虚拟试验体系在金属体积成形中的应用研究(二）

作者:xingyang                         时间：2010-12-02

轴承及轴承相关技术文章（轴承型号查询网提供） 关键字：轴承, 　　3.3体积成形工艺知识库框架的构建　　体积成形工艺的确定是体积成形设计的基础，它决定了该产品在体积成形过程中工装的数量和形状。体积成形一般包括该工件的成形工步、是否需要制坯以及制坯时材料的分布、各工步所需要的工装、需要采用设备吨位、以及下料规格等；应考虑锻模的分型面、锻模模腔排布、模腔壁厚、飞边槽结构及尺寸、是否需要顶杆等。所需要的数据可以从体积成形工艺知识库中获得，如锻件材料的性能数据、虚拟设备试验数据、摩擦与润滑、锻件设计、工艺设计和模具设计过程中所需要的设计准则、设计标准和设计参数等。　　3.4虚拟试验分析，设计神经网络，优化模具参数　　使用有限元分析和神经网络，可以有效地预测模具的几何形状，使模具的设计效果最优化，同时可以预防金属体积成形中缺陷的产生。由神经网络优化而得的参数被用于预测任选锻件的型腔填满情况，也可以用最终产品的几何形状进行反向模拟预测模具的几何形状。　　目前，国际上出现的金属成形有限元商品化软件，如：DEFORM，ANTARES，DYNAFORM，MARC/SuperForm等已应用于生产实际，但后处理界面并不友好，且难以集成到虚拟试验体系当中，因而需对有限元后处理进行可视化研究，采用Visual C++等开发工具，借助OpenGL图形接口，实现网格变形图、等值线(应力、应变、应变率、速度)、彩色云图、速度矢量图、压力和行程曲线图。　　同时在可视化平台上嵌入专家评价和确认工具，对试验模拟采用的模具、工艺进行评价。　　3.5网络化研究　　异地协同设计、网络数据共享、批注；建立虚拟试验平台，实现各模块之间的数据接口及系统集成。网络化是当前计算机辅助设计的关键技术，也是体积成形虚拟试验的迫切需要。当前的PDM基本实现了网络功能，利用其特有的功能实现共享零件数据库和产品数据库的管理，实现装备性能分析数据和产品信息的存档、加工模拟动画演示、零件成形动画演示、试验报告在线浏览等功能，图2显示了金属体积成形虚拟试验协作模型。　　4关键技术　　金属体积成形虚拟试验体系应用的范围将非常广泛，体系平台囊括了多常科的技术平台，包括CAD、虚拟样机、控制系统、最优化、网络技术、有限元、数据库、知识库、图形学等多方面技术，以下为几种相关的主要关键技术：　　1)建立具有物理属性的虚拟试验模型；2)体积成形工艺知识库框架的构建(材料的性能数据、虚拟设备试验数据、摩擦、锻件设计、成形工艺设计和模具设计过程中所需要的设计准则、设计标准和设计参数等)；3)体积成形动态仿真模拟，缺陷成因分析与评判；4)基于图像的有限元后处理可视化技术；5)零件数据库的共享技术、权限设置及任务分配；6)协同产品开发环境的体系结构及其数据接口技术；7)金属体积成形标准化聚类研究；8)神经网络在金属体积成形中的应用研究。　　5应用示例及结论　　本文着重于对金属体积成形虚拟体系的研究，为了更形象地表达笔者的构思，笔者设计了一个简单的例子?楔横轧虚拟试验。金属体积成形包括轧制、挤压、拉拔、自由锻、开式模锻、闭式模锻、拉深。楔横轧是一种轴类零件成形新工艺，它在加工阶梯轴类零件时具有高精度、高效、节材等优点，广泛应用于汽车、拖拉机、摩托车等轴类零件毛坯的生产，同时因为楔横轧模具设计困难、工艺过程繁琐、成形几何解析不精确、研制楔横轧机旨用昂贵等特点，因此正符合虚拟试验体系的应用范畴。利用虚拟样机技术设计的仿真样机同楔横轧试验的虚拟场景结合起来，可逼真地实现试验全过程，通过交互改变楔横轧模具的设计参数、温度参数等，可以验证设计方案，从而达到缩短设计周期、降低开发成本、提高产品质量的目的。同时通过有限元模拟，实现加工的全过程模拟，为深入研究楔横轧打下基础。　　从分析虚拟试验的基本过程知，楔横轧设备的设计、模具设计及楔横轧制试验为同步进行，其中，楔横轧虚拟样机要经过概念设计，即初步设计、虚拟样机装配、建议零件库和部件库及楔横轧虚拟设备系统机电一体化仿真等步骤，同时建立楔横轧工艺知识库，指导整个虚拟试验过程的进行，而在另一方面，主要围绕着虚拟成形试验展开，通过神经网络确定楔横轧工艺参数并进行聚类，然后导入到有限元软件中进行数值模拟，得到相关参数，通过参数分析，研究楔横轧成形机理。在虚拟样机的设计过程中实现协同化设计、实现异地共离网络平台，并通过Java与VRML技术及目前广泛应用的CAD浏览器插件实现协同。将有限元结果的可视化置于网络平台，实现在线专家工具评测，验证样机、模具、工艺的合理性。　　还包括工具知识库、在线提交、协同设计和分析模块及成形过程几何解析形状等几个模块。其中工艺知识库对楔横轧成形模具设计和成形模拟尤为重要，相关部分包括模具参数(如成形角、展宽角、断面收缩等)、单元类型及大小、初始条件(接触状态、节点温度等)、材料模型(杨氏模量、泊松比、质量密度、屈服应力及剪切模量等)、接触定义(旋转中心、速度、摩擦系数、位移量及变形类型等)、传热边界条件(环境温度、表面散热系数、热接触传导系数、传热膜系数等)、网格重划标准、加载历程(轧制时间、加载类型、工步数等)以及后处理方式等。　　虚拟试验体系在楔横轧塑性形成中的应用实例克服了传统技术及方法所存在的问题。试验中的数据与通过人工计算的解析值非常接近，所涉及的楔横轧几何解析与Super Form加工模拟结果非常拟合。虚拟试验体系在楔横轧塑性成形中的成功应用，对模具的质量、设计精度及设计效率有很大的提高；同时试验成本大大降低了新产品研发周期缩短，试验平台成功地结合了各学科领域的智能，拒绝“信息孤岛”的存在。

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