一種等溫模鍛模具溫度場的在線重構(gòu)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于鍛造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種等溫模鍛模具溫度場的在線重構(gòu)方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 溫度場是塑性成形過程中的一個關(guān)鍵參數(shù)，其不僅影響材料的流動性和成形的完 整性，還直接影響材料的微觀組織和力學(xué)性能。然而，在實(shí)際的材料塑性過程中，由于工件 熱力耦合變形特性，以及模具和鍛件形狀的復(fù)雜性，使得工件溫度場具有復(fù)雜的分布特征， 導(dǎo)致難以采用解析模型難以對其進(jìn)行在線重構(gòu)，從而對成形過程溫度場重構(gòu)技術(shù)提出了新 的挑戰(zhàn)。
[0003] 目前，現(xiàn)有的塑性成形過程工件和模具溫度場重構(gòu)方法主要有兩種。一種是在了 解成形過程物理機(jī)制的基礎(chǔ)上，通過有限個測量點(diǎn)的溫度信息，將溫度場重構(gòu)問題轉(zhuǎn)化為 邊界值的求解問題，其主要的方法包括有限元法和有限差分法。另一種溫度場重構(gòu)方法是 在成形過程物理模型無法或者難以確定的情況下，采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)挖掘等黑箱技術(shù)， 基于大量現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)或者模擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對成形過程的溫度場進(jìn)行建模，從而重構(gòu)出工件和 模具溫度場分布。
[0004] 雖然國內(nèi)外學(xué)者在溫度場重構(gòu)方面已經(jīng)做了一定的研究，并提出了一些重構(gòu)方 法。然而，現(xiàn)有的方法難以滿足智能制造對溫度場重構(gòu)的速度和精度的要求。其中，有限元 方法在使用時需要花費(fèi)大量的計(jì)算時間，只適合離線的溫度場重構(gòu)分析，難以滿足溫度場 在線重構(gòu)的實(shí)時性要求，而神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)挖掘方法是基于數(shù)據(jù)處理的一種黑箱技術(shù)， 其模型的建立過程完全依賴于輸入輸出數(shù)據(jù)，不能很好地描述成形過程的物理機(jī)制，重構(gòu) 精度不足。此外，單純的有限差分法對重構(gòu)對象的要求較高，該方法難以求解具有復(fù)雜形狀 和邊界條件的問題。然而對于實(shí)際零件的鍛造過程，模具和鍛件的形狀都十分復(fù)雜，而且邊 界條件也是時變的。例如，在高溫合金機(jī)匣等溫模鍛過程中，模具和鍛坯都具有非常復(fù)雜的 形狀和時變的邊界條件。因此，實(shí)際工藝急需能快速、精確重構(gòu)鍛件和模具溫度場的新方 法。針對這一迫切需求，本發(fā)明提出了一種快速、精確的等溫模鍛模具溫度場的在線重構(gòu)方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種等溫模鍛模具溫度場的在線重構(gòu)方法，解決了目前重 構(gòu)方法不能快速、準(zhǔn)確重構(gòu)等溫模鍛模具溫度場的難題。
[0006] 本發(fā)明解決上述難題的方案是：
[0007] -種等溫模鍛模具溫度場的在線重構(gòu)方法，該方法包括如下步驟：
[0008] 步驟1 :根據(jù)熱傳導(dǎo)理論和能量守恒定律建立等溫模鍛模具溫度場的解析模型， 并采用有限差分法對該解析模型進(jìn)行離散，獲得模具溫度場的離散模型；
[0009] 步驟2 :分析模具的幾何特征和功能要求，建立模具邊界的溫度分布模型，包括模 具與環(huán)境接觸的邊界溫度模型和模具與鍛坯/模套接觸的邊界溫度模型；
[0010] 步驟3 :通過在線感知等溫模鍛過程中模具邊界的溫度變化，利用模具溫度場的 離散模型和模具邊界的溫度分布模型，重構(gòu)整個模具的溫度場。
[0011] 按照上述方案，步驟1中所述模具溫度場的解析模型可以通過以下二階偏微分方 程進(jìn)行描述：
[0012]
⑴
[0013] 式中，x，y和z分別為笛卡爾坐標(biāo)系中x，y和z三個方向的坐標(biāo)；t表示時間；T表 示溫度；X=k/pCp。k是導(dǎo)熱系數(shù)；P表示單元體的密度；Cp表示單元體的比熱容。
[0014] 按照上述方案，步驟1中采用有限差分法對溫度場解析模型進(jìn)行離散，利用差分 方程代替解析模型中的微分方程，一階和二階差分方程如下式所示：
[0019] 式中，i，j和k分別代表笛卡爾坐標(biāo)系中x，y，z方向的節(jié)點(diǎn)；Ax，Ay和Az代表 三個方向單元的長度。△t代表時間步長；n和n+1代表當(dāng)前時間步和下一時刻的時間步。
[0020]將上述差分方程式（2)、（3)、（4)和（5)代入溫度場解析模型式（1)，得到模具溫 度場的差分方程為：
[0021]
[0022] 按照上述方案，步驟2中模具與環(huán)境接觸的邊界溫度模型可以用如下方程進(jìn)行描 述：
[0023]
(7)
[0024] 式中，!；。。表示邊界溫度；Taro表示周圍介質(zhì)溫度；h表示物體與周圍介質(zhì)的換熱；n 表示邊界的法線方向。
[0025] 按照上述方案，步驟2中模具與鍛坯/模套接觸的邊界溫度模型采用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò) 模型進(jìn)行描述：
[0026]
(8)
[0027] 式中，E表示影響邊界溫度的工藝變量組合。x，y，和z分別代表節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)。t 代表時間，TBPbc]U代表邊界溫度。
[0028] 按照上述方案，結(jié)合步驟1中的模具溫度場差分方程和步驟2中的模具邊界溫度 模型，即可得到模具整體溫度場。
[0029] 本發(fā)明的有益效果：該方法綜合了有限差分法和神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法的優(yōu)點(diǎn)，可以快 速、準(zhǔn)確地在線重構(gòu)具有復(fù)雜邊界條件的等溫模鍛模具的溫度場，為實(shí)現(xiàn)鍛造過程中實(shí)時 預(yù)測和控制鍛件品質(zhì)提供了新技術(shù)。
【附圖說明】：
[0030]圖1高溫合金機(jī)匣等溫模鍛模套、模具和鍛坯的結(jié)構(gòu)；
[0031] 圖2上模具取點(diǎn)位置及溫度變化曲線；
[0032] 圖3上模具結(jié)構(gòu)簡化流程圖；
[0033] 圖4BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)；
[0034]圖5上模具溫度預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的相關(guān)性。
[0035] 圖1中：（a)、模具、模套和鍛坯剖視圖，（b)、機(jī)匣鍛件結(jié)構(gòu)，（c)、下模套（一半）， (d)、下模具（一半），（e)、上模套（一半），（f)、上模具（一半）（1-6分別代表上模套，加熱 器，上模具，下模具，下模套和鍛坯）。
【具體實(shí)施方式】：
[0036] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0037] 本發(fā)明是一種等溫模鍛模具溫度場的在線重構(gòu)方法。下面以高溫合金機(jī)匣等溫模 鍛上模具溫度場在線重構(gòu)為例（如圖1所示），詳細(xì)介紹本發(fā)明涉及的等溫模鍛模具溫度場 的在線重構(gòu)方法的實(shí)施細(xì)節(jié)，其方法包括：
[0038] 步驟1 :根據(jù)熱傳導(dǎo)理論和能量守恒定律建立高溫合金機(jī)匣等溫模鍛模具溫度場 的解析模型，并采用有限差分法對解析模型進(jìn)行離散，獲得模具溫度場的離散模型；
[0039] 高溫合金機(jī)匣等溫模鍛上模具內(nèi)部沒有熱源，根據(jù)熱傳導(dǎo)理論和上模具形狀特 征，可以采用柱坐標(biāo)系下的熱傳導(dǎo)方程描述上模具溫度場，即：
[0040]
(9)
[0041] 根據(jù)有限差分法原理，上式一階和二階偏微分可以采用如下一階和二階差分形式 進(jìn)行離散：
[0047] 式中，i，j和k分別代表柱坐標(biāo)系中半徑，角度和高度方向的節(jié)點(diǎn)。Ar，A也和 Az代表半徑，角度和高度方向單元的長度。At代表時間步長。n和n+1代表當(dāng)前時間步 和下一時刻的時間步。
[0048] 結(jié)合上式，可以得到上模具溫度場的離散模型：
[0049]
[0050] 步驟2 :分析模具的幾何特征和功能要求，建立模具邊界的溫度分布模型，包括模 具與環(huán)境接觸的邊界溫度模型和模具與鍛坯/模套接觸