson等[7]對拉絲過程采用紅外熱成像的監測方法，繪制發熱圖像，減少摩擦力的影響。

“那確實不小了?！彼麘蛑o，“哪天有機會，我跟嬤嬤說，我幫你贖身吧，讓你嫁一戶好人家！不過父親既然那么疼你，怎么會把你賣到怡香院做丫頭？”他小心翼翼地問我。

上述大多對拉絲機拉拔部件單部分進行研究，很少實現對于各個部件在整體拉拔過程中對于拉拔質量的影響。本文將拉絲機的主要參數與拉拔過程相結合，包括電機最大功率、拉絲速率、模具角度、模具長度等設計變量和最大應力、發熱量、模具數量等目標變量，通過將設計變量與目標變量導入MATLAB和ANSYSAPDL聯合仿真系統，應用SPEAⅡ多目標優化算法獲得優化設計所需的設計變量參數以及其目標變量的優化結果。

1.2 自然地理特征 公園深居亞洲腹地，遠離海洋，在地勢高、氣壓低的自然條件下形成了典型荒漠草原和森林草原氣候特征，四季不明顯，只有冷暖兩季之分。區內水文資源豐富，黃河蜿蜒曲折，河谷深切，水流湍急。區內林地面積4 200 hm2，森林覆蓋率達25.9%，林間草叢中棲息有珍禽異獸。1992年被國家林業部批準為國家級森林公園。

1 拉絲機拉拔系統原理

多道次直進式拉絲機是一種對金屬線材進行順序連續拉拔的生產設備，根據產品要求提前設計好程序，逐級拉拔，直至成品收卷完成[7]。多道次直進式拉絲機由多組拉拔單元組成，不同拉拔單元結構類似，主要不同在于具體參數，每一組拉拔單元主要包括動力源、傳動機構、拉拔機構以及銅線四個部分。其中一組拉拔單元組成和模座局部放大圖如圖1所示。其中，動力源一般為永磁同步電機或伺服電機，由伺服電機輸出定速轉矩。傳動機構一般為齒輪減速器和輪轂，減速器以固定比例降低伺服電機輸出轉速，同時帶動輪轂轉動。拉拔機構主要由輪轂、模具、模座組成，輪轂帶動銅線轉動，產生拉拔力使得銅線通過拉絲模具產生塑性變形，使得粗銅線經過拉拔后變成細銅線。

1.伺服電機；2.減速器；3.輪轂；4.拉絲模具；5.模座。

對于拉絲機穩定拉拔狀態時，其工作過程為伺服電機或永磁同步電機輸出固定速度的轉矩，通過減速器連接帶動輪轂，由輪轂帶動銅線產生拉拔力，使得銅線通過拉絲模具產生塑性變形，最終實現拉拔的全過程。

2 聯合仿真原理

2.1 聯合仿真實驗總體組成

拉絲機多項設計參數在拉拔過程中影響主要包括拉絲模具的幾何參數值、伺服電機的性能參數兩大部分，拉絲模具的幾何參數主要對拉拔過程中的拉拔力與拉拔效率產生影響，伺服電機的性能參數對生產成本及生產效率有著決定性的影響。對于拉絲機拉拔系統而言，拉拔力的大小以及拉拔力對銅線所產生的拉拔塑性變形效果受限于物理模型無法直接通過數學計算獲得，因此需要對拉拔變形效果進行有限元仿真分析以獲得拉拔變形結果作為優化目標結果之一。對于聯合仿真系統而言，通過設定拉絲模具的幾何參數值、伺服電機的性能參數，由ANSYSAPDL系統建立拉絲系統簡化模型與應力約束加載情況，仿真獲得拉絲效果、生產效率以及生產成本的結果，通過多目標優化算法進行優化設計迭代，從而獲得更好的優化設計參數。

拉絲機優化設計與拉拔過程的聯合仿真實驗主要包含三大部分：ANSYSAPDL環境下的拉絲機拉拔系統部件模型建立、APDL環境下的拉拔仿真模型和MATLAB環境下的多目標優化部分。

2.2 拉拔系統建模及等效模型

拉絲機拉拔單元模型主要由伺服電機、減速器、輪轂、拉絲模具、模座等部分組成。對于該單元在ANSYS仿真系統中，其主要可以分為三部分。第一部分為伺服電機、減速器和輪轂主要作用為提供動力與傳動，在仿真模型中，主要表示為拉拔力的存在，因此不需要建模。第二部分為拉絲模具，其尺寸結構直接影響著拉絲機拉拔系統仿真的效果，因此需對其進行分析與建模。第三部分為銅線，由于不同模具尺寸會要求不同的銅線尺寸，因此，在拉絲機拉拔系統仿真中，銅線的建模尺寸會跟隨模具尺寸的建模尺寸。

壓縮率由模具角度計算：

在拉絲過程中，為了保證拉絲的質量首先需要保證最大應力達到塑性變形的屈服強度要求。同時，考慮到能源的消耗和高溫對模具的壽命影響需要降低發熱量；考慮設計制造的成本，減少模具數量；同時提高拉拔效率提高拉絲速率。因此，將最大應力、拉拔速率、發熱量以及模具數量作為目標函數。

對于拉絲模具，其結構由模套、燒結金屬、硬質合金環、聚晶金剛石或硬質合金組成[8]。其結構如圖2所示。

綜上所述，諾舒子宮內膜去除系統可有效治療功能失調性子宮出血，其手術療效與宮腔鏡子宮內膜電切術相當，但手術更為微創，對患者卵巢功能無影響，值得臨床推廣。

1.模套；2.燒結金屬；3.硬質合金環；4.聚晶金剛石/硬質合金；5.銅線。

%!"ANSYS150.exe"-b -p ane3fl -i "ansysApdl.txt" -o"apdlLog.txt"

圖3 應力分布圖

圖4 應變分布圖

2.3 拉拔仿真模型

ANSYS中，APDL可以由用戶采用程序設計語言將ANSYS命令組織起來，編寫出參數化的用戶程序，針對特定的仿真過程，通過前處理、求解分析與后處理實現程序化的仿真過程建立和自動化的程序調用。

對于拉絲機拉拔系統，由上文仿真模型分析可知，對于伺服電機、減速器、輪轂部分，由于最終效果為輪轂傳遞拉拔力給銅線，以實現拉拔效果，主要表示為拉拔力的存在，不需要建模，因此在APDL仿真系統中，載荷的施加由電機功率與傳動效率計算所得拉拔力大小確定。對于模座等部分用于固定和安裝拉絲模具，在APDL仿真系統中，只需要以固定約束的施加存在，而對于拉絲模具，由于參數化建模時簡化了模具模型，因此在施加約束時，對硬質合金模具出口壁施加固定約束，其載荷及約束施加如圖5所示。

圖5 拉拔系統仿真模型示意圖

2.4 MATLAB環境下的多目標優化

對于采用多目標優化算法對拉絲機拉拔系統進行優化設計，由于APDL只能獲得物理仿真變形量的極值，對于部分計算獲得的數據處理，包括拉拔力大小、拉絲模具的集合尺寸均需采用MATLAB進行計算。同時，由于MATLAB對于外部程序的便捷調用，可以實現對于多目標算法的使用以及調用ANSYSAPDL系統仿真獲取結果。

在MATLAB中對于ANSYSAPDL系統的調用，由MATLAB調用外部程序語句進行調用：%!"ANSYS150.exe"-b -p ane3fl -i "ansysApdl.txt" -o"apdlLog.txt"

因此對相關人員而言，在水利工程機電安裝過程中，必須要重視對各種造價風險事件的識別，最終為保證造價水平奠定基礎。

對于多目標優化算法而言，在優化變量與目標變量的選取上，將拉絲機設計參數模具角度、模具長度、伺服電機最大功率、拉絲速率作為優化變量。同時，在拉絲過程中，為了保證拉絲的質量與效率，首先需要提高拉拔速率，考慮到能源的消耗和高溫對模具的壽命影響需要降低發熱量，考慮設計制造的成本，減少模具數量。因此，將拉拔速率、發熱量、拉拔力大小以及模具數量作為目標變量。

3 聯合仿真實驗

對于拉絲速率，根據一般細拉絲機收線速度1500～2000 m/min，由研究對象為8 mm進線、3 mm出線拉絲機的第一級拉拔過程，結合壓縮率10%～15%，取拉絲速率為750～1000 m/min。

拉絲機優化設計仿真實驗程序執行流程如圖6所示。

圖6 聯合仿真程序流程

3.1 優化變量

對于拉絲機的優化設計，由于拉絲模具作為直接加工部分，對于線材的加工質量，發熱量等具有直接影響，同時，拉絲模具的尺寸可以根據不同的工況進行重新設計，因此，將拉絲模具的幾何參數值主要包括模具角度、模具長度作為優化變量。

2014年 國務院公布《推動嬰幼兒配方乳粉企業兼并重組工作方案》，國內乳品企業急切期待的這項重中之重的行業大政方針終于出臺。教育部向貴州省人民政府發函，同意設立由茅臺集團舉辦的茅臺學院。茅臺學院系本科層次非營利性民辦應用型高等學校，由貴州省領導和管理。

對于拉絲機的工作過程，由于伺服電機作為工作部分的動力來源，是拉絲機主要工作動力的提供，伺服電機的功率和拉絲速率直接影響拉拔過程的效果，因此，將電機的性能參數如電機最大功率、拉絲速率作為優化變量。

對于拉絲機優化設計與拉拔過程的聯合仿真實驗的三大部分：ANSYSAPDL環境下的拉絲機拉拔系統部件模型建立、APDL環境下的拉拔仿真模型和MATLAB環境下的多目標優化部分。其流程是通過MATLAB讀取初始數據，調用外部程序或計算獲得目標變量函數值，調用多目標優化程序，進行優化設計，完成迭代次數，獲得拉絲機優化設計結果。

載荷施加所需的拉拔力由電機功率與拉絲速率計算：

式中：為拉拔力，N；為電機最大功率，kW；為拉絲機速率，m/min；＝0.95為傳動效率。

地下水是動態變化的，地下水資源也是不斷變化的。建議在進行地下水資源評價時，充分考慮地下水動態變化，合理實時地計算地下水資源量。

由于不同的物質具有不同的蒸發常數，所以其飽和蒸汽壓值也存在差別。在同一溫度條件下，不同物質具有不同的P*值。基于此差別，可以通過比較相同溫度條件下各物質P*的大小來判斷它們蒸發的先后次序。表2所示為含銀鉛銻多元合金組元的蒸發常數值。將表2所給A、B、C、D的具體值代入式(1)可計算出Sb、Pb、Ag、Au、Te、Cu、Bi純物質狀態的lgP*值，將計算所得數據繪制成T-lgP*圖，結果如圖6所示。

表1 優化變量取值范圍

3.2 目標變量及函數

在拉絲機拉拔仿真系統中，拉絲模具由于初始值的設定或優化參數的輸出會具有不同的模型尺寸，因此在仿真系統建立前需要對拉絲模具采用參數化建模的方式建立模型，以便實現優化參數的載入與再載入。

發熱量由線性材料的塑性變形產生，其計算公式為：

式中：為發熱量，J；為壓縮前直徑，mm；＝365 MPa，為抗拉強度。

模具數量由模具壓縮率計算：

輕便鉆探的應用相對來說更加適合地勢高且需要修路的地段，另一方面來說鉆孔的位置可以定在450m內的淺層地表地質來進行相應的鉆探工作。應用輕便鉆探可以盡可能地防止道路、泥坑的破壞，進而使施工成本得到一定的減少，在一定程度上能夠有效地保護自然環境。

式中：為模具數量。

目標變量名稱及映射方式如表2所示。

表2 目標變量取值范圍

因此，其多目標優化函數為：

3.3 優化算法

SPEAⅡ算法是ZITZLER提出的，為SPEA的改進算法。在優化問題領域，SPEAⅡ算法對于高維問題具有相當好的優化結果解析能力，且解的分布更加均勻。其優化步驟如下所示。

富察氏淡淡一笑：“鬧不起來？在潛邸時就一個個烏眼雞似的，如今只怕鬧得更厲害吧。”她翻了個身，朝里頭睡了，“只是她們耐不住性子愛鬧，就由著她們鬧去吧。”

Step1：初始化，設定種群數量50和外部檔案數量10以及最大迭代次數為50，導入優化前參數，并采用MATLAB中rand隨機數生成方法，針對取值范圍內的優化變量生成剩余初始種群。重置迭代次數為0。

例如，專四模擬題中有一篇文章，標題是“Global Warming”。這是一篇介紹地球變暖的文章。根據我們平時對這個問題的基本了解，知道地球變暖是一種不好的現象。單從題目本身，我們就可以預測，這篇文章可能會告訴我們什么是global warming，地球變暖的原因有哪些,地球變暖會帶來哪些負面影響，如何解決地球變暖的問題等。

Step2：獲取目標變量種群，對優化變量種群通過計算或仿真獲得目標變量函數值并計入種群。對于ANSYSAPDL系統的調用，由MATLAB調用外部程序語句進行調用：

由于拉絲模具具有多層結構，其各部分對于拉絲機拉拔仿真系統的影響不同，如模芯直接影響拉拔力的大小及銅線的質量，模套等對于整個拉拔過程主要起散熱、固定以及標準安裝尺寸等作用，因此需要對拉絲模具進行仿真影響分析，確定關鍵部件，優化建模模型。對于拉絲模具整體拉拔與中心硬質合金部分等效拉拔效果進行了比較，其應力結果由圖3所示，應變結果如圖4所示。由拉拔應力應變分布圖可知，硬質合金部分等效拉拔效果與拉絲模具整體拉拔效果基本等同。對于拉拔仿真模型的建立，由于參數化建模的便捷性要求與整體仿真過程計算的快速性和較低計算復雜度要求，對拉絲模具進行等效簡化處理，在拉拔部件參數化建模時，只需建立中心硬質合金與銅線的等效模型即可。

優化變量名稱及取值范圍如表1所示。

Step3：計算適應度，根據目標變量的種群集合計算適應度值。

Step4：非支配解選擇，根據適應度值，從優化變量種群中選擇非支配解復制到外部檔案集。迭代次數＝＋1。

Step5：停止迭代，判斷迭代次數是否大于預設最大迭代次數，若超過則終止迭代，輸出外部檔案集合；若未超過，則進入Step6。

選取2016年7月～2017年12月黑龍江省齊齊哈爾市第一醫院收治的慢性心力衰竭患者96例作為研究對象，隨機將取分為觀察組與對照組，各48例。其中，對照組男27例，女21例，年齡58～80歲，平均（67.34±7.67）歲；觀察組男3 1例，女1 7例，年齡5 9～8 2歲，平均（68.21±7.01）歲。比較兩組患者的一般資料，差異無統計學意義（P＞0.05）。

Step6：配對池獲取。將外部檔案中的種群通過二元錦標賽的方法獲取個體復制到配對池中。

Step7：交叉變異，對于配對池中的種群個體，進行交叉和變異算法，獲得子代，存入下一代種群中。同時跳轉Step2。

3.4 優化結果

通過MATLAB與APDL聯合仿真系統，根據SPEAⅡ優化算法，獲得優化結果及各結果間的變化趨勢如圖7所示。

視聽說教程與其他課程在教學內容和形式上有差異，所以考核形式也不能單一地依賴傳統的筆試，否則學生聽力和口語上的表現將無法在成績上有所體現，會挫傷部分學生的積極性，也不利于教師對學生學習真實情況的把握。因此，考核上應采取平時成績、口語測試、筆試成績三者相結合的方式。平時成績占40%，考查本學期學生的出勤率、課堂表現、作業完成情況和隨堂測試等分項；口語測試占30%，考查學生對所學內容的掌握程度及口語表達能力。聽力筆試占30%，重點考查學生讀寫和聽力能力；期末成績將以上三項成績量化計算得出，這樣才能真正使視聽說一體化教學得以實現。

從各優化結果的變化趨勢可看出，優化結果2和優化結果4具有較好的優化效果。在滿足拉拔系統銅線塑性變形基本要求的情況下：

為了進一步說明本文提出的集成系統架構設計，下文將以流感病毒序列數據集成系統（FLUDW）舉例說明，重點介紹FLUDW系統的流感病毒序列數據庫的模型設計及數據集成的幾個關鍵實現過程。

（1）對于優化結果2，當電機功率和模具數量不變的情況下，優化拉絲模具尺寸，同等條件下可以提高拉絲速率2.88%，減少發熱3.1%，同時發熱量減少提高了模具使用壽命。

（2）對于優化結果4，當優化拉絲模具尺

寸、減小拉絲速率7.6%，可以減小伺服電機最大功率，同時可以減少模具數量，相應模座、伺服電機、減速器和輪轂等均可減少，極大地減少了制造成本。

圖7 優化結果

4 結論

本文通過構建MATLAB與ANSYSAPDL的聯合仿真系統實現了對于拉絲機的主要參數與拉拔過程相結合的仿真，實現了系統化的設計仿真分析。同時，通過SPEAⅡ多目標優化算法實現對于拉絲機多個主要設計參數的優化選擇，且分布均勻，對于不同需求的拉絲機設計，如降低制造成本或提高生產效率，提供了良好的設計參數參考。

[1]徐博雅. 我國金屬制品拉絲機現狀及發展探討[J]. 技術與市場，2013（7）：9-10.

[2]科普，威格斯. 金屬塑性成形導論[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[3]陳海杰，劉金枝，陳峰，等. 銅線拉絲模具的優化設計[J]. 廣西大學學報（自然科學版），2014（5）：993-999.

[4]朱迅，楊麗波，劉萬輝. 基于改進遺傳算法的拉絲機壓縮比優化設計研究[J]. 煤礦機械，2012（12）：30-32.

[5]廖強華，謝永宏. 水箱拉絲機配模工藝研究[J]. 機械制造，2018（10）：87-89

[6]黃仲勇. 基于有限元的拉絲機機架的優化分析[J]. 機械，2018，45（5）：39-42.

[7]Larsson J，Jansson A，Karlsson P. Monitoring and evaluation of the wire drawing process using thermalimaging[J]. INTERNA-

TIONAL JOURNAL OF ADVANCED MANUFACTURING TECHNOLOGY，2019（5-8）：2121-2134.

[8]陳辰. 多道次直進式拉絲機控制系統的設計與研究[D]. 贛州：江西理工大學，2011.

[9]甘曉明. 聚晶金剛石拉絲模具孔型結構分析[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2005（2）：50-52.

[10]郭夢娜，王興偉，張闖闖，等. 基于SPEA-Ⅱ算法的SDN多控制器優化部署機制[J]. 鄭州大學學報（理學版），2019，51（4）：75-80，87.

[11]ZITZLERE，LAUMANNSM，THIELEL. SPEA2：improving the strength Pare to evolutionary algorithm[R]. Zrich：Swiss Federal Institute of Technology，2001.

[12]張杰. 再談拉絲機的新發展[J]. 電線電纜，2003（3）：11-14.

[13]袁鵬飛，蘇娟華，宋克興，等. 關鍵參數對銅銀合金絲線材拉拔力的影響[J]. 河南科技大學學報（自然科學版），2021，42（3）：7-11.

[14]徐毅，梁尚明，陳飛宇，等. 擺桿活齒減速器傳動效率試驗的聯合仿真[J]. 機械，2017，44（6）：35-39，57.

[15]馮超，蔣凱鑫，王亞輝，等. 基于ANSYS分析的減速器高速軸多目標優化[J]. 機床與液壓，2020，48（20）：139-143.

[16]吳金平，馬明剛. 硬質合金拉絲模磨損形貌及機理研究[J]. 煤礦機械，2014，35（6）：56-58.

[17]柳溢沛. 直進式拉絲機主軸箱對流換熱數值模擬及優化[D]. 重慶：重慶大學，2017.

[18]盧學軍，劉嘉霖，孔令印，等. 基于能耗計算的PCD拉絲模壓縮角優化設計[J]. 金剛石與磨料磨具工程，2016，36（2）：60-63.

Optimization Design Analysis of Wire Drawing Machine Based on APDL-MATLAB Joint Simulation

XU Yisong，XIONG Ruiping，LU Wenxiang，DENG Renwei，SHI Dongfan

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu610065, China )

The current optimization design of wire drawing machine is more focused on a single part. Taking the multi-stage straight-forward wire drawing machine as the research object, an optimized design analysis method based on MATLAB and APDL joint simulation is proposed. The design variable parameters and the optimization results are obtained. The composition and principle of the pull-out system is introduced. APDL is applied to complete the parametric modeling and simulation of the mold, and the influence of five design variables on the pull-out system, for example, the maximum power of the motor, is analyzed. The optimization design is completed by using SPEAII. The results of the two optimization designs show that the optimization results provide a design reference for the work efficiency improvement and the cost reduction of design and manufacturing.

APDL-MATLAB；wire drawing machine；multi-objective optimization；optimization design

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.003

1006-0316 (2022) 04-0012-07

2021-06-15

四川省重點研發項目：智能涂裝產線關鍵技術的開發與集成（2020YFG0119）；四川省智能制造與機器人重大專項課題：工業機器人成套裝備研制與應用（2019ZDZX0019）；德陽市產學研合作科技研發項目：智能化柔性拉絲機（2019CK095）

徐毅松（1996－），男，四川成都人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計和自動化控制，E-mail：xysscu@foxmail.com。*通訊作者：熊瑞平（1970－），男，博士，副教授，主要研究方向為工業機器人應用及智能控制技術、機電液一體化及伺服控制技術、計算機監測與控制技術，E-mail：xiongruiping@163.com。