大口径三通管翻边成形工艺参数优化

摘要:本文主要研究以冲压变形规律设计的预制孔管件一次成形特定高度的三通管是可行的,但需对工艺参数优化。

Abstract: This paper proposes that:the deformation in stamping design prefabricated hole forming specific height fittings first tee is feasible, but needs to process parameter optimization.

关键词:大口径三通管;翻边工艺;遗传BP算法;参数优化

Key words:large-diameter tee;flanging process;genetic BP algorithm;parameter optimization

中图分类号:TG241 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)17-0121-01

0引言

本文主要研究通过一次翻边工艺来成形等径三通管,首先利用冲压变形规律设计出预制孔的孔形,通过Deform有限元软件模拟获得样本和检验结果,然后运用神经网络及遗传算法对原管件的预制孔孔形和凸模运动速度在一定范围内进行优化,可以大大减少试验次数,获得成形质量较好的三通管。

1等径三通管预制孔的计算

1.1 三通管预制孔的计算流程根据几何学可知,截面图形为一标准椭圆,其上任意点的坐标为(x,y),t为该点对应的角度,椭圆参数方程为:x=a•cos ty=b•sin t(1)

任取θ角对三通管做一个C-C截面,C-C截面的椭圆的长半轴,短半轴根据几何关系可知:a=b=(2)

在C-C截面中,三通管两圆柱相贯之处是以圆角半径为R的圆弧相连。很明显,圆弧的长度是随θ角而变化的,θ为零时,其连接弧长为πR/2;θ为π/2时,连接弧长为0。在翻边后要求支管口部平整。已知θ=π/2时,支管直壁高度为h+D/2,那么任取θ角截面支管口部高度k应满足:b′+k=+h(3)

式中:b′=y+,即b′为A点对应高度和连接圆弧部分高度之和。所以,在θ截面上支管直壁高度k为:

k=+h-(y+)(4)

在θ截面上,翻边后支管上经历变形的部分S为:

S=k+R•arcsin(5)

根据冲压工艺翻边预冲孔计算方法,可以认为S是由截面中椭圆上AB弧经弯曲变形后得到的。因此要确定翻边预制孔,就必须确定出AB的B点的坐标xθ。当不同截面上的未知点xθ均被求出时,三通管翻边预制孔孔形即可确定。以参数t为变量的曲线微分表达式为:dS=dt(6)

因此,椭圆弧长AB可由积分式表示:

AB=dt(7)

式中:t0为A点对应的角度,t1为B点对应的角度。由于椭圆的形状随θ角的变化而变化,使得相贯线上连接圆弧的圆心纵坐标b′以及连接圆弧的弧长也随截面的不同而不同。因此,在一个给定的截面上要首先进行计算,确定出椭圆与连接圆的切点A(x,y),以及切点处的参数t0,并建立积分条件(5)式。另外,式(7)是变上限椭圆积分。式子左边为一已知值。S =AB,计算目的是确定参数t0,而后根据t1求出未知点xθ(xθ为对三通管做的截面角度是θ时所确定的B点的坐标),由于椭圆积分不能求出原函数,所以必须采用优化计算方法在(t0,π/2)区间内进行一维变量搜索使(7)式两边数值相等[1]。

1.2 三通管预制孔的计算结果生产的三通管件尺寸:

D外=1000,δ=50,L=2000,h=100,D中=950,R=50。

2大口径三通管翻边工艺的数值模拟及参数优化

2.1 大口径三通管翻边工艺的数值模拟经研究得知,用以冲压变形规律为设计依据的大口径三通管翻边预制孔进行模拟所得的结果并不是很理想,支管的端部不太平整,最大支管高度为88.75 mm,而最小支管高度为53.467 mm,壁厚不均匀程度明显,减薄率为39%,所以需要后续进行对预制孔修正。

2.2 三通管翻边成形参数优化由于用以冲压变形规律为设计依据的大口径三通管翻边预制孔进行数值模拟所得的结果并不是很理想,所以为提高三通管翻边成形质量,本文通过神经网络结合遗传算法对三通管翻边成形工艺参数进行优化,训练样本采用正交试验安排。其中预制孔的孔形从5 °到50 °的xθ保留,只对图形的长半轴和短半轴进行修正。

2.2.1三通管翻边成形bp网络模型构建①Bp神经网络结构及参数如下。包含输入层,隐含层和输出层的采用隐层节点数为7的三层bp神经网络模型,隐层采用tansig传递函数,输出层采用purelin传递函数,学习算法采用Levenberg-Marguardt算法trainlm,训练步数取1000,最终收敛精度取0.0001。②训练样本的确定。训练样本采用正交试验以正交表L16(45)安排试验,根据上文预测结果,确定工艺参数的取值范围。

2.2.2遗传算法参数的确定以f=-(H-5ΔT)作为适应度函数,遗传控制参数选择如下:选取群体规模pop_size=20,交叉概率Pc=0.8,变异概率Pm=0.2,迭代次数:D=100。

2.2.3翻边成形参数的优化结果及模拟结果①优化结果。x =191.9395392.4757 40.7413;②模拟结果。将上述数据代入Deform中模拟,可以看出,优化后三通管件的壁厚不均匀程度较小,支管最低高度也较大,比未优化的结果好很多。从研究中可以看出,支管的最小高度比未优化之前有所增加,支管的端部比之前平整很多,而且壁厚的不均匀程度较小,成形较为充分。所以用MATLAB对大口径三通管的翻边成形工艺的工艺参数进行优化非常有必要。

3结论

①大口径三通管翻边预制孔计算方法是以冲压变形规律为设计依据,经数学分析进行推证的。使用这种方法进行计算有可靠的理论依据。而且利用计算机做数值计算,可以满足工程使用精度。且这种方法可以设计不同尺寸规格的等径或异径三通管。②用神经网络结合遗传算法可以对三通管的翻边成形工艺参数进行优化,比如对三通管成形的预制孔孔形及凸模运动的速度进行优化,可以得到当预制孔孔形的5°到50°点位置保留而改变的短半轴为192mm、长半轴为392mm时,凸模运动的速度为41mm•s-1时所得的三通管的成形效果最佳,支管的端部较为平整,壁厚的不均匀程度较小。③通过对大口径三通管的多级翻边扩孔工艺进行研究可以知道以冲压变形规律设计的预制孔一次成形特定尺寸的大口径三通管是可行的,但需要运用MATLAB对预制孔和凸模运动速度进行优化。

参考文献:

[1]涉国恩.大直径三通管翻边预制孔的计算方法[J].太原机械学院学报,1992,13(3):225-228.

[2]王勖成,邵敏.有限单元法基本原理和数值方法[M].清华大学出版社,2002.