Isight優(yōu)化案例——模壓強化工藝優(yōu)化

2016-10-24 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1.工程背景與概述

孔邊強化工藝在孔表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力,可顯著提高含孔構(gòu)件的疲勞強度,增加構(gòu)件疲勞壽命。強化的效果主要取決于強化后的殘余應(yīng)力場,其大小和分布對構(gòu)件抗疲勞性能有著重要的影響。因此,強化時如何合理設(shè)置諸工藝參數(shù),產(chǎn)生理想的殘余應(yīng)力場一直是工程技術(shù)和研究人員所研究的重點內(nèi)容。

本課題在王生武教授提出的一種新型孔邊模壓強化工藝(以下簡稱模壓強化)的基礎(chǔ)上,結(jié)合前期的實驗工作,利用有限元方法對該工藝進(jìn)行了系統(tǒng)地分析研究,主要包括以下幾個方面內(nèi)容:

(1)利用MSC.MARC軟件建立了模壓強化工藝過程的有限元模型,采用彈塑性大變形有限元分析方法對其進(jìn)行了數(shù)值仿真。

(2)建立了模壓強化的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,以iSIGHT軟件為平臺,孔邊周向殘余壓應(yīng)力為目標(biāo)函數(shù),壓入量、壓模傾角以及摩擦系數(shù)等為變量對強化工藝進(jìn)行優(yōu)化分析,得到了模壓強化的最優(yōu)設(shè)計,從而為模壓工具設(shè)計及工藝參數(shù)設(shè)定提供了參考。

2.優(yōu)化問題描述

圖2.1為工件幾何尺寸圖。錐形壓模在壓力機的作用下,慢慢地壓向構(gòu)件的一邊,達(dá)到指定位置后保持一段時間以使孔邊得到充分地塑性變形,如圖2.2(a)所示;然后壓模后退,構(gòu)件上下面翻轉(zhuǎn)1800后對另一面進(jìn)行模壓而形成殘余應(yīng)力場,工藝過程如圖2.2(b)、(c)所示。圖2.2(d)為模壓后的最終狀態(tài)。

3.集成軟件的選擇

由于模壓強化工藝過程集材料、接觸與幾何非線性為一體,且大的塑性變形可能導(dǎo)致單元發(fā)生畸變,導(dǎo)致有限元分析因不收斂而失敗。根據(jù)模壓強化工藝的特點,鑒于MSC.Marc強大的三維網(wǎng)格重劃分功能,我們選擇MSC.Marc做為有限元數(shù)值分析軟件進(jìn)行集成優(yōu)化。

4.有限元計算模型介紹

本案例分析對象為無限大板單面模壓過程,所以可簡化為二維軸對稱進(jìn)行分析。圖4.1為完整的系統(tǒng)網(wǎng)格模型,由工件、工作臺和壓模組成。壓模簡化為剛體,同時在壓模和板之間建立接觸單元以傳遞接觸面間的壓力,同時也允許接觸面之間出現(xiàn)間隙。

5.模壓強化優(yōu)化模型

5.1優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點

模壓強化問題在優(yōu)化環(huán)節(jié)上具有以下特點:

1.模壓工藝優(yōu)化設(shè)計問題是非線性優(yōu)化問題。由于模壓強化過程涉及材料、幾何和接觸非線性問題,使得模壓強化的有限元分析呈現(xiàn)出高度的非線性;

2.多峰性,存在多個局部極值點。

5.2目標(biāo)函數(shù)選擇

孔邊強化可以顯著提高含孔件的疲勞強度和使用壽命,其主要因素是強化引入的殘余壓應(yīng)力。殘余應(yīng)力既有平均應(yīng)力(抵消一部分外載荷)的作用,又有改變裂紋形核地點、抑制裂紋萌生和擴展的作用。根據(jù)含孔件疲勞破壞特點,我們把孔邊周向殘余壓應(yīng)力

作為目標(biāo)函數(shù)。

5.3設(shè)計變量的選擇

根據(jù)模壓強化工藝特點,我們選擇壓模傾角θ、壓入量h為作為優(yōu)化設(shè)計變量。

5.4 優(yōu)化模型

模壓強化優(yōu)化問題可以用以下的非線性規(guī)劃模型表示:

是設(shè)計變量,為模壓量、壓模傾角;

是目標(biāo)函數(shù),為模壓后的周向殘余應(yīng)力;

h是優(yōu)化問題必須滿足的不等式約束及等式約束,包括幾何約束、結(jié)構(gòu)約束等。對于有約束的優(yōu)化問題,通常需要轉(zhuǎn)化為無約束的優(yōu)化問題求解,也即把約束作為罰函數(shù)加到目標(biāo)函數(shù)上構(gòu)成增廣的目標(biāo)函數(shù)。

5.5優(yōu)化算法的選擇

根據(jù)模壓強化的工藝特點,在優(yōu)化時采用iSIGHT自帶遺傳算法(GA)和序列二次規(guī)劃算法的組合優(yōu)化策略,即先用遺傳算法對整個設(shè)計空間進(jìn)行探索,并以此得到全局最優(yōu)解,在通過逐次二次規(guī)劃算法對其進(jìn)行反復(fù)迭代和更新來逐步逼近精確的全局最優(yōu)解。

6.優(yōu)化結(jié)果及其分析

本文利用了iSIGHT優(yōu)化平臺集成MSC.Marc軟件來對模壓強化工藝進(jìn)行優(yōu)化計算,整個過程共經(jīng)歷了122個循環(huán),優(yōu)化歷程記錄如圖6.1所示。從圖6.1可以看出所對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)(R)在循環(huán)中相對來說變化較大。

在孔直徑為8的時候,經(jīng)優(yōu)化后得到的最優(yōu)工藝參數(shù)為:模壓量為1.7,壓模傾角為46.80,最大殘余應(yīng)力比設(shè)計初始值降低了62.41%。優(yōu)化前后參數(shù)值如表6.1所示。由圖6.2可以看出,經(jīng)過優(yōu)化后的殘余壓應(yīng)力得到較大幅度提高的同時,孔周圍的應(yīng)力梯度也相應(yīng)地變小,這對工件的疲勞性能提高是有利的。

7.工程優(yōu)化點評與提高

本章通過ISIGH集成MSC.MARC軟件對模壓強化工藝進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化過程中由于壓模傾角信息并沒有明確體現(xiàn)在輸入文件中,本例通過對模型輸入文件(*.dat)的分析,通過引入虛擬設(shè)計變量建立了幾何信息與壓模傾角的關(guān)系式,從而保證了幾何模型正確性,并確保了計算效率。

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