Ansys特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究

[6] Powell, M. J. D., The convergence of Variable Metric Methods for Nonlinearly Constrained Optimization Calculations, Nonlinear Programming 3, Academic Press, New York, 1978.
xi = xi−1 + dxi (i = 1,2,3,4,5)
(1)
其中， dxi 为变量，初始值为零， dxi ∈[−2,2] 。
由 0 点至 5 点构成一 B 样条曲线，该样条曲线分别与两端的线段相切。
以 X 方向的最大塑性应变 epplmax 作为约束变量，则约束条件可取为：
1.8 − epplxmax > 0
2.1 问题描述
本节采用基于监控技术的约束变尺度法优化程序 OPTIII[3-11]，基于 ANSYS APDL 语言 编制了二维网格重划分程序，将 ANSYS/LSDYNA 作为有限元子程序调用，对此问题进行 了优化计算。此优化问题不考虑温度效应。这个优化问题具有相当的难度，主要有以下几 个难点：1）有限元计算时间长。调用一次有限元，计算时间长达三、四个小时；2）变形 量大，计算过程中需要进行多次网格重划分；3）设计变量多。这是个形状优化问题，变量 少了无法准确描述毛坯表面的形状；4）两个工步锻造，需要处理好计算中的自动换模具问 题；5）数据接口问题。
[ 关键词 ] 曲轴; 锻造; 优化; 有限元分析; ANSYS
Study on the Process Optimization of Large-scale Crankshafts
[Hu Jinhua] [Yanshan University, 066004]
[ Abstract ] Aiming at the typical defection produced by the bending forging process, an optimization program,
2.2.3 数学优化模型
据上所述，可得此问题的数学优化模型：
[ ] x = x1, x2 , x3, x4 , x5 T
(4)
∑ min： f (dx) = (dyi + dy j )
s.t. g1 (x) = 1.8 − epplxmax
dxi ∈[−2,2]
(i = 1,2,3,4,5)
2.3 优化结果
本文通过大量的数值试验，并对曲柄弯曲锻造所用毛坯形状进行优化计算，以弄清曲 柄弯曲锻造的成形机理以及获得合理形状的毛坯。
曲轴 图 1 某船用曲轴图[1]
曲柄
2 曲柄弯锻工艺优化设计
对于弯锻成形工艺，曲柄毛坯上表面不能简单地采用直线形状，否则将导致多种缺陷。 下面将采用优化的方法对这个问题进行研究。
特大型船用曲轴曲柄锻造工艺优化研究
[胡金华] [燕山大学机械工程学院塑性成形系，066004]
[ 摘 要 ] 针对曲柄弯锻过程中的典型缺陷，采用基于监控技术的约束变尺度法优化程序 OPTIII，将 ANSYS /LSDYNA 作为有限元子程序调用，对曲柄弯曲锻造所用毛坯形状进行了优化计算， 以弄清曲柄弯曲锻造的成形机理以及获得合理形状的毛坯。最后，进行了工艺试验。数值模拟 结果与试验结果比较吻合。
表 1 优化计算过程表
迭代
设计变量
约束函数 目标函数
次数
dx1
dx2
dx3
dx4
dx5
g1(x)
f(dx)
0
0
0
0
0
0
0.25
155Байду номын сангаас2
1
-2
-2
-2
-2
-2
0.298
0.117
2
-1.92
-2
-1.99 -1.89 -1.44 0.161 0.0169
表 1 为优化计算过程表。经过 2 次迭代优化计算收敛(目标函数值 f (x) ＝
0.0169<0.05)， 设计变量优化值为：
dx∗ = [−1.92,−2,−1.99,−1.89,−1.44]T
优化后的毛坯形状如图 4 所示。
图 4 优化后的毛坯形状
2.4 曲柄弯曲锻造工艺试验
以数值模拟为依据，设计了曲柄弯曲锻造成形试验模具。试验用曲柄毛坯(图 5)材料为 铅。试验在 100 吨液压机上进行。试验结果（图 6）证明，采用这种优化后的毛坯(图 4， 图 5)可以消除曲柄弯曲锻造的缺料缺陷。试验结果与数值预测结果吻合较好。
图 5 试验用曲柄毛坯
图 6-a 数值模拟弯曲锻造工件截面图
图 6-b 试验弯曲锻造工件截面图
图 6 结果对比图
3 结论
采用基于监控技术的约束变尺度法优化程序 OPTIII，基于 ANSYS APDL 语言编制了 二维网格重划分程序，将 ANSYS/LSDYNA 作为有限元子程序调用，对曲柄弯锻两步锻造 的毛坯形状优化问题进行了优化计算。工艺实验证实了优化结果的准确性。
平工序，舌板仍然固定不动，压平砧向下运动到给定的位置，实现工件的压平。这样就实 现了弯曲、压平两步锻造的连续计算。
2.2.2 优化变量的设定
图 2 优化初始有限元模型
根据前面的计算分析，可按如下方法设定优化设计变量(图 3):
上表面
下表面
图 3 设计变量的设定
在毛坯的上表面上，以 0 点为基准点，0 点坐标为(0,8)，沿 Y 方向每隔 8 毫米取一个 点，共取五个点，分别为 1,2,3,4,5 点，以这五个点的 X 坐标为设计变量，且:
[4] Wilson, R. B., A simplified Algorithm for Concave Programming, Ph. D. dissertation, Harvard University, Cambridge, MA, 1963.
[5] Han, S. P., A Globally Convergent Method for Nonlinear Programming, J. Opt. Theory Appl. 22(3), pp297~309, 1977.
[参考文献] [1] 武玉波. 船用大型组合式曲轴曲柄锻造工艺的数值模拟及实验研究. 燕山大学硕士学位论文.
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[2] 胡朝备等. 特大型船用曲轴曲拐锻造工艺研究. 一重技术. 1998, (2):18~21.
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1 前言
特大型船用曲轴，受冶炼和锻造能力的限制无法生产整体式曲轴，需要采用组合法生 产，而组合式曲轴生产的难点在于曲柄部件的制造。一般地，大型曲柄有块锻法、环锻法、 模锻法、镦锻法和弯锻法等五种锻造方法。通过对这几种锻造方法在生产成本、产品质量 和设备需求等方面的综合比较，决定选用弯锻法锻制曲柄。文献[2]采用 1:2 的比例对这种 大型曲柄进行了模拟试验研究，试验基本成功，但是仍然存在一定的问题。图 1 为某船用 曲轴图。
2.2 优化模型的建立
2.2.1 优化初始有限元模型
优化初始有限元计算模型如图 2 所示。弯曲、压平这两步工序的模具及其与工件的接 触关系需要在计算开始前全部建立。在弯曲工序计算的过程中，凸模、舌板和压平砧固定， 凹模沿 X 负方向运动，工件在凹模的作用下弯曲变形。凹模到达行程终点之后，弯曲成形 结束。然后让凹模和凸模分别沿 X 正、负方向运动足够的行程，远离工作区；压平砧定位 到变形后的工件上方，压平砧和工件之间仅留一个较小的间隙，从而实现换模。接着是压
[11]
Garcia-Palonmares, U. M., and Mangasarian, O. L., Superlinearly Convergent Quasi-Newton Algorithms for Nonlinearly Constrained Optimization Problem, Math. Programming, 11, 1~13, 1976.
(2)
目标函数为压平工序结束后毛坯上表面与舌板以及毛坯下表面与压平砧之间的间隙之 和，即：
∑ f (dx) = (dyi + dy j )
(3)
其中， dyi 为毛坯上表面节点 i 与舌板之间距离的绝对值； dy j 为毛坯下表面节点 j 与 压平砧之间距离的绝对值。当 f (dx) ≤ 0.05mm 时，求解收敛。
i.e. OPTIII, which was developed based on the constrained variational metric method, was used to implement the shape optimization for the billet. Herein, ANSYS/LSDYNA was called as a subroutine. Finally, the experimental testing was carried out. The results between the simulation and the testing agreed very well. [ Keyword ] Crankshaft Forging Optimization FEA ANSYS