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引言
長(cháng)期以來(lái)，成形工藝和模具的設計以及工藝過(guò)程分析主要的依據是積累的實(shí)際經(jīng)驗、行業(yè)標準和傳統理論。但由于實(shí)際經(jīng)驗的非確定性、行業(yè)標準的實(shí)效性，以及傳統理論對變形條件和變形過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，因此，對復雜的模具設計往往不容易獲得滿(mǎn)意的結果，使得調試模具的時(shí)間長(cháng)，次數多，甚至導致模具的報廢。通常情況下，為了保證工藝和模具的可靠與安全，多采用保守的設計方案，造成工序的增多，模具結構尺寸的加大。現代成形加工與模具正朝著(zhù)高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、節省資源等方向發(fā)展，因此傳統的設計方式已遠遠無(wú)法滿(mǎn)足要求。計算機技術(shù)的出現和發(fā)展以及工程實(shí)踐中對數值分析要求的日益增長(cháng)，發(fā)展起來(lái)了有限元的分析方法。有限元自1960年CLOUGH 首次提出后，獲得了迅速的發(fā)展。下面我們共同討論有限元數值模擬分析技術(shù)。
1 、有限元數值模擬分析技術(shù)
塑性成形的工藝設計和模具設計一直采用傳統的憑經(jīng)驗、實(shí)驗方法。這種設計方法難以滿(mǎn)足制造工藝的要求。隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展和70年代塑性有限元理論的發(fā)展，許多塑性成形過(guò)程中很難求解的問(wèn)題可以用有限元方法求解。
有限元數值模擬技術(shù)用于檢驗工藝和模具設計的合理性已經(jīng)在冷鍛成形工藝領(lǐng)域得到了足夠體現。通過(guò)建模和合適的邊界條件的確定，有限元數值模擬技術(shù)可以很直觀(guān)地得到金屬流動(dòng)過(guò)程的應力、應變、模具受力、模具失效情況及鍛件可能出現的缺陷情況。這些重要信息的獲得對合理的模具結構，模具的選材、熱處理及成形工藝方案的最終確定有著(zhù)重要的指導意義。
針對運用有限元數值模擬技術(shù)可用于檢驗工藝和模具設計的合理性，提出了一種由空心坯成形直齒圓柱齒輪的新工藝：預鍛分流區-分流終鍛，用三維有限元數值模擬進(jìn)行了有限元分析研究，得到了鍛造載荷-行程曲線(xiàn)以及整個(gè)成形過(guò)程的應力、應變、速度分布等，并與傳統的閉式鐓擠工藝模擬的結果進(jìn)行了比較。分析表明, 傳統的閉式鐓擠成形直齒圓柱齒輪，成形載荷大，不利于齒形的充填。采用預鍛分流區-分流終鍛新工藝，可以大幅度降低成形載荷，并明顯改善材料的充填性, 可以獲得齒形角部飽滿(mǎn)的齒輪。用三維大變形彈塑性有限元法對齒輪冷精鍛成形過(guò)程進(jìn)行了數值模擬，對以閉式模鍛為預鍛和以閉式模鍛、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形模式的變形流動(dòng)情況進(jìn)行了有限元數值模擬分析。分析結果及工藝實(shí)驗表明在終鍛中采取分流,尤其是約束孔分流措施對于降低工作載荷和提高角隅充填能力等方面十分有效。
由此可見(jiàn)，采用有限元分析方法進(jìn)行模具設計分析，大大節省了開(kāi)發(fā)時(shí)間，提高了設計質(zhì)量，為我們提高了效率、增加了塑性成形中模具工藝的精確性和安全性。從而使整個(gè)設計模式從經(jīng)驗設計向科學(xué)設計轉變。
2 、優(yōu)化技術(shù)的引入
從實(shí)際應用的角度來(lái)看，基于有限元分析的優(yōu)化方法中最具代表性的方法有基于靈敏度分析的優(yōu)化方法和基于目標函數值的擬合優(yōu)化方法兩種。
基于靈敏度分析的優(yōu)化設計方法屬于梯度型優(yōu)化設計方法。該方法在具體實(shí)施時(shí)，首先確定目標函數和設計變量，然后找出它們之間的關(guān)系，推導目標函數對設計變量的靈敏度—導數公式，根據設計變量的現有值求解出這些靈敏度信息，再利用優(yōu)化算法確定設計變量的最優(yōu)搜索方向，得到更優(yōu)的設計變量，再求解靈敏度信息，如此反復，直到優(yōu)化迭代收斂。
基于目標函數值的擬合優(yōu)化方法來(lái)源于外推法。這種方法用簡(jiǎn)單的插值函數來(lái)近似逼近目標函數和設計變量之間的函數關(guān)系，通過(guò)求解這個(gè)近似函數的極值點(diǎn)來(lái)逼近真實(shí)函數的極值點(diǎn)。該方法用在鍛造工藝參數優(yōu)化時(shí)，目標函數值是通過(guò)有限元程序來(lái)實(shí)現的。
目前， 一些通用的有限元分析軟件如(DEFORM、Marc)已廣泛應用于鍛造成形過(guò)程的數值模擬，可十分方便地計算出應力、應變等信息，因此，基于目標函數值的擬合優(yōu)化方法可使有限元程序與優(yōu)化算法分離，適合不同的鍛造成形工藝，對于鍛造成形過(guò)程的參數優(yōu)化比較方便。
雖然基于有限元分析的鍛造工藝優(yōu)化技術(shù)的研究與應用已取得了不少成果，但目前仍處于起步階段。從目標函數的構建、優(yōu)化設計變量的選取到優(yōu)化方法的具體應用可以看出,該領(lǐng)域的研究還存在一些問(wèn)題。
（1）基于靈敏度分析的優(yōu)化方法的研究和應用已取得了不少的成果，由于該方法屬于梯度型優(yōu)化方法，因此其收斂速度比較快。但它在實(shí)際的應用中還存在一些缺點(diǎn)：在優(yōu)化設計過(guò)程中需要求解目標函數相對于優(yōu)化設計變量的靈敏度信息(即導數)，對于復雜的金屬塑性成形過(guò)程的靈敏度信息的推導困難。該方法要求將求解靈敏度信息的程序代碼嵌入到數值分析程序代碼中，需要編寫(xiě)有限元分析代碼和優(yōu)化算法代碼，編程工作量大。同時(shí)該方法優(yōu)化程序通用性差。
（2）基于目標函數值的擬合優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)化算法與有限元程序分離，可充分利用功能強大的商用有限元分析軟件的優(yōu)勢，該方法的通用性較強。它的主要缺點(diǎn)是收斂速度比較慢，同時(shí)由于在擬合問(wèn)題中，但設計變量取得較多時(shí)，會(huì )出現許多復雜的問(wèn)題如適定性問(wèn)題，使得擬合過(guò)程失敗。
（3）鍛造成形是一個(gè)復雜的過(guò)程，其理想鍛件不僅應具有符合設計要求的精確外形，而且應具有均勻的變形、合理分布的變形力和理想的質(zhì)量（無(wú)宏觀(guān)和微觀(guān)缺陷）等。上述各個(gè)方面，都是鍛造生產(chǎn)所追求的目標，因此對鍛造過(guò)程優(yōu)化設計進(jìn)行多目標優(yōu)化十分必要。目前這方面的研究比較少。
3 、結語(yǔ)
隨著(zhù)競爭的日益加劇，低成本、高質(zhì)量和高效率是制造業(yè)所追求的目標。在鍛造行業(yè)，為提高設計效率、降低制造成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量，必須對鍛造工藝過(guò)程中影響鍛件質(zhì)量的各項工藝參數進(jìn)行優(yōu)化。由于鍛造變形是一個(gè)十分復雜的問(wèn)題，對于其工藝參數的優(yōu)化采用傳統的設計方法很難達到預期的效果，隨著(zhù)計算機技術(shù)和塑性有限元理論和技術(shù)的不斷發(fā)展和日益完善，以有限元法為代表的數值模擬方法已廣泛應用于各種金屬成形問(wèn)題的求解分析。因此，基于有限元分析的優(yōu)化設計方法在冷鍛成形工藝/模具設計中的應用不僅是可能的，也是一種必然趨勢。
