面向变形均匀性的回转体锻件坯料自适应优化平台开发

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回转(或轴对称)结构件在航空航天、燃气轮机、水电等大型装备上有着广泛应用。例如,作为飞机心脏的航空发动机内部就有机匣、涡轮盘、风扇盘、气压盘等多个回转构件。此类构件服役时长期处在高温、高压和交变载荷的复杂工况下,对组织均匀性及机械性能等方面要求极高。整体模锻是目前这类构件的主要成形方式,而合理设计荒坯与预成形坯料的形状与尺寸是获得高质量锻件的重要保障。但目前生产实践中采用的“试错”法,很难高效、可靠地获得优化的成形尺寸参数。因此,针对回转锻件的变形均匀性问题建立坯料几何尺寸的快速优化途径,具有重要的理论与工程价值。本文首先总结了现有模锻工艺优化方法的优缺点。针对材料力学性能测试与有限元应用的衔接需求,研究了材料卡片的生成器开发;针对当前商用CAD/CAE软件不能自动实现联合反馈优化,导致工艺设计阶段重复、低效的试错操作问题,基于Deform和UG后台模式并采用Python语言,构建了以遗传算法为内核的黑盒子优化模型,开发了针对回转体锻件变形均匀性的自适应联合优化平台。主要工作和成果包括:(1)针对目前从材料力学性能测试数据的处理到有限元分析应用,大多依赖人工手动操作的问题,基于Numpy/Pandas开发了与有限元应用直接衔接的材料卡片生成器,提高了数值模拟的效率和准确性。(2)以遗传算法为内核控制,期望应变范围单元数占总单元数的比例为适应度函数,构建了变形量与待优化参数之间的隐式模型关系,通过选择、交叉、变异等机制自适应迭代,得到坯料最佳参数组合;采用Python语言,通过UG后台模式和Deform文本模式,开发了针对变形均匀问题的模锻件坯料尺寸自适应优化软件平台。该平台可以在一定程度上解决模锻件坯料成形参数多、变化空间大,穷举试错法计算成本高且优化方向随意,而正交实验、响应面、人工神经网络等近似模型需要大量样本,预测结果容易陷入局部最优且近似模型无通用性等问题。(3)以某TC6低压盘锻件为案例,对荒坯、预锻坯进行了尺寸参数的自适应优化。对该低压盘优化方案进行的生产试制结果表明,锻件力学性能、理化检验、超声波探测结果均符合标准要求,证明该优化是有效的。
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