[发明专利]铰链梁锻造工艺参数及中间坯结构设计的双层优化方法

说明书

本发明提出了一种铰链梁结构锻造工艺参数及中间坯结构设计的双层优化方法，首先基于正交试验，联合方差分析方法与极差分析方法建立铰链梁锻造工艺参数的一次优化系统，筛选出最优的锻造工艺参数组合；在此基础上，建立起铰链梁终锻件二次优化的数学模型，通过RBF组合代理模型，结合多目标遗传算法，对铰链梁的中间坯结构进行二次优化，以获得性能和经济效益最优的铰链梁终锻件结构。

技术领域

本发明涉及锻造工艺、优化技术领域，特别是一种铰链梁锻造工艺参数及中间坯结构设计的双层优化方法。

背景技术

铰链梁结构是金刚石压机的关键部件，其制造方式与结构性能直接影响整机的生产与使用性能。金刚石压机的大型化，对铰链梁结构的性能和寿命提出了更高的要求。传统的铰链梁制造方式采用铸造，铸件内部会出现空洞、裂纹等缺陷，导致结构的强度与刚度较低，出现渗漏、掉底或断梁现象，使用寿命较短，造成了巨大的安全隐患，提高了金刚石压机装备的制造成本和生产成本，难以满足金刚石压机装备大型化和高品质的发展趋势。锻造铰链梁结构的强度与刚度较高，能应对铰链梁结构受力情况复杂，能有效消除金刚石压机装备制造过程中的缺陷，满足金刚石压机装备高性能和大型化的发展，保证了金刚石压机装备的安全运行。

铰链梁结构锻造过程中，坯料在成型的同时，通过金属微观晶粒状态细化来改善结构的机械性能。动态再结晶过程是最重要的金属微观组织演变过程，直接关系到终锻件的组织结构和力学性能。中间坯到终锻件过程中结构与工艺参数直接会影响到动态再结晶过程。如果结构与工艺参数不合理，会导致金属微观晶粒细化程度不够，影响到锻件力学性能分布，降低锻件质量和使用寿命。

如果采用圆形坯料直接模具成型，锻造出来的铰链梁结构会存在裂纹、晶粒不均匀等缺陷，造成锻件内部缺陷区域出现应力集中,难以保证锻件的质量。因此，需要根据锻造的工艺参数及锻件结构尺寸参数，设计出合理的中间坯结构。作为锻造工艺最为关键的一步，中间坯的结构尺寸设计直接影响铰链梁结构最终的成型质量，结合数值模拟对锻造工艺参数和中间坯的结构尺寸进行优化，有利于提高终锻件的整体性能。

本发明基于铰链梁锻造结构的宏观特性和微观特性分析构建优化目标函数，建立工艺参数及中间坯结构设计的双层优化方法数学模型，基于极差分析、方差分析、代理模型和多目标遗传算法优化求解，获得满足工作性能的条件下达到最优的锻造效果。

发明内容

针对锻件的锻造工艺参数与中间坯的尺寸结构参数会影响终锻件成型质量，本发明提出了一种铰链梁锻造工艺参数及中间坯结构设计的双层优化方法，建立了锻造工艺参数与初始中间坯料的优化方法，探讨了基于代理模型的锻件中间坯结构的尺寸参数与终锻件宏观结构与微观结构的优化设计模型，研究中间坯的结构参数与终锻件的力学性能之间的影响关系，结合寻优算法获得最优的二次优化设计方法，实现锻件的整体性能提升及锻造工艺成本的降低。

本发明的技术方案是这样实现的：一种铰链梁锻造工艺参数及中间坯结构设计的双层优化方法，包括如下步骤：

S1：根据铰链梁终锻件的尺寸参数使用SolidWorks三维建模软件建立锻件的上下模具的模型、初始中间坯的初始结构尺寸模型；

S2：利用正交试验采用三因素四水平方法获取中间坯的16组影响因素组合点Y1，Y2，...，Y16；

所述三因素为坯料初始温度A1、变形速度A2和摩擦系数A3；所述四水平为每个因素的四个不同阶段。

S3：使用deform软件对初始尺寸的中间坯的16组影响因素组合点Y1，Y2，...，Y16进行分析，分别获取不同锻造工艺参数下的宏观组织性能与微观组织性能指标；

S4：利用极差分析和方差分析方法构建关于锻造工艺参数的一次优化模型，在16组试验中获得最优的工艺参数组合；

S5:对铰链梁终锻件的中间坯的初始模型进行参数化，使用最优空间填充法获取30组设计变量组合；