應(yīng)力松弛成形工藝穩(wěn)健設(shè)計及模具結(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，國內(nèi)的應(yīng)力松弛成形技術(shù)還處在試驗研究階段，由于對噪聲因素（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)由于升溫速率波動導(dǎo)致的材料過時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)計及框板式模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，分別從以下幾個方面展開研究：
　　（1）針對熱壓罐升溫速率波動容易造成的成形質(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)力松弛試驗結(jié)果表明：采用優(yōu)化工藝參數(shù)的試驗件全部滿足約束條件，同時目標(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的穩(wěn)健ε-支持向量回歸算法，推導(dǎo)并給出了兩個求解凸二次規(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)測誤差的非參數(shù)假設(shè)檢驗方法。兩組數(shù)值實驗結(jié)果表明該算法對于解決線性和非線性回歸問題具有很好的精度。
　?。?）本文提出了應(yīng)力松弛成形保溫時間調(diào)節(jié)算法，通過第二次參數(shù)設(shè)計來提高產(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)計了四組應(yīng)力松弛試驗，試驗結(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間計算方法。最后，以不同升溫速率應(yīng)力松弛試驗為例，進(jìn)行固定保溫時間和彈性保溫時間對比試驗，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間方法的塑性應(yīng)變方差比前者小了一個數(shù)量級，這說明保溫時間調(diào)節(jié)算法能夠降低

6、升溫速率波動對塑性應(yīng)變的影響。
　?。?）本文提出了基于時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算出框板式模具肋板間距，由模具型面上的端點、曲率拐點或曲率最大值點確定肋板位置，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。
　　通過兩組實例驗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)驗法的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計相比，采用基于頻域分析法的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計材料節(jié)省率ηυ由43.31%提高到56.86%，同時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)計的情況下，當(dāng)肋板沿著曲率比較大的方向布置時，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)力松弛成形實驗表明，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)計及框板式模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法解決了批量生產(chǎn)過