專題 | DEFORM軟件DOE/OPT技術(shù)在螺栓成形工藝中的應(yīng)用

2018-01-15 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

螺栓是機(jī)械構(gòu)件中廣泛采用的一種連接零件,其加工工藝及模具設(shè)計(jì)以往都是根據(jù)工程師經(jīng)驗(yàn),通過(guò)反復(fù)試模和調(diào)整工藝方案來(lái)進(jìn)行的。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展,利用有限元模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)廣泛用于金屬成形和熱處理工藝中。計(jì)算機(jī)模擬仿真可以有效降低成本,縮短生產(chǎn)周期,為模具設(shè)計(jì)和工藝方案的制定起到指導(dǎo)作用。但是有限元模擬技術(shù)只能對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)的成形方案進(jìn)行評(píng)估,它并不能直接給出成形工藝的最優(yōu)方案,所以SFTC公司將DOE/OPT優(yōu)化技術(shù)嵌入DEFORM軟件中,以便在模擬仿真環(huán)境下使輸出響應(yīng)不斷地得到改進(jìn),從而可以實(shí)現(xiàn)成形工藝方案的自動(dòng)優(yōu)化。DOE/OPT技術(shù)就是從可能值中找到最佳工藝設(shè)計(jì)變量,使得輸出結(jié)果為最優(yōu)解或滿意解的過(guò)程,使用戶可以更加容易地獲得設(shè)計(jì)規(guī)律和最佳工藝方案。

本文采用DEFORM軟件對(duì)螺栓成形工藝進(jìn)行了分析,并運(yùn)用DOE/OPT技術(shù)對(duì)成形工藝方案自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì),最終獲得設(shè)計(jì)規(guī)律和最佳工藝方案。

1 有限元模擬

螺栓成形工藝較為復(fù)雜,一般為多工步成形,其成形工藝流程:預(yù)成形—頂鐓—終鍛。根據(jù)螺栓幾何及成形特點(diǎn),模擬仿真過(guò)程中坯料和模具的幾何可以簡(jiǎn)化為2D模型。DEFORM MO模塊多工步成形仿真前處理設(shè)置如下圖所示:

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MO模塊前處理設(shè)置

2 DOE/OPT優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用DOE/OPT技術(shù)對(duì)螺栓成形工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),獲得設(shè)計(jì)規(guī)律和最佳工藝方案。在MO集成環(huán)境中添加DOE分析,將預(yù)成形下模內(nèi)傾角和內(nèi)圓角,坯料直徑和高度(同時(shí)保持坯料體積不變及坯料外徑和下模具內(nèi)徑相等);頂鐓工步上模內(nèi)傾角及深度(保持內(nèi)腔體積不變),上、下模具間距等設(shè)置為設(shè)計(jì)變量;螺栓終鍛成形完成后,其關(guān)心區(qū)域的最大等效應(yīng)變作為目標(biāo)變量。期望最大等效應(yīng)變最小,避免開裂,提高產(chǎn)品質(zhì)量。設(shè)計(jì)變量設(shè)置如下圖所示:

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預(yù)成形下模內(nèi)傾角和內(nèi)圓角坯料直徑及高度

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頂鐓上模內(nèi)傾角及深度頂鐓上、下模具間距

將終鍛坯料關(guān)心區(qū)域的最大等效應(yīng)變?cè)O(shè)置為目標(biāo)變量,如下圖所示。

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目標(biāo)變量設(shè)置

3 結(jié)果

采用全因素樣本法,自動(dòng)生成135組成形工藝方案。計(jì)算完成后,通過(guò)DOE專業(yè)后處理器可以獲得各種優(yōu)化結(jié)果。

分析設(shè)計(jì)變量對(duì)最大等效應(yīng)變的影響,繪制Tornado圖和2D響應(yīng)面如下:

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Tornado圖 2D響應(yīng)面

由上圖可知,最大等效應(yīng)變與坯料直徑成反比,而與預(yù)成形下模內(nèi)傾角和內(nèi)圓角及頂鐓上模內(nèi)傾角等成正比;第一主要因素是坯料直徑,第二主要因素是頂鐓上模內(nèi)傾角,而且只有當(dāng)坯料直徑最大和頂鐓上模內(nèi)傾角最小時(shí),最大等效應(yīng)變最小。

通過(guò)分析DOE列表結(jié)果,第39組工藝方案最大等效應(yīng)變最小,同時(shí)總成形力最小,為最佳工藝方案。列表結(jié)果及最大等效應(yīng)變分布如下圖所示: