冷锻模具的有限元分析及优化设计

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摘要：在日新月异不断发展的科学技术的推动下，计算机付出工程分析技术得以诞生，它是建立在数值仿真技术和计算机信息技术基础之上的一门综合性学科，凭借突出的特性，它受到了模具加工成型行业工工作人员的广泛欢迎。被简称为模具CAE的运用于成型加工和模型行业的计算机辅助工程是广义模具的重要组成部分之一，更成为了该行业的研究热门。为此，本文为了保证结果的准确性选择了从计算机辅助工程中的有限元分析法出发，将有限元分析法运用到对空间的数值模拟过程中，在对当前冷锻模具中运用的有限元分析进行科学的总结之余，推测出有限元分析法优化设计的未来走向。

关键词 冷锻模具;有限元;优化设计

传统的理论基础、行业作业要求和积累的操作经验是以往分析模具的设计和成形工艺过程的三大凭借手段，然而无论实在传统理论基础中被简化的变形条件和过程还是无法进行准确衡量的操作经验，亦或时间限制极强的行业标准都会对实际的设计结果产生严重干扰。不仅如此，以往设计模具的过程也过于繁琐，过长的时间要求和过多的实验次数有时候不仅会使得最终无法完成预期的效果，甚至会对模具造成不可逆的损坏。而出于模具和工艺的稳定性和安全度方面考虑，工作人员在制定设计方案的过程中过于保守的态度也会导致制作环节过多，进而增大了模具的整体尺寸。所以为了满足日新月异的社会需求，有限元分析法得以诞生，它的运用正推动着模具成加工的现代化进程。

1.有限元分析概述

伴随着近年来有限元数值分析模拟技术的不断发展与完善，它已经被成功地运用到了冷锻成形工艺行业了。不管是流动金属对模具产生的受力、应变还是应力亦，亦或导致的锻件故障和模具失灵等数据，都可以通过将有限元数据模拟技术确定适当的边界条件和建模等手段得到，最终凭借这些数据都是保证模具结构合理性、材料选择的科学性以及成形工艺方案成功完成。所以，模型设计分析中有限元分析方法的运用不仅可以大幅度提高模具的开发进程，还为模具设计提供了高质量的保障。在有限元分析法的帮助下，将极大地节省人员和财力成本，让模具设计行业摆脱以往的经验主义的束缚，向着科学设计的方向快速发展。

2.有限元分析的优化技术

建立在目标函数值之上的拟合优化法和极具灵敏度分析的优化法是优化有限元分析的方法中最为突出的两种。

2.1基于目标函数值的拟合优化法

拟合优化法是从外推法演变而来的，在运用这一方法对有限元分析法进行优化的过程中，设计变量与目标函数所对应的关系是通过函数插值的方式进行近似模拟的，而最终的实际函数的极值也是用前面差值函数获得的近似函数关系的极值进行计算的。而凭借有限元程序即可对拟合优化法运用于优化锻造工艺的参数过程中的目标函数值进行计算。

经过近几年的发展，得益于有限元分析软件在锻造成型过程中的数值模拟环节的应用，优化算法与有限元程序在建立在目标函数值基础之上的拟合优化方法的帮助下，已经可以实现独自工作了，并且快速地得出诸如应变和应力方面的数值信息。所以，在有限元分析软件极为突出的商用特性的帮助下，基于目标函数值的拟合优化分析法的适用范围极为广泛，能够满足各种类型的锻造成型工艺需求。但是，由于它在解决拟合问题的过程中需要较长的收敛时间，有时根据还需要不可避免的要进行多种设计变量取值，从而极易引发诸如适合性和确定性之类的问题，导致拟合过程无法顺利完成。

2.2基于灵敏度分析的优化设计法

不同于拟合优化法，在实施建立在灵敏度分析基础之上的优化方法时，第一步便是找到设计过程中的变量和目标函数，并推导出变量与目标函数的映射关系，然后进一步用导数公式将设计变量的灵敏度与目标函数之间关系表达出来，并将已有的设计变量数据带入到该导数公式中获得灵敏度范围。最后在设计变量最佳方向的定位过程中借助于优化算法，计算出更为准确的相关设计变量，再重复前面的灵敏度范围计算，一直计算到最终优化迭代出现收敛为止。

得益于梯度型优化方法的特性，建立在灵敏度分析基础之上的优化方法相比于基于目标函数值的拟合优化法具有高速收敛的突出优点。尽管伴随着冷锻模具行业对它的不断深入的研究以及运用，该优化方法近年来已经小有成就，但仍然无法回避推到设计变量的灵敏度与目标函数之间关系的导数公式在要求较为高的金属塑性成型过程中的难度系数，不仅如此，还需要在数值分析的程序代码中加入对完成灵敏度范围确定的程序代码，而这一过程将为工作带来庞大的工作量，这些都对基于灵敏度分析的优化方法的适用范围造成了严重的束缚。

鉴于锻造成形过程的复杂性，虽然近年来建立在有限元分析的锻造工艺的优化技术无论是在应用还是研究领域，都取得了不菲的成绩，却仍未能发生质的飞跃。在以后的锻造成形中，更应该将变形力、变形是否均匀以及质量和结构是否合理作为理想锻件的衡量标准和生产目标，进一步优化锻造过程。

3.总结

综上所述，我国飞速发展的市场经济为制造业带来机遇的同时，也带来了激烈的市场竞争，小投入、快生产和高品质成为了我国制造业的发展趋势。然而对于在锻造行业而言，只有在锻造工艺过程中，不断优化各种参数，降低它们对锻件质量造成的影响，才能跟上制造业的发展脚步。但是，以往的优化方法早已无法满足各类参数的优化需求，取而代之的是以有限元为代表的数值模拟分析法。由此可以看出，建立在有限元分析基础之上的优化方法的运用将成为冷锻模具工艺的未来走向。

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作者简介：

张耀华（1986.9-），男，汉族，广东顺德人。2007年毕业于顺德职业技术学院，数控与模具制造专业。2007年就职于佛山市富合汽车工业配件有限公司，产品工程师，研究方向：挂车后桥车轴。