CN109284539A - U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械工程技术领域，尤其涉及一种U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法。其可有效提高产品使用寿命，并降低研发生产成本。包括以下步骤：步骤1、对于给定材料尺寸U形波纹管；步骤2、应用有限元法，应用步骤1的模具工作尺寸及工艺参数，进行波纹管成形过程的仿真分析；步骤3、提取仿真分析结果中波纹管的关键尺寸，将仿真分析结果中的波纹管尺寸与设计波纹管结构尺寸进行对比；步骤4、判断仿真分析结果中波纹管的关键尺寸是否在允许的误差范围内；步骤5、如果在允许的误差范围内，直接输出模具工作尺寸及工艺参数；步骤6、如果不在允许的误差范围内，回到步骤2。
Description
技术领域
本发明属于机械工程技术领域，尤其涉及一种U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法。
背景技术
目前U型波纹管、尤其是精密金属波纹管的成形工艺主要采用常温液压成形，或者高温条件下的气压成形。利用管坯中流体的压力以及外部模具的约束使管坯发生塑性变形，通常第一步是在一定流体压力作用下形成初波，第二步保持一定内压的同时轴向压缩管坯获得较大的波纹外径，第三步保压卸载，第四步打开模具取出成形。成品波纹管的结构尺寸与模具工作尺寸如模片内径、模片厚度和圆角半径以及成形工艺如初波成形时模片间距、初波成形压力、轴向压缩时内压大小密切相关，单一参数对波纹管尺寸影响规律比较明确，但是多因素的复合影响规律难以定量描述。当前的液压或气压成形U型波纹管成形模具工作尺寸和工艺参数设计主要基于理论或经验公式，然后通过实验进行工艺参数有限范围内的调节使成形波纹管尺寸尽可能满足要求，如工艺参数的调整最优结果不满足要求则需要修改模具工作尺寸重新加工模具进行实验，存在效率低、成本高、研发周期长的问题；此外波纹管成形并从模具中取出后存在显著的回弹，直接影响波纹管的尺寸精度，如轴向尺寸与设计值偏差较大，通常增加一道轴向压缩或者拉伸整形工序，一方面影响生产效率增加成本，另一方面整形工序容易发生局部变形使得波长不一致从而影响产品质量寿命等。
近年来，随着有限元仿真分析技术、软件及计算机硬件的发展，使得仿真分析计算效率、计算准确性和计算成本越来越满足实际产品研发的需要，另外机器自学习技术的快速发展可以有效开展复杂规律的获取及应用，基于有限元法结合机器学习等技术开发的波纹管成形模具工作尺寸和工艺参数优化算法可有效提高波纹管制造工艺技术人员的工作效率，同时提高成形产品质量，缩短研发周期和研发制造成本。
发明内容
本发明就是针对现有技术存在的缺陷，提供一种U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法，其可以快速准确获得优化的波纹管成形所需要的模具工作尺寸和工艺参数；采用优化后的参数，所获得的波纹管具有尺寸精度高、波纹管内外侧凹槽间距均匀、波峰处减薄量小以及不需要后续整形工序等优点，可有效提高产品使用寿命，并降低研发生产成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，包括以下步骤：
步骤1、对于给定材料尺寸的U形波纹管，设置模具工作尺寸及工艺参数设计初始值，(即模具工作尺寸及工艺参数设计初始值基于理论或经验公式，)并设置一个参数许可调节范围；
步骤2、应用有限元法，应用步骤1的模具工作尺寸及工艺参数，进行波纹管成形过程的仿真分析，模拟波纹管初波成形、轴向压缩、保压卸载和回弹过程；
步骤3、提取仿真分析结果中波纹管的关键尺寸，该关键尺寸包括波纹管波长、波谷间距、内径、外径和波峰处壁厚，将仿真分析结果中的波纹管尺寸与设计波纹管结构尺寸进行对比；
步骤4、判断仿真分析结果中波纹管的关键尺寸是否在允许的误差范围内；
步骤5、如果在允许的误差范围内，直接输出模具工作尺寸及工艺参数，用于波纹管模具设计加工和生产，完成优化；
步骤6、如果不在允许的误差范围内，基于对比结果优化模具工作尺寸及工艺参数，回到步骤2。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、应用单一有限元软件采用网格无关性验证、单元类型无关性验证或多种有限元软件进行交叉对比验证等方法确保仿真结果计算误差满足工程设计要求；
步骤2.2、对于产品轴向长度或外径尺寸相对于壁厚较大的波纹管，或者层数较多的波纹管可以减少轴向长度至一到两个完整波纹，并采用轴对称壳单元或实体单元等方式提高计算效率。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2中，为提高计算效率，采用基于仿真分析软件二次开发的程序或插件实现。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤6包括以下步骤：
步骤6.1、参数优化按照下列公式进行：
其中：Xk为设计波纹管第k个关键尺寸值；m为设计波纹管关键尺寸如波纹管波长、波谷间距、内径、外径和波峰处壁厚等总个数；为第j-1次仿真分析结果中波纹管第k个关键尺寸值；为第i个参数(模具关键尺寸和工艺)与波纹管第k个关键尺寸的相关系数，根据理论或者工程经验中的正负相关性取值，大小在-1到1之间；Pi(j)为第i个参数(模具关键尺寸和工艺)在第j次仿真分析中输入参数；j为仿真分析次数，取值大于1。
步骤6.2、鉴于某一参数同时影响多个关键尺寸值以及某一关键尺寸值同时受到多个参数影响，在优化算法中，预先设定关键尺寸值优化的顺序，实现最关键尺寸最后优化，并引入影响产品使用寿命的关键数据如成形后波纹管残余拉应力最小化和/或波峰处壁厚最大化作为附加优化目标获取最优参数；
步骤6.3、第一次参数优化根据理论规律或工程经验预先设定值，并选择参数设计范围里边的极值；
步骤6.4、第二次或第N次优化增加机器自学习的方法：基于前两次或者前N-1次仿真计算结果所获得参数对特征尺寸实际影响规律，每一次仿真分析后从新计算值。
与现有技术相比本发明有益效果。
本发明U型波纹管研发效率高：输入设计波纹管材料和尺寸参数即可直接获得优化后的模具工组尺寸及成形工艺参数。
本发明U型波纹管质量好：采用优化后的模具工作尺寸和工艺参数获得的波纹管尺寸精度高，波峰处最大减薄率小，波纹管使用寿命长。
本发明U型波纹管生产成本低：不需要后续整形工序，有效降低制造成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。本发明保护范围不仅局限于以下内容的表述。
图1是本发明U型波纹管液压或气压成形模具工作尺寸及工艺参数优化算法流程图。
图2是本发明设计U型波纹管示意图。
图3是本发明优化前波纹管波谷间距示意图。
图4是本发明优化后波纹管波谷间距示意图。
图5是本发明优化前波纹管外径示意图。
图6是本发明优化后波纹管外径示意图。
具体实施方式
如图1-6所示，下面结合附图和具体实施案例对本发明进行详细说明。本方案包括以下步骤。
1)、对于给定材料尺寸U形波纹管，基于理论或经验公式设计模具工作尺寸及工艺参数的初始值，并设置一个参数许可调节范围。
2)、采用有限元软件应用上述模具工作尺寸及工艺参数模拟波纹管初波成形、轴向压缩、保压卸载和回弹全部成形过程。
3)、提取仿真分析结果中波纹管的关键尺寸如波纹管波长、波谷间距、外径和波峰处壁厚等，将仿真分析结果中波纹管尺寸与设计波纹管结构尺寸进行对比。
4)、判断模拟结果中波纹管的关键尺寸是否满足设计要求即是否在允许的误差范围内。
5)、如果满足要求即直接输出模具工作尺寸及工艺参数，用于波纹管模具设计加工和生产，完成优化。
6)、如果不满足要求，基于对比结果优化模具工作尺寸及工艺参数，回到步骤2)。
所述步骤2)中包括：
2.1)、应用单一有限元软件采用网格无关性验证、单元类型无关性验证或多种有限元软件进行交叉对比验证等方法确保仿真结果计算误差满足工程设计要求；
2.2)、对于产品轴向长度或外径尺寸相对于壁厚较大的波纹管，或者层数较多的波纹管可以减少轴向长度至一到两个完整波纹，并采用轴对称壳单元或实体单元等方式提高计算效率。
具体地，应用有限元法的仿真分析：采用通用有限元软件，该有限元软件采用ANSYS、ABAQUS或Marc；或专用有限元软件，该专用有限元软件包括Dynaform、LS-Dyna或Simufact；或采用多种有限元软件进行结果交叉对比；
应用有限元法模拟波纹管初波成形、轴向压缩、保压卸载荷和回弹全过程；
为提高仿真分析计算效率，针对波纹管轴对称特征采用轴对称壳单元或实体单元模型，前提需验证这种简化处理方式计算结果与完整三维实体模型仿真计算结果，使其误差在可接受范围内；
为提高仿真分析计算效率可针对波纹管波纹的重复性特征将设计波纹管的长度缩小，最短可以保留两个波或者一个波进行仿真分析，前提需验证这种简化处理方式计算结果与完整长度波纹管仿真计算结果，使其误差在可接受范围内；
所述步骤6)中包括以下步骤。
6.1)参数优化按照下列方式进行:
其中：Xk：设计波纹管第k个关键尺寸值；m：设计波纹管关键尺寸如波纹管波长、波谷间距、内径、外径和波峰处壁厚等总个数；第j-1次仿真分析结果中波纹管第k个关键尺寸值；第i个参数(模具工作尺寸和工艺参数)与波纹管第k个关键尺寸的相关系数，根据理论或者工程经验中的正负相关性取值，大小在-1到1之间；Pi(j)：第i个参数(模具工作尺寸和工艺参数)在第j次仿真分析中输入参数；j：仿真分析次数，取值大于1。
6.2)鉴于某一参数同时影响多个关键尺寸值以及某一关键尺寸值同时受到多个参数影响，在优化算法中，可以预先设定关键尺寸值优化的顺序，实现最关键尺寸最后优化，还可以引入影响产品使用寿命的关键数据如成形后波纹管残余拉应力最小化和/或波峰处壁厚最大化作为附加优化目标获取最优参数。
6.3)第一次参数优化可以根据理论规律或工程经验预先设定值，还可以选择参数设计范围里边的极值。
6.4)第二次或第N次优化可以增加机器自学习的方法，即基于前两次或者前N-1次仿真计算结果所获得参数对特征尺寸实际影响规律，即每一次仿真分析后从新计算值。
作为一种具体的实施例：图1为U型波纹管液压或气压成形模具工作尺寸及工艺参数优化算法流程图，另外仿真分析软件采用大型通用有限元软件Abaqus，该软件具有较好的仿真计算能力和丰富的二次开发接口，但本发明中提及的有限元仿真分析软件不限于Abaqus。
1)、基于设计U型波纹管尺寸参数，如图2所示，通常假设波纹管成形前后壁厚不变，成形后没有回弹等，设计模具工作尺寸初始值如模片厚度等于设计波纹管波谷间距，轴向压缩成形后模片间距等于单个波纹宽度，模片圆角半径等于波谷间距的一半；按照理论或经验公式，设计工艺参数初始值如初波成形模片间距、初波压力和成形保压压力等。
2)、应用有限元软件进行仿真分析，基于坯料尺寸、模具工作尺寸和工艺的参数化特征进行参数化建模仿真计算。
3)、将计算结果与波纹管设计尺寸进行对比，如波谷间距L1、波长L2、波纹外径D1等关键参数，基于对比误差，评估是否满足要求，如满足要求则直接输出模具工作尺寸和工艺参数，如果不满足要求则根据每一关键参数误差修改相关的模具工作尺寸或工艺参数，再次进行参数化建模和计算分析，多次迭代，直至计算结果尺寸与设计尺寸误差满足要求。
例如：以波纹管内外侧波谷等间距且成形后波纹管波长等于设计波长为优化目标，主要调整模片厚度和轴向压缩成形后模片间距，辅助调整成形压力，已知模片厚度和轴向压缩成形后模片间距分别与波纹管外侧和内测波谷间距呈正相关关系、波纹管波长与模片厚度和轴向压缩成形后模片间距之和呈正相关关系，经过多次迭代可获得满意结果，图3和图4分别是优化前后波纹管计算结果图。优化前波纹管波谷间距L1(计算值)≠L1(设计值)＝0.5L2-t0，优化后波纹管波谷间距L1(计算值)＝L1(设计值)＝0.5L2-t0。
再例如以波纹管外径尺寸为优化目标，主要调整成形初波时的模片间距和初波成形压力，已知波纹管外径尺寸大小与成形初波时的模片间距和初波成形压力均为正相关关系，优化路径简单，经数次迭代可获得满意结果，图5和图6分别是优化前后波纹管计算结果图。优化前波纹管外径D1(计算值)≠D1(设计值)，优化后波纹管外径D1(计算值)＝D1(设计值)。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、对于给定材料尺寸的U形波纹管，设置模具工作尺寸及工艺参数设计初始值，并设置一个参数许可调节范围；
步骤2、应用有限元法，应用步骤1的模具工作尺寸及工艺参数，进行波纹管成形过程的仿真分析，模拟波纹管初波成形、轴向压缩、保压卸载和回弹过程；
步骤3、提取仿真分析结果中波纹管的关键尺寸，该关键尺寸包括波纹管波长、波谷间距、内径、外径和波峰处壁厚，将仿真分析结果中的波纹管尺寸与设计波纹管结构尺寸进行对比；
步骤4、判断仿真分析结果中波纹管的关键尺寸是否在允许的误差范围内；
步骤5、如果在允许的误差范围内，直接输出模具工作尺寸及工艺参数，用于波纹管模具设计加工和生产，完成优化；
步骤6、如果不在允许的误差范围内，基于对比结果优化模具工作尺寸及工艺参数，回到步骤2。
2.根据权利要求1所述的U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法，其特征在于：所述步骤2包括以下步骤：
步骤2.1、应用单一有限元软件采用网格无关性验证、单元类型无关性验证或多种有限元软件进行交叉对比验证等方法确保仿真结果计算误差满足工程设计要求；
步骤2.2、对于产品轴向长度或外径尺寸相对于壁厚较大的波纹管，或者层数较多的波纹管可以减少轴向长度至一到两个完整波纹，并采用轴对称壳单元或实体单元等方式提高计算效率。
3.根据权利要求1或2所述的U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法，其特征在于：所述步骤2中，为提高计算效率，采用基于仿真分析软件二次开发的程序或插件实现。
4.根据权利要求1所述的U型波纹管液压或气压成形模具尺寸及工艺参数优化算法，其特征在于：所述步骤6包括以下步骤：
步骤6.1、参数优化按照下列公式进行：
其中：Xk为设计波纹管第k个关键尺寸值；m为设计波纹管关键尺寸如波纹管波长、波谷间距、内径、外径和波峰处壁厚等总个数；为第j-1次仿真分析结果中波纹管第k个关键尺寸值；为第i个参数(模具关键尺寸和工艺)与波纹管第k个关键尺寸的相关系数，根据理论或者工程经验中的正负相关性取值，大小在-1到1之间；Pi(j)为第i个参数(模具关键尺寸和工艺)在第j次仿真分析中输入参数；j为仿真分析次数，取值大于1。
步骤6.2、鉴于某一参数同时影响多个关键尺寸值以及某一关键尺寸值同时受到多个参数影响，在优化算法中，预先设定关键尺寸值优化的顺序，实现最关键尺寸最后优化，并引入影响产品使用寿命的关键数据如成形后波纹管残余拉应力最小化和/或波峰处壁厚最大化作为附加优化目标获取最优参数；
步骤6.3、第一次参数优化根据理论规律或工程经验预先设定值，并选择参数设计范围里边的极值；
步骤6.4、第二次或第N次优化增加机器自学习的方法：基于前两次或者前N-1次仿真计算结果所获得参数对特征尺寸实际影响规律，每一次仿真分析后从新计算值。
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