應(yīng)力松弛成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化.pdf

1、應(yīng)力松弛成形技術(shù)工藝簡(jiǎn)單、殘余應(yīng)力小而且成形過程中能夠顯著提高材料機(jī)械性能，因此比較適合用于制造飛機(jī)蒙皮和機(jī)翼壁板等大型承載結(jié)構(gòu)件。目前，國(guó)內(nèi)的應(yīng)力松弛成形技術(shù)還處在試驗(yàn)研究階段，由于對(duì)噪聲因素（熱壓罐升溫速率）的影響缺少研究，在批量生產(chǎn)過程中容易出現(xiàn)由于升溫速率波動(dòng)導(dǎo)致的材料過時(shí)效及成形精度誤差比較大等質(zhì)量問題。此外，由于框板式模具缺乏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，模具型面精度難以保證，也給應(yīng)力松弛成形造成不利影響。
　　針對(duì)上述問題，本文提出了應(yīng)

2、力松弛成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)及框板式模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，分別從以下幾個(gè)方面展開研究：
　?。?）針對(duì)熱壓罐升溫速率波動(dòng)容易造成的成形質(zhì)量問題，提出了基于容差模型和穩(wěn)健支持向量回歸算法的應(yīng)力松弛成形工藝參數(shù)優(yōu)化方法，并給出了一種改進(jìn)的容差計(jì)算方法。該方法首先建立了工藝參數(shù)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以塑性應(yīng)變的倒數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，以材料性能提升率為優(yōu)化約束函數(shù)；建立了優(yōu)化目標(biāo)響應(yīng)曲面、優(yōu)化約束響應(yīng)曲面以及優(yōu)化約束容差響應(yīng)曲面，利用后兩者計(jì)算得到穩(wěn)健工藝可行域

3、；最終在可行域內(nèi)求解得到優(yōu)化目標(biāo)最小值及最優(yōu)工藝參數(shù)。應(yīng)力松弛試驗(yàn)結(jié)果表明：采用優(yōu)化工藝參數(shù)的試驗(yàn)件全部滿足約束條件，同時(shí)目標(biāo)函數(shù)由986降低到752，塑性應(yīng)變由0.101％提高到0.133%，工藝參數(shù)逐漸逼近最優(yōu)值。
　?。?）為了提高響應(yīng)曲面精度，提出了考慮輸入帶有球體擾動(dòng)的穩(wěn)健ε-支持向量回歸算法，推導(dǎo)并給出了兩個(gè)求解凸二次規(guī)劃問題的重要結(jié)論：a)證明穩(wěn)健ε-支持向量回歸模型中的凸二次規(guī)劃問題可以轉(zhuǎn)化為二階錐規(guī)劃問題；b)證

4、明通過求解二階錐規(guī)劃問題的對(duì)偶問題可以求得穩(wěn)健ε-支持向量回歸模型的最優(yōu)解。此外，論文給出了懲罰參數(shù)C的選取方法以及預(yù)測(cè)誤差的非參數(shù)假設(shè)檢驗(yàn)方法。兩組數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該算法對(duì)于解決線性和非線性回歸問題具有很好的精度。
　　（3）本文提出了應(yīng)力松弛成形保溫時(shí)間調(diào)節(jié)算法，通過第二次參數(shù)設(shè)計(jì)來提高產(chǎn)品優(yōu)化目標(biāo)的穩(wěn)健性。首先，在優(yōu)化工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了四組應(yīng)力松弛試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：升溫速率與應(yīng)力松弛量之間存在非線性關(guān)系；保溫時(shí)間與應(yīng)

5、力松弛量之間存在顯著的線性關(guān)系；在成形過程中升溫速率應(yīng)盡量平穩(wěn)一致，降溫速率應(yīng)當(dāng)控制在0.73℃/min以下。其次，利用穩(wěn)健支持向量回歸算法建立升溫速率及保溫時(shí)間與應(yīng)力松弛量之間的函數(shù)關(guān)系，并由此給出彈性保溫時(shí)間計(jì)算方法。最后，以不同升溫速率應(yīng)力松弛試驗(yàn)為例，進(jìn)行固定保溫時(shí)間和彈性保溫時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：兩種不同保溫方法的塑性應(yīng)變均值比較接近，但是采用彈性保溫時(shí)間方法的塑性應(yīng)變方差比前者小了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這說明保溫時(shí)間調(diào)節(jié)算法能夠降低

6、升溫速率波動(dòng)對(duì)塑性應(yīng)變的影響。
　　（4）本文提出了基于時(shí)域采樣和頻域分析的框板式模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。該方法利用信息采樣的思想描述框板式模具型面的離散過程，采用離散Fourier變換將模具型面變換到頻域，由采樣定理確定的采樣頻率閾值計(jì)算出框板式模具肋板間距，由模具型面上的端點(diǎn)、曲率拐點(diǎn)或曲率最大值點(diǎn)確定肋板位置，根據(jù)肋板間距和肋板位置給出肋板寬度，最終完成框板式模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　通過兩組實(shí)例驗(yàn)證了該方法的有效性。1）以W形模

7、具型面為例，有限元結(jié)果表明：與基于經(jīng)驗(yàn)法的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相比，采用基于頻域分析法的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料節(jié)省率ηυ由43.31%提高到56.86%，同時(shí)模具型面的誤差范圍由0.118mm下降到0.056486mm。在同樣采用基于頻域分析法的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的情況下，當(dāng)肋板沿著曲率比較大的方向布置時(shí)，模具的材料節(jié)省率ηυ進(jìn)一步提高到65%，模具型面誤差范圍減小了0.005086mm，且誤差分布更加均勻，這說明肋板沿著模具型面曲率比較復(fù)雜的方向布置比較

8、有利。2）以飛機(jī)整體壁板的球形模具型面為例，有限元模擬結(jié)果表明，模具型面誤差范圍為-0.0509mm~+0.0788mm，優(yōu)化后的模具材料節(jié)省率為41.03%。飛機(jī)整體壁板應(yīng)力松弛成形實(shí)驗(yàn)表明，成形后的零件誤差控制在-0.5mm～+0.5mm以內(nèi)，這說明本文提出的基于頻域分析法的框板式模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)于提高模具型面精度和材料節(jié)省率十分有效。
　　綜上所述，本文提出的應(yīng)力松弛成形工藝穩(wěn)健設(shè)計(jì)及框板式模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法解決了批量生產(chǎn)過