引言
"J(T?|t ,7:? Du} 長期以來，成形工藝和模具的設計以及工藝過程分析主要的依據(jù)是積累的實際經(jīng)驗、行業(yè)標準和傳統(tǒng)理論。但由于實際經(jīng)驗的非確定性、行業(yè)標準的實效性，以及傳統(tǒng)理論對變形條件和變形過程進行了簡化，因此，對復雜的模具設計往往不容易獲得滿意的結果，使得調試模具的時間長，次數(shù)多，甚至導致模具的報廢。通常情況下，為了保證工藝和模具的可靠與安全，多采用保守的設計方案，造成工序的增多，模具結構尺寸的加大�，F(xiàn)代成形加工與模具正朝著高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、節(jié)省資源等方向發(fā)展，因此傳統(tǒng)的設計方式已遠遠無法滿足要求。計算機技術的出現(xiàn)和發(fā)展以及工程實踐中對數(shù)值分析要求的日益增長，發(fā)展起來了有限元的分析方法。有限元自1960年CLOUGH 首次提出后，獲得了迅速的發(fā)展。下面我們共同討論有限元數(shù)值模擬分析技術。
V$Zl]f$S ZrNBkfe : 1 、有限元數(shù)值模擬分析技術
MA1y@ 99GK6}~TGm 塑性成形的工藝設計和模具設計一直采用傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗、實驗方法。這種設計方法難以滿足制造工藝的要求。隨著計算機技術的飛速發(fā)展和70年代塑性有限元理論的發(fā)展，許多塑性成形過程中很難求解的問題可以用有限元方法求解。
@| 2sF SD _P=? 有限元數(shù)值模擬技術用于檢驗工藝和模具設計的合理性已經(jīng)在冷鍛成形工藝領域得到了足夠體現(xiàn)。通過建模和合適的邊界條件的確定，有限元數(shù)值模擬技術可以很直觀地得到金屬流動過程的應力、應變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現(xiàn)的缺陷情況。這些重要信息的獲得對合理的模具結構，模具的選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著重要的指導意義。
Q3 0T R Zdfruzl&` 針對運用有限元數(shù)值模擬技術可用于檢驗工藝和模具設計的合理性，提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝：預鍛分流區(qū)-分流終鍛，用三維有限元數(shù)值模擬進行了有限元分析研究，得到了鍛造載荷-行程曲線以及整個成形過程的應力、應變、速度分布等，并與傳統(tǒng)的閉式鐓擠工藝模擬的結果進行了比較。分析表明, 傳統(tǒng)的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪，成形載荷大，不利于齒形的充填。采用預鍛分流區(qū)-分流終鍛新工藝，可以大幅度降低成形載荷，并明顯改善材料的充填性, 可以獲得齒形角部飽滿的齒輪。用三維大變形彈塑性有限元法對齒輪冷精鍛成形過程進行了數(shù)值模擬，對以閉式模鍛為預鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動情況進行了有限元數(shù)值模擬分析。分析結果及工藝實驗表明在終鍛中采取分流,尤其是約束孔分流措施對于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。
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o?y4X ]mR!-Fqj 由此可見，采用有限元分析方法進行模具設計分析，大大節(jié)省了開發(fā)時間，提高了設計質量，為我們提高了效率、增加了塑性成形中模具工藝的精確性和安全性。從而使整個設計模式從經(jīng)驗設計向科學設計轉變。
0n/+X[%Ti 1xTNrLW 2 、優(yōu)化技術的引入
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2x( 從實際應用的角度來看，基于有限元分析的優(yōu)化方法中最具代表性的方法有基于靈敏度分析的優(yōu)化方法和基于目標函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法兩種。
g 0-~ %A, <SKzCp\ 基于靈敏度分析的優(yōu)化設計方法屬于梯度型優(yōu)化設計方法。該方法在具體實施時，首先確定目標函數(shù)和設計變量，然后找出它們之間的關系，推導目標函數(shù)對設計變量的靈敏度—導數(shù)公式，根據(jù)設計變量的現(xiàn)有值求解出這些靈敏度信息，再利用優(yōu)化算法確定設計變量的最優(yōu)搜索方向，得到更優(yōu)的設計變量，再求解靈敏度信息，如此反復，直到優(yōu)化迭代收斂。
e;8nujdG" *<ILS Z 基于目標函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法來源于外推法。這種方法用簡單的插值函數(shù)來近似逼近目標函數(shù)和設計變量之間的函數(shù)關系，通過求解這個近似函數(shù)的極值點來逼近真實函數(shù)的極值點。該方法用在鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化時，目標函數(shù)值是通過有限元程序來實現(xiàn)的。
xLShMv} `E2RW{$A 目前， 一些通用的有限元分析軟件如(DEFORM、Marc)已廣泛應用于鍛造成形過程的數(shù)值模擬，可十分方便地計算出應力、應變等信息，因此，基于目標函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法可使有限元程序與優(yōu)化算法分離，適合不同的鍛造成形工藝，對于鍛造成形過程的參數(shù)優(yōu)化比較方便。
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B9:u 雖然基于有限元分析的鍛造工藝優(yōu)化技術的研究與應用已取得了不少成果，但目前仍處于起步階段。從目標函數(shù)的構建、優(yōu)化設計變量的選取到優(yōu)化方法的具體應用可以看出,該領域的研究還存在一些問題。
IY,n7x0d wiP )"g.t （1）基于靈敏度分析的優(yōu)化方法的研究和應用已取得了不少的成果，由于該方法屬于梯度型優(yōu)化方法，因此其收斂速度比較快。但它在實際的應用中還存在一些缺點：在優(yōu)化設計過程中需要求解目標函數(shù)相對于優(yōu)化設計變量的靈敏度信息(即導數(shù))，對于復雜的金屬塑性成形過程的靈敏度信息的推導困難。該方法要求將求解靈敏度信息的程序代碼嵌入到數(shù)值分析程序代碼中，需要編寫有限元分析代碼和優(yōu)化算法代碼，編程工作量大。同時該方法優(yōu)化程序通用性差。
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2`&c7 （2）基于目標函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法的優(yōu)點是優(yōu)化算法與有限元程序分離，可充分利用功能強大的商用有限元分析軟件的優(yōu)勢，該方法的通用性較強。它的主要缺點是收斂速度比較慢，同時由于在擬合問題中，但設計變量取得較多時，會出現(xiàn)許多復雜的問題如適定性問題，使得擬合過程失敗。
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Z:Ih.[{ " ?=$(7uc （3）鍛造成形是一個復雜的過程，其理想鍛件不僅應具有符合設計要求的精確外形，而且應具有均勻的變形、合理分布的變形力和理想的質量（無宏觀和微觀缺陷）等。上述各個方面，都是鍛造生產(chǎn)所追求的目標，因此對鍛造過程優(yōu)化設計進行多目標優(yōu)化十分必要。目前這方面的研究比較少。
myOdf'= WRqpQEY 3 、結語
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