成形工藝和模具的設(shè)計(jì)以及工藝過程分析主要的依據(jù)是積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)理論腺拗。但由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的非確定性喧畏、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)效性，以及傳統(tǒng)理論對(duì)變形條件和變形過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化半就，因此酌非，對(duì)復(fù)雜的模具設(shè)計(jì)往往不容易獲得滿意的結(jié)果，使得調(diào)試模具的時(shí)間長(zhǎng)吸自，次數(shù)多叭静，甚至導(dǎo)致模具的報(bào)廢。通常情況下窥扭，為了保證工藝和模具的可靠與安全给庶，多采用保守的設(shè)計(jì)方案，造成工序的增多逼肯，模具結(jié)構(gòu)尺寸的加大《韫希現(xiàn)代成形加工與模具正朝著高效率、高速度汉矿、高精度崎坊、高性能、低成本洲拇、節(jié)省資源等方向發(fā)展奈揍，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求。計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展以及工程實(shí)踐中對(duì)數(shù)值分析要求的日益增長(zhǎng)赋续，發(fā)展起來了有限元的分析方法男翰。有限元自1960年CLOUGH 首次提出后，獲得了迅速的發(fā)展纽乱。下面我們共同討論有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)蛾绎。

　　1 、有限元數(shù)值模擬分析技術(shù)

　　塑性成形的工藝設(shè)計(jì)和模具設(shè)計(jì)一直采用傳統(tǒng)的憑經(jīng)驗(yàn)鸦列、實(shí)驗(yàn)方法租冠。這種設(shè)計(jì)方法難以滿足制造工藝的要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)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电味。

　　有限元數(shù)值模擬技術(shù)用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性已經(jīng)在冷鍛成形工藝領(lǐng)域得到了足夠體現(xiàn)气穴。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(shù)可以很直觀地得到金屬流動(dòng)過程的應(yīng)力晌箍、應(yīng)變肉敏、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現(xiàn)的缺陷情況剿恬。這些重要信息的獲得對(duì)合理的模具結(jié)構(gòu)索击，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(dǎo)意義铡暂。

　　針對(duì)運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)可用于檢驗(yàn)工藝和模具設(shè)計(jì)的合理性阿绣，提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝：預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛，用三維有限元數(shù)值模擬進(jìn)行了有限元分析研究标腮，得到了鍛造載荷-行程曲線以及整個(gè)成形過程的應(yīng)力、應(yīng)變围婴、速度分布等祈很，并與傳統(tǒng)的閉式鐓擠工藝模擬的結(jié)果進(jìn)行了比較。分析表明, 傳統(tǒng)的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪钠四，成形載荷大盗扒，不利于齒形的充填。采用預(yù)鍛分流區(qū)-分流終鍛新工藝缀去，可以大幅度降低成形載荷侣灶，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(duì)齒輪冷精鍛成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬缕碎，對(duì)以閉式模鍛為預(yù)鍛和以閉式模鍛褥影、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動(dòng)情況進(jìn)行了有限元數(shù)值模擬分析。分析結(jié)果及工藝實(shí)驗(yàn)表明在終鍛中采取分流,尤其是約束孔分流措施對(duì)于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效咏雌。

　　由此可見凡怎，采用有限元分析方法進(jìn)行模具設(shè)計(jì)分析，大大節(jié)省了開發(fā)時(shí)間赊抖，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量统倒，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氛雪。從而使整個(gè)設(shè)計(jì)模式從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向科學(xué)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變房匆。

　　2 、優(yōu)化技術(shù)的引入

　　從實(shí)際應(yīng)用的角度來看灶昏，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(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法兩種茬麻。

　　基于靈敏度分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法屬于梯度型優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法在具體實(shí)施時(shí)言雀，首先確定目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量绎探，然后找出它們之間的關(guān)系粉只，推導(dǎo)目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量的靈敏度—導(dǎo)數(shù)公式，根據(jù)設(shè)計(jì)變量的現(xiàn)有值求解出這些靈敏度信息闲堆，再利用優(yōu)化算法確定設(shè)計(jì)變量的最優(yōu)搜索方向暇鸦，得到更優(yōu)的設(shè)計(jì)變量，再求解靈敏度信息捍辫，如此反復(fù)牺胎，直到優(yōu)化迭代收斂。

　　基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法來源于外推法沉年。這種方法用簡(jiǎn)單的插值函數(shù)來近似逼近目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間的函數(shù)關(guān)系暂一，通過求解這個(gè)近似函數(shù)的極值點(diǎn)來逼近真實(shí)函數(shù)的極值點(diǎn)。該方法用在鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化時(shí)脾婚，目標(biāo)函數(shù)值是通過有限元程序來實(shí)現(xiàn)的拐云。

　　目前， 一些通用的有限元分析軟件如(DEFORM近她、Marc)已廣泛應(yīng)用于鍛造成形過程的數(shù)值模擬叉瘩，可十分方便地計(jì)算出應(yīng)力、應(yīng)變等信息粘捎，因此薇缅，基于目標(biāo)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攒磨，對(duì)于鍛造成形過程的參數(shù)優(yōu)化比較方便泳桦。

　　雖然基于有限元分析的鍛造工藝優(yōu)化技術(shù)的研究與應(yīng)用已取得了不少成果，但目前仍處于起步階段娩缰。從目標(biāo)函數(shù)的構(gòu)建灸撰、優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的選取到優(yōu)化方法的具體應(yīng)用可以看出,該領(lǐng)域的研究還存在一些問題。

　∑纯病（1）基于靈敏度分析的優(yōu)化方法的研究和應(yīng)用已取得了不少的成果梧奢，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演痒。但它在實(shí)際的應(yīng)用中還存在一些缺點(diǎn)：在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中需要求解目標(biāo)函數(shù)相對(duì)于優(yōu)化設(shè)計(jì)變量的靈敏度信息(即導(dǎo)數(shù))亲轨，對(duì)于復(fù)雜的金屬塑性成形過程的靈敏度信息的推導(dǎo)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)值分析程序代碼中深牲，需要編寫有限元分析代碼和優(yōu)化算法代碼熬席，編程工作量大。同時(shí)該方法優(yōu)化程序通用性差辽松。

　”幢贰（2）基于目標(biāo)函數(shù)值的擬合優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化算法與有限元程序分離，可充分利用功能強(qiáng)大的商用有限元分析軟件的優(yōu)勢(shì)，該方法的通用性較強(qiáng)芦终。它的主要缺點(diǎn)是收斂速度比較慢芍规，同時(shí)由于在擬合問題中，但設(shè)計(jì)變量取得較多時(shí)眉堪，會(huì)出現(xiàn)許多復(fù)雜的問題如適定性問題翰倡，使得擬合過程失敗。

　》疃隆（3）鍛造成形是一個(gè)復(fù)雜的過程吹似，其理想鍛件不僅應(yīng)具有符合設(shè)計(jì)要求的精確外形，而且應(yīng)具有均勻的變形抚垃、合理分布的變形力和理想的質(zhì)量（無宏觀和微觀缺陷）等喷楣。上述各個(gè)方面，都是鍛造生產(chǎn)所追求的目標(biāo)鹤树，因此對(duì)鍛造過程優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化十分必要铣焊。目前這方面的研究比較少。

　　3 罕伯、結(jié)語

　　隨著競(jìng)爭(zhēng)的日益加劇曲伊，低成本、高質(zhì)量和高效率是制造業(yè)所追求的目標(biāo)捣炬。在鍛造行業(yè)，為提高設(shè)計(jì)效率绽榛、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量湿酸，必須對(duì)鍛造工藝過程中影響鍛件質(zhì)量的各項(xiàng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于鍛造變形是一個(gè)十分復(fù)雜的問題灭美，對(duì)于其工藝參數(shù)的優(yōu)化采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到預(yù)期的效果推溃，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和塑性有限元理論和技術(shù)的不斷發(fā)展和日益完善，以有限元法為代表的數(shù)值模擬方法已廣泛應(yīng)用于各種金屬成形問題的求解分析届腐。因此万窄，基于有限元分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在冷鍛成形工藝/模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用不僅是可能的，也是一種必然趨勢(shì)仪荞。

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