技術分享 | DEFORM軟件DOE/OPT技術在螺栓成形工藝中的應用

2018-03-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

螺栓是機械構件中廣泛采用的一種連接零件,其加工工藝及模具設計以往都是根據工程師經驗,通過反復試模和調整工藝方案來進行的。隨著有限元技術的發展,利用有限元模型進行模擬實驗已經廣泛用于金屬成形和熱處理工藝中。計算機模擬仿真可以有效降低成本,縮短生產周期,為模具設計和工藝方案的制定起到指導作用。但是有限元模擬技術只能對預先設計的成形方案進行評估,它并不能直接給出成形工藝的最優方案,所以SFTC公司將DOE/OPT優化技術嵌入DEFORM軟件中,以便在模擬仿真環境下使輸出響應不斷地得到改進,從而可以實現成形工藝方案的自動優化。DOE/OPT技術就是從可能值中找到最佳工藝設計變量,使得輸出結果為最優解或滿意解的過程,使用戶可以更加容易地獲得設計規律和最佳工藝方案。

本文采用DEFORM軟件對螺栓成形工藝進行了分析,并運用DOE/OPT技術對成形工藝方案自動優化設計,最終獲得設計規律和最佳工藝方案。

1 有限元模擬

螺栓成形工藝較為復雜,一般為多工步成形,其成形工藝流程:預成形—頂鐓—終鍛。根據螺栓幾何及成形特點,模擬仿真過程中坯料和模具的幾何可以簡化為2D模型。DEFORM MO模塊多工步成形仿真前處理設置如下圖所示:

MO模塊前處理設置

2 DOE/OPT優化設計

運用DOE/OPT技術對螺栓成形工藝進行優化設計,獲得設計規律和最佳工藝方案。在MO集成環境中添加DOE分析,將預成形下模內傾角和內圓角,坯料直徑和高度(同時保持坯料體積不變及坯料外徑和下模具內徑相等);頂鐓工步上模內傾角及深度(保持內腔體積不變),上、下模具間距等設置為設計變量;螺栓終鍛成形完成后,其關心區域的最大等效應變作為目標變量。期望最大等效應變最小,避免開裂,提高產品質量。設計變量設置如下圖所示:

預成形下模內傾角和內圓角 坯料直徑及高度

頂鐓上模內傾角及深度 頂鐓上、下模具間距

將終鍛坯料關心區域的最大等效應變設置為目標變量,如下圖所示。

目標變量設置

3 結果

采用全因素樣本法,自動生成135組成形工藝方案。計算完成后,通過DOE專業后處理器可以獲得各種優化結果。

分析設計變量對最大等效應變的影響,繪制Tornado圖和2D響應面如下:

Tornado圖 2D響應面

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

通過分析DOE列表結果,第39組工藝方案最大等效應變最小,同時總成形力最小,為最佳工藝方案。列表結果及最大等效應變分布如下圖所示:

優化結果

4 總結

運用DEFORM軟件DOE/OPT技術對螺栓成形工藝優化設計,不僅幫助工程師快速找到了設計規律,而且也獲得了最佳工藝方案,提高了設計效率,降低了研發成本。

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