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:互聯網

1.工程背景與概述

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

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)的基礎上,結合前期的實驗工作,利用有限元方法對該工藝進行了系統(tǒng)地分析研究,主要包括以下幾個方面內容:

(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行了數值仿真。

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

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,慢慢地壓向構件的一邊,達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,構件上下面翻轉1800后對另一面進行模壓而形成殘余應力場,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致單元發(fā)生畸變,導致有限元分析因不收斂而失敗。根據模壓強化工藝的特點,鑒于MSC.Marc強大的三維網格重劃分功能,我們選擇MSC.Marc做為有限元數值分析軟件進行集成優(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行分析。圖4.1為完整的系統(tǒng)網格模型,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間隙。

5.模壓強化優(yōu)化模型

5.1優(yōu)化系統(tǒng)結構特點

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出高度的非線性;

2.多峰性,存在多個局部極值點。

5.2目標函數選擇

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力。殘余應力既有平均應力(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。根據含孔件疲勞破壞特點,我們把孔邊周向殘余壓應力

作為目標函數。

5.3設計變量的選擇

根據模壓強化工藝特點,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:

是設計變量,為模壓量、壓模傾角;

是目標函數,為模壓后的周向殘余應力;

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、結構約束等。對于有約束的優(yōu)化問題,通常需要轉化為無約束的優(yōu)化問題求解,也即把約束作為罰函數加到目標函數上構成增廣的目標函數。

5.5優(yōu)化算法的選擇

根據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計空間進行探索,并以此得到全局最優(yōu)解,在通過逐次二次規(guī)劃算法對其進行反復迭代和更新來逐步逼近精確的全局最優(yōu)解。

6.優(yōu)化結果及其分析

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行優(yōu)化計算,整個過程共經歷了122個循環(huán),優(yōu)化歷程記錄如圖6.1所示。從圖6.1可以看出所對應的目標函數(R)在循環(huán)中相對來說變化較大。

在孔直徑為8的時候,經優(yōu)化后得到的最優(yōu)工藝參數為:模壓量為1.7,壓模傾角為46.80,最大殘余應力比設計初始值降低了62.41%。優(yōu)化前后參數值如表6.1所示。由圖6.2可以看出,經過優(yōu)化后的殘余壓應力得到較大幅度提高的同時,孔周圍的應力梯度也相應地變小,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,通過引入虛擬設計變量建立了幾何信息與壓模傾角的關系式,從而保證了幾何模型正確性,并確保了計算效率。

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