工藝孔

1.工程背景與概述

孔邊強(qiáng)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(qiáng)度，增加構(gòu)件疲勞壽命。強(qiáng)化的效果主要取決于強(qiáng)化后的殘余應(yīng)力場(chǎng)，其大小和分布對(duì)構(gòu)件抗疲勞性能有著重要的影響。因此，強(qiáng)化時(shí)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(chǎng)一直是工程技術(shù)和研究人員所研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

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

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

（2）建立了模壓強(qiáng)化的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以iSIGHT軟件為平臺(tái)，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(duì)強(qiáng)化工藝進(jìn)行優(yōu)化分析，得到了模壓強(qiáng)化的最優(yōu)設(shè)計(jì)，從而為模壓工具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)設(shè)定提供了參考。

2. 優(yōu)化問(wèn)題描述

2.1 試樣幾何圖

圖2.1為工件幾何尺寸圖。錐形壓模在壓力機(jī)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(shí)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(duì)另一面進(jìn)行模壓而形成殘余應(yīng)力場(chǎng)，工藝過(guò)程如圖2.2（b）、（c）所示。圖2.2（d）為模壓后的最終狀態(tài)。

2.2 模壓工藝示意圖

3. 集成軟件的選擇

由于模壓強(qiáng)化工藝過(guò)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(qiáng)化工藝的特點(diǎn)，鑒于MSC.Marc強(qiáng)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(jì)算模型介紹

本案例分析對(duì)象為無(wú)限大板單面模壓過(guò)程，所以可簡(jiǎn)化為二維軸對(duì)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(tái)和壓模組成。壓模簡(jiǎn)化為剛體，同時(shí)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(shí)也允許接觸面之間出現(xiàn)間隙。

圖 4.1模壓系統(tǒng)網(wǎng)格

5. 模壓強(qiáng)化優(yōu)化模型 5.1 優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

模壓強(qiáng)化問(wèn)題在優(yōu)化環(huán)節(jié)上具有以下特點(diǎn)：

1．模壓工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題是非線性優(yōu)化問(wèn)題。由于模壓強(qiáng)化過(guò)程涉及材料、幾何和接觸非線性問(wèn)題，使得模壓強(qiáng)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(gè)局部極值點(diǎn)。

5.2 目標(biāo)函數(shù)選擇

孔邊強(qiáng)化可以顯著提高含孔件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，其主要因素是強(qiáng)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(diǎn)、抑制裂紋萌生和擴(kuò)展的作用。根據(jù)含孔件疲勞破壞特點(diǎn)，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(jì)變量的選擇

根據(jù)模壓強(qiáng)化工藝特點(diǎn)，我們選擇壓模傾角、壓入量為作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

5.4 優(yōu)化模型

模壓強(qiáng)化優(yōu)化問(wèn)題可以用以下的非線性規(guī)劃模型表示：

X 是設(shè)計(jì)變量，為模壓量、壓模傾角；

F 是目標(biāo)函數(shù)，為模壓后的周向殘余應(yīng)力；

G、H是優(yōu)化問(wèn)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(duì)于有約束的優(yōu)化問(wèn)題，通常需要轉(zhuǎn)化為無(wú)約束的優(yōu)化問(wèn)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(qiáng)化的工藝特點(diǎn)，在優(yōu)化時(shí)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(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行探索，并以此得到全局最優(yōu)解，在通過(guò)逐次二次規(guī)劃算法對(duì)其進(jìn)行反復(fù)迭代和更新來(lái)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(tái)集成MSC.Marc軟件來(lái)對(duì)模壓強(qiáng)化工藝進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，整個(gè)過(guò)程共經(jīng)歷了122個(gè)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(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)（R）在循環(huán)中相對(duì)來(lái)說(shuō)變化較大。

圖6.1優(yōu)化結(jié)果圖

圖6.2 優(yōu)化前、后殘余應(yīng)力分布圖

表6.1 優(yōu)化前后性能參數(shù)比較

在孔直徑為8的時(shí)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(jì)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(guò)優(yōu)化后的殘余壓應(yīng)力得到較大幅度提高的同時(shí)，孔周圍的應(yīng)力梯度也相應(yīng)地變小，這對(duì)工件的疲勞性能提高是有利的。

7. 工程優(yōu)化點(diǎn)評(píng)與提高

本章通過(guò)ISIGH集成MSC.MARC軟件對(duì)模壓強(qiáng)化工藝進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化過(guò)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(guò)對(duì)模型輸入文件（*.dat）的分析，通過(guò)引入虛擬設(shè)計(jì)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(jì)算效率。