锻造成形是在工程领域应用较为广泛的金属压力加工方法,加工工艺具有高质量和高效率的优点。在锻造生产工艺中,预成形形状对控制材料的流动、型腔的充填以及锻件的成形质量有着至关重要的影响,因此,锻造预成形设计成为锻造设计中控制锻件质量以达到产品性能要求的重要方面。另外,锻造过程中金属的流动复杂难以控制,因而各工步的中间锻件形状也呈多样性,如何从纷繁复杂的预成形形状中选择最合理的形状,成为锻造预成形设计中的难题。传统的预成形设计方法基于“试错法”进行,设计结果难以达到最优。现有的预成形优化方法的研究对象大多为简单的二维模型,优化方法很难推广到三维复杂锻件的预成形优化设计中。类等势场方法是这一种新兴的非优化算法,其基本原理是利用静电场中的等势场分布来模拟金属塑性变形过程中材料的最小变形路径,在锻造预成形设计领域具有广阔的应用前景。本文在基于类等势场方法的轴对称锻件预成形设计方法研究的基础上,重点研究了基于类等势场方法的复杂锻件的预成形优化设计方法,取得了比较满意的成果。本文的主要研究工作包括：研究了类等势场应用于锻造预成形设计的基本原理和方法。进行了锻件和初始毛坯之间的静电场模拟,分析了静电场中等势线的分布规律。针对静电场中的等势线和等势面不能直接用于编辑的问题,基于有限元方法的基本原理,利用逆向工程技术,本文将静电场几何模型的有限元节点作为逆向拟合空间点云进行了等势线和等势面的模型重构。为了消除初始毛坯形状与预成形优化结果的关联性,本文提出了等势线非均匀比例缩放的方法。基于塑性变形前后材料体积不变的原则,在三个方向上对由等势线重构的预成形件分别设置不同的缩放因子进行体积缩放。非均匀缩放不仅可以减小初始毛坯高径比对等势线形状的影响,还可以根据需求灵活的分配预锻件各部位的材料比例。将类等势场应用于复杂大变形轴对称工件的预成形优化设计过程,利用类等势场方法、有限元模拟和工程优化算法相结合,以工程机械用刹车毂锻件为研究对象,进行了两工步成形锻件的多目标预成形优化设计。首先,以等势线的电势值和锻造体积比为设计变量,以锻件填充性能为目标响应进行了响应面优化设计。优化响应面模型得到最佳预锻件的以及电势值的取值范围。然后以等势线的电势值为单因素变量,采用黄金分割算法,以提高锻件的变形均匀性和降低终锻力为优化目标,对刹车毂锻件进行了多目标预成形优化设计,确定了最优预锻件形状,从而得到了充填饱满、少无飞边、变形均匀且终锻力较小的锻件。研究了基于类等势场的长轴类复杂锻件的多工步预成形优化设计方法。以逆向拟合的方法完成了静电场等势面的模型重构,并根据长轴类锻件的变形特点,提出了预成形件的非均匀比例缩放方法。以等势面电势值和锻造体积比为设计变量,以锻造填充性能为目标函数,进行了响应面优化设计,得到了等势面电势值和体积比的最佳组合方案。根据优化所得预锻件形状,利用截面分析方法设计了预制坯。有限元数值模拟结果表明,优化所得的预锻件既可以兼顾辊锻毛坯的工艺性,又有效提高了成形质量和材料利用率,取得了良好的预成形优化设计效果。