帕累托在冲压过程同时控制减薄和回弹的优化设计方法外文翻译_物理_自然科学_专业资料。文档均来自网络,如有侵权请联系我删除文档

　　在冲压过程中 Pareto 同时控制细化和回弹的优 化设计方法 Rosa Di Lorenzo1*, Giuseppe Ingarao1, Fabrizio Micari1, Francisco Chinesta2 1 Università di Palermo, Dip. di Tecnologia Meccanica Produzione e Ingegneria Gestionale Viale delle Scienze-90128 Palermo (Italy) 2 法国国家科学研究中心 LMSP UMR- ENSAM， 德· 里总医院， 151 大道· 75013 巴黎， 法国 摘要：在汽车领域中相关的研究课题之一是在减少冲压件重量的同时增加其强度。这 样，一个较强的的研究工作是开发能够被广泛利用需要适当回弹控制的高强度钢材。在 板料成形过程中回弹的减少是一个细化与减少相冲突的典型的目标。因此，这些问题都 可以看作是由相互冲突的具有多目标特征被考虑。更重要的是，如今，一个伟大的研究 将集中在诸多中的方案，而不是一个单一的解决方案，特别是在工业环境。本文中 数据模拟、响应曲面法和帕累托解搜索技术的整合被应用于以设计一个 DP600 U 型通道形状的冲压操作。尤其是对作为设计变量的摩擦条件与压边力进行了优化，以实 现两个不同的目标：减少过多的细化和避免由于回弹发生的过度几何扭曲。 关键词：金属板冲压、变薄、回弹、响应面法的多目标优化 1 简介 在汽车领域中相关的研究议题之一是研究在减少冲压件的重量是同时增加其强度。这 些问题导致了材料的成功，如高强度钢（TRIP,DP 等），它们是由成形操作后强大的回 弹力产生的[1-3]。其中一个主要议题，板料成形过程中回弹控制问题，如今进行了计算 机仿真校准。具体而言，主要问题方面：数值参数标定[4,5];关于本构模型的回弹影响[6] 工艺参数的影响[7]。 金属板材成形过程中大部分的问题是多目标优化问题，一般由相互冲突的目标来描 述。 在板料成形过程中由矛盾目标描述的典型优化的例子是为防止开裂和回弹定义的 适当工艺参数。更重要的是，一个伟大的研究将集中在诸多中的方案，而不是一个 单一的解决方案。因此，设计参数标定，完成所有的目标，是困难的，有时是不成功的。 为了克服这一缺点，以帕累托解的搜索技术为基础的多目标优化过程中，似乎是一 个非常有吸引力的办法来处理板材成形工艺设计[8,9]。 本文中数据模拟、 响应曲面法和帕累托解搜索技术的整合被应用于以设计一个 DP600 U 型通道形状的冲压操作。尤其是对作为设计变量的摩擦条件与压边力进行了 优化，以实现两个不同的目标：减少过多的细化和避免由于回弹发生的过度几何扭曲。 [10,11] 优化程序的步骤包括用于在设计领域必要的变量数据鉴定的中心复合设计（CCD） 应用，然后收集由 CCD 所确定的样本数值模拟（显式隐式） ，运行和输出的数据变量。 包括曲面模型的发展的下列步骤解释了终目标，作为函数设计变量和验证的功能。 后，执行为达到设计变量的帕累拖解。其终目的是开发一种能够识别一种分 析过程的加工窗口和减少计算量的预测工具，特别是针对多优化技术或传统的试错方 法。 可实施的程序对许多可能的技术方案进行了研究，网站优化获得了一系列能够满足不同设计 要求的可靠方案。 2．分析过程 所考虑的形成过程是一个旨在获得 S 形 U 型通道的典型冲压 （参考图 1 被调查过程 的素描） 。一个 15 毫米的高度被考虑在内。所利用的材料是一种 1mm 厚的 DP -600 高强 度钢，为了进行以下流动规律的分析，通过在 0°方向开展拉伸试验获得试样：σ =1008 ε 0.169 [兆帕]。 图 1：分析过程示意图 以下是兰克福德的各向异性参数：r0° =0.73; r45°=0.9;r90°=0.93。这个过程是 使用 LS- DYNA 的明码进行的数值模拟，和用 LS - DYNA 的隐式求解进行随后的回弹 分析。 这些数值模型[5]中根据对以往的经验， 利用一个在厚度方向上有 9 个集合点的完整 综合四边形壳单元，在特别是，原始尺寸为 3mm 和三个层次的几何网格调整策略被应 用于数值模拟。在后显示的仿线 高;摩擦的操作考虑一个库仑模式。 为了利用各向同性加工硬化来考虑材料的各向异性 Barlat-Lian 的本构模型[12]。 为了在 隐式模拟下评估回弹实体即利用 CAD 工具与一个参考目标形状进行比较。特别是，计 算这些目标形状和所得到的形状之间的总偏差，（即两个重叠表面之间的正常的距 离）。 3 化问题 该考虑的优化问题是在后部分尽量减少（为了防止开裂）变薄，同时也尽量减少 回弹的发生。因此，在模型阶段的研究问题上两个目标函数被定义为：t％后部分测量 的变薄量和 d [mm]这是后的形状与参考目标形状的偏差。该问题建模还包 括设计变量的定义：在被调查的过程中选择两个设计变量，即摩擦系数（μ ）和压边力 值（BHF[KN]） 其实，与所分析的目标函数变量有关的设计变量的选择，因为这些变量在表中强烈 影响制约力量，在这影响变薄、回弹实体的过程中。一旦进行了优化问题的建模，在摘 要中提出的工作流程按照下列步骤进行： 步骤 1.数值模拟运行的规划是通过适当的实验设计（DOE）定义来实现的； 步骤 2.数据仿真的发展，根据所设计的 DOE； 步骤 3 运用 DOE 的.数字数据收集获得薄度 （t%） 和回弹量 （d） ， 为确定每个条件； 步骤 4.原建模步骤： 作为设计变量的一种功能来描述目标函数， 响应面的分析制定； 步骤 5.响应精度表面所获得的评价，运用实际数值通过响应表面的误差预测（像关 于适当选择设计领域的点的评估的发展）； 步骤 6.ε -约束法的应用， 以执行一个多目标优化， 即以确定 Pareto 解决方案。 步骤 1 被认为是，中央综合设计（CCD）的建筑被选定来设计一系列的实验/模拟， 实际上，为适合二阶响应面，这是有利的做法之一。特别是，表 1 所示的实验设计是 为两个设计变量制定的。 表 1：设计变量的使用水平 设计变量 -ａ ? 0..092 压力边 [kN] 64 DOE 水平 0 0.12 120 -1 0.1 80 1 0.14 160 ａ 0.148 176 在不同的设计变量中，进行模拟设计，获得薄度（t％）和回弹量（d） 。图 2 显示了回弹的数值分布，图 3 显示了 DOE 的一个模拟细化分配，特别是μ =0.12 和 BHF=120 [KN]。 图 2：回弹分布（d[mm]）图 3：细化分布（t[％]） 4 讨论的结果和结论 一旦设计的数据模拟被开发出来， 步骤 4 和 5 的程序也被开发出来和有两个目标函 数决定两个反应表面（参考图 4 和图 5 分别为响应面的细化和回弹，所有值正常化）。 通过一个“启发式”回归法（在 Minitab 的环境下开发的）获得的反应函数，随后排 除在统计上较少的显著的因素[13]。这类程序导致了细化的一个三阶多项式函数，并为 回弹的两个二阶一项函数提供非常满意的相关系数。用 t%和 d 的预测值和实际值的对 比对所得方程进行预测误差测量，这样的测试表明了两个表面良好的预测能力。一旦响 应表面有效性进行了测试，就可进行 Pareto 解测定。用于确定 Pareto 解决方案技 术是ε -约束法。特别是，在 ε-约束方法的发展上，选择细化功能作为进行优化的主要 功能。测定由此产生的 Pareto 曲线，通过绘制 t%和 d 的曲线表示 Pareto 边界，发表 在图 6 上。得到的边界是一种有效的设计工具，因为它提供了 Pareto 解集：通过 确定一个理想水平的细化，例如可能预见被期望的可能回弹水平。此外，网站优化对一些属 于 Pareto 边界的点进行了数值复制（例如，在图 6 中看到的 点 1 到 3）。3 个 Pareto 点所对应的结果，在图 7 中作为回弹表示；在图 8 中作为细化表示。 图 4：响应表面细化 图 5：响应表面回弹图 6：帕累托边界 此外，对于属于 Pareto 边界每一个点，它可以知道哪个组合设计变量（压边力和 摩擦系数的值）对应于给定的细化和回弹的水平。因此，可以考虑把所获得的曲线作为 一种设计工具，用一个可达到的目标中的设计结果定义设计变量。 表 3 显示了所选择的点设计变量的值。 所得到的值与相应细化和回弹的发生是非常相互 一致的。这种考虑允许评估开发设计工具的有效性。事实上，得到的结果证明了该方法 的有效性。 表 2： Pareto 边界上点 1-2-3 的设计变量 设计变量 1 μ 0.138 BHF[KN] 160 Pareto 点 2 0.125 104 3 0.09 64 图 7：期望的和结果的（回弹效应）形状之间比较，Pareto 边界线：Pareto 边界上点 1-2-3 的分条细化 参考文献 [1] Banu M.，网站优化 Takamura M., Hama T.，Naidim O.，Teodosiu C.， Makinouchi A： 在冲压过程中双相钢轨形件回弹和起皱仿线] Koc M.,Chen P.:先进高强度钢的成形回弹变化模拟研究。材料加工技术杂志 190： 189-198，2007。 [3] Asgari M.，Pereira B.F.，Rolfe M.，Dingle P.D，Hodgson S.A.:板材成型和 回弹分析的有限元模仿真统计分析。材料加工技术杂志 203：129-136，2008。 [4] Xu W.L., Ma C.H., Li C.H. Feng W.J.:板料成形回弹模拟的敏感因素 材料 加工技术杂志，151：217-222，2004。 [5] Fratini L., Ingarao G., Micari F.: 在金属板材三维成形回弹预测过程。国际 钢铁研究，2008 年。 [6] A. Faust, K. Roll.:采用先进材料模具的现代高强度钢的数值回弹评价。 Numisheet 第七次会议发表，页 503-507，2008。 [7] A. Mangas, A. Arroyo, I. Fernandes, B.Gonzalez：通过基于经验的实验的优 化程序提高回弹有限元数据模拟。IDDRG 会议的会议记录，页 153-160，2006。 [8] Messac A., Mullur A.A.:一种计算高效率的元建模方法，为昂贵的多目标优化。 优化工程，9：37-67，2008。 [9] Marler T. R., Chang-Hwan K., Arora J. S.: 使用多目标优化的辨别系统来简 化复杂模型。Comput. Methods Appl. Mech. Engrg, 195：4383-4395，2006。 [10] 2007。 [11] Firat M.: U 型通道的形成与回弹变形的重点分析。材料和设计，28:147-154， Papeleux L., Ponthot J.P.: 在金属板料成形过程中回弹的有限元模拟。兵器 材料加工技术，125-126：785-791，2002。 [12] Barlat F., Lian F. J.: 塑料板材的成形和拉伸部分.在平面应力条件下屈 服函数的正交异性表。可塑性的国际杂志，5：51-66，1989。 [13] Myers R.H., Montgomery D.C.: 响应曲面法的工艺和使用自行设计实验的产品优 化。John Wiley 和 Sons ，纽约，美国，第二版。 2002。
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