CN117034474A - 一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法，其特征在于，具体步骤为：S1.建立将终锻件包裹起来的圆柱形/立方体坯料模型，利用布尔求差得到一个外面是坯料内部是锻件的模型；S2.导入ANSYS workbench进行温度场模拟，并选取几组等温面导出点云模型；S3.将点云文件导入Geomagic Studio进行逆向建模得到预锻件模型；S4.对预锻件进行非均匀放缩得到合理体积，随后设计飞边槽并分模；S5.将模型导入Deform软件进行预锻和终锻模拟，并对比分析得到最优的预锻模形状。本发明简化了预锻模设计过程，而且无需购买为类等势场法开发的专用软件或程序，同时解决了预锻模设计依赖经验、设计过程复杂、设计周期长等问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属热塑性成形技术领域，具体涉及一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法。
背景技术
良好的预锻模设计是成形出合格锻件的关键。传统预锻模设计时，需要不断进行模拟、试验试错，经多轮修改才能得到最终预锻模形状，存在周期长、成本高、设计过程依赖工程师经验的缺点。开发预锻模快速设计方法是缩短生产周期、提高锻件质量的关键。
发明人在实现本发明的过程中发现：
目前预锻件设计的常用方法有：通过反向模拟技术进行设计、通过优化设计方法进行设计、通过正向过程分析进行设计。N.V.Ngo[1]等通过曲线拟合方法获得了预锻件的轮廓曲线，并优化了预锻件的形状。S.H.R.Torabi[2-3]等利用响应面法与有限元法相结合的方法对涡轮叶片的预锻件进行了优化。曹品金[4]等提出了一种基于响应面法的预成形优化设计方法，通过对响应面构建近似模型，利用粒子群算法，对响应面二阶多项式函数执行寻优操作。类等势场法是一种预锻模快速设计的方法，与常规方法相比，无需三维建模也可以设计出复杂锻件的预锻模。Yanjin Guan[5]等利用类等势场法与响应面法相结合的方法来确立最优的预锻件形状。刘目娟[6]等建立了基于类等势场与响应面法分析复杂锻件预成形设计方法，通过对毛坯和终锻件之间的等势场分布规律及特征进行分析，再通过逆向得到等势面，对等势面进行了准确地重建。张晗[7]等利用静电场等势面的仿真方法对高筋薄腹板类锻件的预锻件进行了设计，通过锻造模拟以及搭建神经网络并与遗传算法相结合得到最优解，从而迅速并且精准地设计出预锻件。陈邦华[8]等将电场法进一步与数学模型、数值模拟方法相结合，应用到一些具体的成形工艺过程中，并最终优化得到一组预锻件形状和工艺参数的最优组合。Nikolay Biba[9]等利用等温面转换成的CAD模型创建预锻件形状，并将金属成形模拟软件QForm与专门开发的CAD系统相结合，以自动实现数据转换。此外，金属体积成形专用软件DEFORM软件也具备基于类等势场法设计预锻模的功能。
目前，类等势场法设计预锻模时，仍存在设计过程复杂、需要借助为类等势场法开发的专用软件等缺点，例如，文献5需要对点云切片、拟合等操作，而文献6需要借助自编程序处理等势面，文献7和文献8需要进行电场模拟——这提高了工程师的技术门槛，使该技术很难在工程中得到实际应用。
检索文献：
[1] Ngo N V, Hsu Q C, Li W H, et al. Optimizing Design of Two-dimensionalForging Preform by Bi-directional Evolutionary StructuralOptimization Method[J]. Procedia Engineering, 2017, 207:520-525.
[2] Torabi S H, AmiriA, Sadeghi M, et al. Designing preform using FEMand response surface method to optimise straindistribution in forging ofturbine blade[J]. International Journal ofMechatronics and ManufacturingSystems, 2014, 7(4/5/6):265.
[3] Torabi S H R, AlibabaeiS, Bonab B B, et al. Design andoptimization of turbine blade preform forging using RSM and NSGA II[J].Journal of Intelligent Manufacturing, 2017, 28(6):1409-1419.
[4] 曹品金. 基于响应面法的锻造预成形优化设计方法研究[D].山东大学,2013.
Research on Preform Optimization Design Method inForging ProcessBased on Response Surface Method[D]. Shandong University,2013.
[5] Guan Y, Bai X, Liu M, et al. 3D PreformDesign in Forging Processbased on Quasi-quipotential Field and Response Surface Methods[J]. ProcediaEngineering, 2014, 81:468-473.
[6] 刘目娟, 翟继强, 林军,等. 基于类等势场和响应面法的复杂锻件预成形优化设计[J]. 精密成形工程, 2017, 9(5):6.
[7] 张晗, 郑志镇, 李建军,等. 高筋薄腹板类锻件三维预成形设计及优化[J].锻压技术, 2014, 39(2):5.
[8] 陈邦华. 基于电场法的锻件预成形设计和研究[D]. 重庆大学, 2014.
[9] Biba N, Vlasov A, Krivenko D,et al. Closed DieForging PreformShape Design Using Isothermal Surfaces Method[J]. Procedia Manufacturing,2020, 47:268-273。
发明内容
针对预锻模设计在存在的问题，为了实现预锻模快速设计和优化的目标，本专利提出一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法，可简化预锻模设计过程，而且无需购买为类等势场法开发的专用软件或程序，解决预锻模设计依赖经验、设计过程复杂、设计周期长等问题。
发明构思：通过锻件的温度场模拟提取等温面三维模型，进行逆向造型得到封闭的实体，对预锻件在不同方向进行非均匀放缩，最后设计出飞边槽并开模；基于预锻与终锻成形模拟结果，确定最优的预锻模形状。
为此本发明的技术方案为：一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法，其特征在于，具体步骤为：
S1. 建立将终锻件包裹起来的圆柱形/立方体坯料模型，利用布尔求差得到一个外面是坯料内部是锻件的模型；
S2. 将S1中的模型导入ANSYS workbench进行温度场模拟，分别在该模型的外表面与内表面施加不同的温度进行稳态温度场模拟，从温度场模拟结果中选取若干个等温面作为预锻件形状，导出等温面为点云文件；
S3. 将S2中的点云文件导入逆向三维建模软件Geomagic Studio，由点云获得多边形网格和NURBS曲面，并封闭为实体；
S4. 将S3中的实体导入到UG建模软件，对预锻件不同方向进行不等比例放缩，并根据锻造模拟结果修正放缩比例，放缩完成后，设计飞边槽并分模，得到上下模；
S5. 将坯料、预锻模模型导入Deform软件进行预锻和终锻模拟，依据最大锻造压力、填充率以及等效应变等结果评估成形质量的好坏，选择预锻与终锻模拟结果都较优的等温面作为预锻模设计参考标准，从而得到最优的预锻模形状。
作为优选，所述步骤S2中外表面与内表面施加的不同温度分别为内表面施加的温度为0℃，外表面施加的温度为100℃；从温度场模拟结果中选取的若干个等温面分别为3℃、5℃、8℃、10℃；采用内表面施加0℃的温度，外表面施加100℃的温度，方便实现；选取的若干个等温面更接近于施加于内表面的温度，即所选取的等温面形状更接近于锻件最终形状。
有益效果：与现有技术相比，本发明一是简化预锻模设计过程，而且无需购买为类等势场法开发的专用软件或程序；二是解决了预锻模设计依赖经验、设计过程复杂、设计周期长等问题。
附图说明
图1是本发具体实施方式中的实施流程。
图2是本发明具体实施方式中温度场模拟结果图，其中：（a）是活塞裙温度场模拟几何模型；（b）是温度场分布云图。
图3是本发明具体实施方式中逆向建模过程图，其中：（a）是空间点云模型；（b）是三角化模型；（c）是曲面模型；（d）是实体零件模型。
图4是本发明具体实施方式中预锻件优化及分模图，其中：（a）是带飞边的预锻件模型；（b）是分模得到上模模型；（c）是分模得到下模模型。
图5是本发明具体实施方式中Deform模拟填充率对比图。
图6是本发明具体实施方式中最大锻造压力对比图。
图7是本发明具体实施方式中预锻等效应变云图对比，其中：（a）是3℃等温面预锻件云图；（b）是5℃等温面预锻件云图；（c）是8℃等温面预锻件云图；（d）是10℃等温面预锻件云图。
图8是本发明具体实施方式中终锻等效应变云图对比，其中：（a）是3℃等温面终锻件应变云图；（b）是5℃等温面终锻件应变云图；（c）是8℃等温面终锻件应变云图；（d）是10℃等温面终锻件应变云图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
本发明如图1至图8所示：
以下结合某活塞裙零件的预锻模设计，描述了本发明的具体应用，具体实施流程如图1所示，具体实施步骤为：
S1. 建立将终锻件包裹起来的圆柱形/立方体坯料模型，该坯料的尺寸为Φ100x80mm，放大8.5倍后将终锻件置于其中，利用布尔求差得到一个外表面是坯料外表面、内表面是终锻件外表面的模型（图2a所示），用于温度场模拟；
S2. 在ANSYS WORKBENCH中将该模型的外表面和内表面分别施加100℃和0℃的温度，进行稳态温度场模拟（图2b所示）；选取T=3℃、5℃、8℃、10℃的等温面作为预锻件的形状，利用ANSYS workbench的结果导出功能将等温面导出为STL文件；
S3. 等温面点云文件导入Geomagic Studio，去除噪点、统一点间距等处理后将点云转换为网格模型；修补网格孔洞、裂缝等得到光顺的模型；构造曲面片并进行调整和松弛后得到生成格栅和NURBS曲面；最终，将NURBS曲面封闭为实体，如图3所示；
S4. 依据体积不变原则，终锻件加上飞边的体积等于预锻件的体积；将预锻件在z轴方向上进行缩放，并设计飞边槽、分模，如图4所示；
S5. 分别对以上四种等温面方案情况进行预锻和终锻模拟，对比填充率（如图5所示）、最大锻造压力（如图6所示）以及等效应变（图7和图8所示），找出最适合的预锻件形状；
分析四种方案填充率的结果：3℃等温面填充率较差，而锻造力3℃等温面较小；10℃的等温面的应变均匀性要优于8℃的等温面；3℃和8℃的等温面，应变相对均匀；
综合填充率、锻造力、等效应变结果，8℃的等温面方案优于其他三种，故将8℃的等温面方案作为优化方案设计预锻模。
本说明书中未作详细说明之处，为本领域公知的技术。
通过上述加工方法的描述，所属技术领域的技术人员应当理解，本发明不局限于上述的具体实施方式，在本发明基础上采用本领域公知技术的改进和替代均落在本发明的保护范围，应由各权利要求限定之。
Claims (2)
1.一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法，其特征在于，具体步骤为：
S1. 建立将终锻件包裹起来的圆柱形/立方体坯料模型，利用布尔求差得到一个外面是坯料内部是锻件的模型；
S2. 将S1中的模型导入ANSYS workbench进行温度场模拟，分别在该模型的外表面与内表面施加不同的温度进行稳态温度场模拟，从温度场模拟结果中选取若干个等温面作为预锻件形状，导出等温面为点云文件；
S3. 将S2中的点云文件导入逆向三维建模软件Geomagic Studio，由点云获得多边形网格和NURBS曲面，并封闭为实体；
S4. 将S3中的实体导入到UG建模软件，对预锻件不同方向进行不等比例放缩，并根据锻造模拟结果修正放缩比例，放缩完成后，设计飞边槽并分模，得到上下模；
S5. 将坯料、预锻模模型导入Deform软件进行预锻和终锻模拟，依据最大锻造压力、填充率以及等效应变等结果评估成形质量的好坏，选择预锻与终锻模拟结果都较优的等温面作为预锻模设计参考标准，从而得到最优的预锻模形状。
2.根据权利要求1所述一种基于等温面法的预锻模快速设计与优化方法，其特征在于：步骤S2中外表面与内表面施加的不同温度分别为内表面施加的温度为0℃，外表面施加的温度为100℃；从温度场模拟结果中选取的若干个等温面分别为3℃、5℃、8℃、10℃。
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