冲压成形工艺参数优化设计

本书是作者10多年来对冲压成形工艺参数优化设计的理论研究和授课的总结。本书由11章组成：第1章介绍了板料成形中有限元技术的发展；第2章介绍了冲压成形中有限元仿真技术的一些基本理论；第3章介绍了冲压成形仿真分析的分析系统；第4章介绍了冲压成形中所必要的一些试验研究及方法；第5～8章介绍了在冲压成形领域内基于代理模型的优化设计方法，包括变压边力优化、拉延筋优化、扭曲回弹控制、伪拉延筋结构设计；第9章介绍了基于稳健模型的冲压成形工艺优化；第10章介绍了高强度钢热冲压中冷却系统的设计与优化；第11章介绍了铝合金热冲压中的损伤本构及热成形工艺分析。本书理论严谨，脉络分明，深入浅出，易于学习。本书适合冲压成形工艺优化方向的初学者阅读，可作为理工科相关专业的高年级本科生及研究生教材，也可供工程技术人员参考。

第1章 绪论 1
1.1 板料成形仿真分析技术的发展 1
1.1.1 有限元技术的发展 1
1.1.2 板料成形有限元技术的发展 1
1.2 仿真分析软件的分类 3
1.3 有限元技术的应用 4
参考文献 5
第2章 冲压成形有限元仿真分析理论 8
2.1 概述 8
2.2 非线性有限元列式 9
2.2.1 物体运动坐标描述 9
2.2.2 非线性有限元列式描述 9
2.2.3 场方程的离散形式 10
2.3 几何非线性应力和应变描述 12
2.3.1 应变的度量 13
2.3.2 应力的度量 17
2.3.3 计算构形的选择 19
2.4 非线性弹塑性材料的本构模型 20
2.4.1 塑性硬化模型 20
2.4.2 流动准则 22
2.4.3 屈服准则 22
2.4.4 弹塑性矩阵的推导 24
2.4.5 Hill 屈服准则下的本构关系 26
2.4.6 Barlat 屈服准则下的本构关系 27
2.5 板壳单元模型 28
2.5.1 基本板壳理论 28
2.5.2 Mindlin 板单元 29
2.5.3 基于离散Kirchhoff 理论(DKT)的薄板单元 30
2.6 有限元方程的求解 32
参考文献 33
第3章 冲压成形分析系统 34
3.1 CAE 系统概况 34
3.2 仿真分析模型的建立 36
3.2.1 有限元建模步骤 36
3.2.2 有限元分析过程 38
3.2.3 冲压过程中的有限元分析 38
3.2.4 参数化动态有限元建模 39
3.3 仿真分析中的关键问题 40
参考文献 41
第4章 冲压成形中的试验研究 43
4.1 冲压成形性能试验研究 43
4.1.1 单向拉伸试验 44
4.1.2 拉深试验 45
4.1.3 弯曲试验 46
4.1.4 硬度试验 46
4.2 板料成形的性能指标 47
4.3 冲压质量试验分析方法 49
4.4 板料成形缺陷及成形性能试验方法 51
4.4.1 板料成形缺陷分析 51
4.4.2 板料成形性能试验方法 53
参考文献 59
第5章 基于代理模型的变压边力优化设计 60
5.1 代理模型的概述 60
5.1.1 多项式响应面法 60
5.1.2 径向基神经网络 61
5.1.3 BP 神经网络 61
5.1.4 Kriging 模型 61
5.2 压边力的加载模式 62
5.2.1 恒定压边力加载模式 62
5.2.2 变压边力加载模式 63
5.2.3 压边力成形窗口 63
5.3 基于RBF 神经网络的板料成形变压边力优化 64
5.3.1 基于欧氏距离的人工免疫算法及其改进 64
5.3.2 基于人工免疫算法的RBF 神经网络 67
5.3.3 基于人工免疫算法RBF 神经网络随行程的变压边力优化 68
5.3.4 基于人工免疫算法RBF 神经网络随时间的变压边力优化 73
5.3.5 基于人工免疫算法RBF 神经网络的分块压边力优化 74
参考文献 77
第6章 基于代理模型的拉延筋优化设计 78
6.1 拉延筋数值模拟技术 78
6.1.1 拉延筋几何模型 79
6.1.2 拉延筋阻力影响因子 80
6.2 改进的等效拉延筋阻力模型 81
6.2.1 建模基本设定 82
6.2.2 循环加载应力-应变关系 82
6.2.3 包辛格效应的引入 82
6.2.4 改进的等效拉延筋阻力模型验证 83
6.3 基于改进BP 神经网络代理模型的拉延筋参数反求 84
6.3.1 改进BP 神经网络代理模型 84
6.3.2 拉延筋阻力样本 87
6.3.3 拉延筋参数反求优化 89
参考文献 92
第7章 基于代理模型的扭曲回弹分析与补偿 94
7.1 回弹概述 94
7.2 回弹机理 94
7.2.1 回弹机理分析 94
7.2.2 扭曲回弹机理 95
7.3 基于渐变圆角半径凹模的扭曲回弹补偿研究 96
7.3.1 扭曲回弹评价指标 96
7.3.2 回弹补偿方法 97
7.3.3 拉丁超立方抽样 98
7.3.4 蚁群算法 98
7.3.5 基于响应面法和蚁群算法的凹模圆角半径渐变设计 100
7.4 压边圈表面宏观织构设计及其对扭曲回弹的影响 101
7.4.1 压边圈表面纵向织构设计 101
7.4.2 压边圈表面横向织构设计 103
7.4.3 综合补偿法 104
参考文献 105
第8章 基于代理模型的伪拉延筋结构优化设计 107
8.1 基于并行加点的Kriging 模型优化方法 107
8.1.1 优选期望提高加点准则 107
8.1.2 改进的EI 加点准则 107
8.1.3 改进的并行加点策略 108
8.1.4 基于并行加点的Kriging 模型优化在非线性函数中的应用 109
8.2 基于并行加点的Kriging 模型水平集优化方法 110
8.2.1 基于Kriging 模型的水平集函数与拓扑优化 110
8.2.2 基于并行加点的Kriging 模型水平集优化流程 112
8.3 基于并行加点的Kriging 模型水平集伪拉延筋优化 113
8.3.1 镁合金十字杯形件有限元模型 113
8.3.2 伪拉延筋设计区域的确定 116
8.3.3 压边圈载荷边界离散化处理 117
8.3.4 压边圈伪拉延筋设计 117
8.3.5 基于并行加点的Kriging 模型水平集伪拉延筋优化流程 119
8.4 基于水平集理论和大津算法的压边圈伪拉延筋设计 124
8.4.1 大津算法 124
8.4.2 基于大津算法的KLS 结构优化方法 124
8.4.3 压边圈伪拉延筋建模与优化设计 125
参考文献 129
第9章 基于稳健模型的冲压成形工艺参数优化 131
9.1 稳健设计概述 131
9.2 稳健设计方法 132
9.2.1 基于响应面模型的稳健设计 132
9.2.2 基于双响应面法的稳健设计 134
9.2.3 基于单层容差模型法的稳健设计 134
9.2.4 基于双层容差模型法的稳健设计 136
9.2.5 基于Dual-Kriging 法的稳健设计 137
9.3 基于二步法的容差稳健设计在翼子板的应用 139
9.3.1 翼子板模型的建立 139
9.3.2 翼子板模型的成形质量指标 139
9.3.3 翼子板成形可控与不可控因素筛选 140
9.3.4 响应面模型的建立 143
9.3.5 基于二步法的容差稳健模型 145
9.3.6 优化结果对比分析 147
9.4 基于双层容差模型的稳健设计在方盒件的应用 149
9.4.1 方盒件模型的建立 150
9.4.2 方盒件模型的验证 150
9.4.3 方盒件的质量指标函数 151
9.4.4 方盒件成形可控与不可控因素筛选 152
9.4.5 容差稳健模型的建立 153
9.4.6 优化结果对比分析 153
9.5 基于Dual-Kriging 法拉深成形多目标稳健设计 154
9.5.1 油底壳模型的建立 154
9.5.2 油底壳模型的验证 155
9.5.3 油底壳成形可控与不可控因素筛选 156
9.5.4 Dual-Kriging 模型的建立 159
9.5.5 优化结果对比分析 161
参考文献 164
第10章 高强度钢冲压件热成形的参数优化 166
10.1 轻量化设计 166
10.2 高强度钢的热冲压 166
10.2.1 热冲压工艺过程 167
10.2.2 热冲压技术的优点 168
10.3 热冲压模具冷却系统关键参数优化方法 168
10.3.1 均匀设计 169
10.3.2 回归分析 172
10.3.3 基于遗传算法的冷却系统参数优化 174
参考文献 177
第11章 铝合金热冲压损伤本构及成形分析 178
11.1 2124 铝合金热变形行为 179
11.1.1 热拉伸试验 179
11.1.2 热拉伸试验结果及分析 180
11.2 基于位错密度的统一黏塑性本构模型 181
11.2.1 理论模型 181
11.2.2 基于遗传算法的黏塑性模型参数识别 182
11.3 耦合损伤的统一黏塑性本构模型 184
11.3.1 理论模型 184
11.3.2 损伤模型参数识别 186
11.4 等温胀形的破裂预测 190
11.4.1 等温胀形有限元分析 190
11.4.2 等温胀形试验验证及对比分析 192
11.5 双C 件热成形工艺分析与试验验证 194
11.5.1 工艺参数对双C 件热成形损伤的影响 195
11.5.2 很优双C 件热成形工艺的试验验证 197
11.5.3 基于优化参数的双C 件热成形有限元分析 198
参考文献 199