基于遗传算法的计算设计与工程学报研究

þþHOS T E D B Y可在www.sciencedirect.com网站上查阅计算设计与工程学报3（2016）63www.elsevier.com/locate/jcde基于遗传算法Ganesh M.作者：Vilas M.南德卡尔湾a Savitribai Pune University，S.No.Dnyanganga College of Engineering &Research，S.No. 39，Narhe，Pune 411041，马哈拉施特拉邦，印度b生产工程师，Shri Guru Gobind Singhji工程技术学院，Nanded 431606，印度接收日期：2015年3月29日;接收日期：2015年7月8日;接受日期：2015年8月10日2015年8月28日在线发布摘要拉深是一种成形工艺，其中金属板坯料通过冲头的机械作用被径向拉入成形模具中并被转换成所需形状。拉深涉及复杂的材料流动条件和力分布。由于材料的固持特性，在塑性区产生径向拉应力和切向压应力这些压应力导致了花岗岩区的褶皱现象压边圈通常用于限制起皱。径向方向上的拉伸应力在杯的壁区域中开始变薄变薄导致开裂或断裂。有限元法在世界范围内被广泛应用于模拟拉深过程。对于真实的拉深过程的模拟，一个精确的数值模型，以及材料行为和接触条件的准确描述是必要的。有限元法是一个强大的工具，预测材料变薄变形之前，原型。所提出的创新方法结合了两种技术，用于预测和优化汽车密封盖的减薄。采用田口试验设计和方差分析方法，对影响细化效果的工艺参数进行分析。数学关系已经被开发以关联输入过程参数和变薄。优化问题已制定细化和遗传算法已被应用于优化。实验结果验证了新方法的适用性。经观察，优化后的组件在制造时是安全的，未观察到变薄或断裂&2015年CAD/CAM工程师协会。由Elsevier制作和主持。All rights reserved.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：细化;预测;实验设计;回归1. 金属成形钣金成形是一种重要的制造工艺，用于生产各种汽车零件，航空航天部件以及消费品（厨房水槽，罐头，盒子等）。这些被广泛地分类为成形/拉伸/冲压和深拉伸操作，其中包括广泛的操作和流动条件。拉深成形是一种压缩-拉伸成形工艺[1]。其应用范围最广，包括刚性模具、拉伸冲头、压边圈和凹模。在这个过程中，空白是n通讯作者。联系电话：91 20 6720 6117;传真：919860641885。电子邮件地址：kakandikar@gmail.com（G.M.Kakandikar），vilas. gmail.com（V.M. Nandedkar）。通常被限制在拉伸冲头上进入模具中，以给出所需的腔形状。板材经受大的塑性变形以及材料的复杂流动。即使经过多年的实践，钣金成形设计仍然是一门艺术而不是科学。这是由于涉及大量参数及其相互依赖性。这些参数包括材料特性、机床参数（如刀具和模具几何形状、工件几何形状和工作条件）。金属板成形工艺的研究和开发需要长时间和昂贵的原型测试和实验，以达到有竞争力的产品。在杯形件的深冲压中，金属经受三个不同的变形区域图 1表示饼形截面中产生的变形和应力。在冲头下的坯料中心的金属被包裹http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2015.08.0012288-4300/2015 CAD/CAM工程师协会。&由Elsevier制作和主持。All rights reserved.这是一篇基于CC BY-NC- ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。64通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）63Fig. 1. 拉深时的应力状态。在冲床的轮廓周围。由于冲头的作用，该区域的金属受到双轴应力。金属在冲压半径上弯曲，这会导致摩擦。在杯的中心没有应变和摩擦。坯料外部的金属被径向向内拉向模具的喉部[2]。然而，当金属通过模具半径时，它首先被弯曲和拉直，同时处于拉伸应力下，这会导致相当大的摩擦。当它被拉入时，外圆周必须从原始坯料的外圆周连续减小到完成的杯子的外圆周这意味着它在圆周或环向方向上受到压缩应变由于这两种主要的应变，当金属向内移动时，厚度会不断这种在张力下的塑性弯曲导致相当大的变薄;这改变了由于周向收缩而导致的增厚。提出的创新方法结合了两种技术，用于优化汽车密封盖的减薄。采用田口试验设计和方差分析方法，分析了不同加工工艺参数对减薄效果的影响。数学关系已经被开发来关联输入工艺参数和厚度减少。优化问题已制定和遗传算法应用于优化。有目前，已有许多进化和生物启发的优化算法，如粒子群优化，蚁群优化等。遗传算法有其自身的优势和能力，在下面的章节中进行了讨论。2. 主要研究基本参数在密封盖的数值研究中，研究了四个主要工艺变量，以了解这些参数及其相互作用对减薄的影响。它们是压边力、润滑条件（即摩擦系数）、冲模轮廓半径和凸模刀尖半径。2.1. 润滑润滑通常用摩擦系数来表示。在拉深中，板材和工具滑动的所有区域是相对的，塑性变形发生在复杂的摩擦状态下[3]。在这种情况下，印模和纸张之间的摩擦在很大程度上决定了变形。在某些位置，当板材滑过模具边缘时，同时剪切板材，模具和板材之间的摩擦力会增大，该系数假定在0.05和0.15之间。Schey[4]在拉深过程中总共区分了太低的摩擦涉及对片材流动的不良控制，因为片材将容易流动，具有起皱的风险。而太高的摩擦导致裂纹形成的风险，因为片材的缓慢移动可能导致撕裂和裂纹。2.2. 压边力压边力的作用是控制材料在模具中的流动.压边力对产品质量有重要贡献。通过工艺产生的适当的压边力导致控制深冲零件的厚度变化，从而控制零件的质量。最佳的压边力消除了起皱和撕裂这两种导致成形件失效的主要现象。在数值研究过程中，在成形过程中施加恒定的压边力，以最大限度地减少成形工具中的机构2.3. 冲头圆角半径拉深冲头将所需的力施加到金属板坯料上，以使材料流入模腔。拉伸凸模的关键特征包括凸模面和凸模圆角半径。冲头圆角半径不能太小，因为它会试图刺穿或切割坯料，而不是迫使材料围绕半径弯曲[5]。最小冲头半径取决于材料类型和厚度。同样重要的是要理解，随着冲头半径的增加，坯料将倾向于在冲头面上拉伸，而不是在坯料边缘上拉深。2.4. 模具轮廓半径模具轮廓半径和模具表面可能是使用可调压边圈的拉延工具中最重要的特征[6]。如果拉深半径太小，零件可能会随着材料变形而分裂。这是由于金属板在小半径上弯曲和伸直所引起的高约束力。在一个狭窄的半径上画画也会产生大量的热量。这可能导致金属板与工具的微观焊接，称为磨损。另一方面，过大的凹模半径会导致坯料在凸模面和凹模面之间的无支撑区域起皱。很明显，必须有一定范围的模具半径选择，将工作;不太小，太大了通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）63653. 变薄拉深成形是数值模拟中的一个高阶非线性问题[7]。减薄是指在部件的各个横截面处比坯料的原始厚度减小的厚度。传统的拉深工艺受到一定的极限拉深比（LDR）的限制，超过该极限拉深比，会发生局部壁变薄和破裂。增加LDR的一种方法是尝试捕获颈缩的开始并调整工艺参数，以延迟或避免颈缩[8]。极限拉深比随板厚的减小而减小，在低于100 μ m时迅速减小0.04 mm厚度[9]。对成形结果的预测、厚度分布的确定以及板材毛坯的减薄将通过节省材料和生产时间来降低生产成本[10]。本研究利用模拟结果计算各截面厚度的减薄量，并计算平均减薄量。平均厚度减少量用于方差分析。4. 密封盖密封盖由浦那Chikhali的Vishwadeep企业为Dali和Samir工程私人有限公司制造。它是安装在两轮车油箱。密封盖的构造非常简单，但与典型的杯子有很大的不同。 它具有大的直径与高度比，并且没有变化（图1和图2）。 2和3）。基座具有半径为150 mm的曲率。杯直径为58.6 mm，总高度为09 mm。底角半径为2 mm。材料为SPCC，并且是拉伸部件，其中直径与深度比非常高。5. 拟议方法A. 数值实验进行了田口设计的实验，包括输入参数和性能指标的厚度减少。B. 通过方差分析预测了输入参数对厚度分布的影响。确定了敏感参数C. 回归用于数学建模。这是作者的主要贡献图二. 密封盖。图三. 密封盖D. 最优化问题的制定和遗传算法的应用。通过广泛的文献调查选择了过程变量，并确定了工业制造过程变量的上下限。采用遗传算法对参数进行优化后，将优化后的参数组合应用于数值模拟。这是最有效的参数组合E. 实验结果验证了优化结果的正确性。6. 田口实验田口实验设计涉及通过稳健的实验设计减少工艺中的变异。田口方法是由Dr.日本的田口玄一田口开发了一种设计实验的方法，以研究输入参数如何影响过程性能特征的均值和方差，该过程性能特征定义了过程的功能。田口提出的实验设计涉及使用正交表来组织影响过程和水平的参数它们应该是变化的。与析因设计一样，田口方法不必测试所有可能的组合，而是测试成对的组合[11]。这允许收集必要的数据，以确定哪些因素对产品质量影响最大，从而节省时间和资源。在对密封盖的研究中，选取了压边力、润滑摩擦系数、凸模圆角半径和凹模轮廓半径四个参数。选择每个参数的三个水平。Taguchi提出了四参数三水平的L9正交表。设计以及三个水平的参数见表1[12]。7. 数值研究基于有限元法（FEM）的金属板材成形过程的数值模拟是预测成形过程的有力工具，并在全球范围内使用[13]。使用Forming Suite对所有九个设计实验进行了数值模拟。Forming Suite是一个流行的金属成形解决方案，66通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）63表1L9密封盖正交表。低中间更高BHF02千牛顿03千牛顿04千牛顿M0.050.100.15路1.5毫米2.0 mm2.5毫米Rp6.0 mm7.0 mm8.0 mm实验号压边力摩擦系数模具轮廓半径冲头圆角半径1020.051.56.02020.102.07.03020.152.58.04030.052.08.05030.102.56.06030.151.57.07040.052.57.08040.101.58.09040.152.06.0加拿大深冲件报废的主要原因之一是由于减薄，然后断裂或裂纹。因此，在数值实验中测量厚度分布作为响应。下面将详细说明所有设计的实验中的厚度状态密封盖原始厚度为0.8mm，而在实验1和4中观察到的最大厚度为0.847在实验9中观察到的最小厚度所有的实验都显示出或多或少的变薄行为。不同颜色的条带显示不同的厚度范围。测量减薄区域的平均厚度，如表2所示（图2）。 4）.8. 方差分析为了建立所研究的工艺参数与减薄效果之间的关系，在数值试验后进行了方差分析。信噪比测量质量，强调过程的变化[14]。以最小化疏伐为目标计算信噪比，选取最小化准则。所用公式为S=N1/4ð1Þ表2表示密封盖模拟中在第二个实验中观察到的最小厚度为0.785 mm。如表3所示，在所有三个水平（低、中和高）下，计算所有参数压边力、摩擦系数、模具轮廓半径和冲头刀尖半径的平均S/N比。范围定义为特定参数的信噪比范围越大，等级越高，表明参数越敏感，对响应越有影响。正交试验结果表明，摩擦力对减薄的影响最大。凸模圆角半径的影响程度为第二，压边力的影响程度为第三，凹模轮廓半径的影响程度最小表2密封盖的信噪比实验号厚度减少（mm）平均厚度（mm）厚度差（MM）S/N比率10.784 0.793 0.797 0.7910.00841.2420.793 0.789 0.773 0.7850.01536.4730.780 0.790 0.794 0.7880.01238.4140.792 0.797-0.7940.00545.1950.782 0.790 0.795 0.7890.01139.1760.790 0.780 0.786 0.7860.01337.3970.792 0.796 0.787 0.7910.00841.5880.794 0.790-0.7920.00841.9390.795 0.790 0.785 0.7900.01040.009. 问题公式化拉深过程表现出非线性行为。但所研究的部件不是深拉的;深度与直径相比非常小，因此采用了线性关系。当量下面的图2是四个输入参数与作为性能测量的厚度减少量Minitab用于线性回归[15]。减薄1/40： 795- 0： 000133压边力电话0：243m-0：00033RD-0：00217RP电话2小时一个优化问题已经用下列约束来公式化。最小化F，减薄厚度：0：795- 0： 000133压边力电话0： 243m- 0： 00033 RD- 0： 00217R服从1： 2rβr 2： 233RDrRPr 6RD4Fd最大值rπdmS0Su 5通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）6367见图4。 密封盖68通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）63表3方差分析表4GA参数。RDZ0： 035½ 50磅d0-d1磅]pS0ð6ÞPareto前沿分数停止标准世代数世代500已将约束应用于拉伸比，拉伸比应在1.2和2.2之间。凸模刀尖半径必须大于凹模轮廓半径的三倍，小于凹模轮廓半径的六倍。模具型面半径、拉深半径、坯料直径与板料厚度初始人口300表5优化的结果必须得到满足。开裂的条件也应该是满意了。10. 遗传算法遗传算法是一种基于自然遗传学和自然选择机制的计算机搜索和优化方法[16]。遗传算法模仿自然遗传学和自然选择的原理来构造搜索和优化过程。密歇根大学安娜堡分校的John Holland教授在60年代中期设想了这些算法的概念。遗传算法结合了字符串结构之间的最佳生存，一个结构化但随机的信息交换，与一些创新的人类研究的氛围。在每一代人中，一套新的人造生物是用最合适的零碎东西创造出来的;偶尔会尝试一个新的部分。遗传算法采用一种模拟进化的形式来解决困难的优化问题。遗传算法比传统技术有很多优点。它是一个经过验证的工具相比，新来的生物启发技术。它与人口一起工作，因此同时处理完成，并且没有潜在的全局解决方案被忽略。它以相同的效率处理连续和不连续函数。采用遗传算法求解，使解不陷入局部最优。遗传算法的工作与字符串编码的变量，而不是变量。编码使搜索空间离散化。采用遗传算法进行细化优化。压边力是凸模直径的函数，摩擦系数和凸模刀尖半径作为变量。对于压边力关系，使用文献中的关系式。MatLab用于编程。遗传算法参数如表4所示，变量范围和优化结果如表5所示。冲头直径、摩擦力和冲头刀尖半径被设定为变量，其界限见表5。优化结果表明，采用所提出的方法，若最佳凸模直径为61 mm，摩擦系数为1.05，MOGA结果参数下界上界最佳冲压直径。59 mm61毫米61毫米摩擦0.050.150.15冲头圆角半径减薄06毫米08毫米0.790毫米7.5 mm系数为0.15，冲头轮廓半径为7.5 mm，减薄可限制在0.790mm。11. 实验验证和结论为了验证数值计算的结果，采用优化后的参数进行了实验研究.用于实验的压力机具有100公吨的容量;离合器操作的H型单作用机械动力压力机。它有一个钢制的机身，床身尺寸为680 mm × 680 mm。床身到滑枕的距离为585mm，行程长度为125 mm。压力机的原动机是一个10马力的电动机。 轴转速为3680 rpm（图 5）。使用组合油脂和油混合物进行全膜润滑，摩擦系数保持在0. 15。制造的冲头具有优化的直径和鼻部半径。对制造的零件进行了实验成形性分析，并绘制了成形极限图 失效极限图用于有限元分析中绘制各节点的主应变和次应变，用于实验圆网格分析中绘制各圆的主应变和次应变。采用手工和ARGUS软件结合扫描两种方法对构件进行圆网格分析。圆网格分析（CGA），也被称为圆网格应变分析，是一种测量金属板在冲压或拉伸成形后的应变水平的方法在金属板的表面蚀刻出特定直径的圆形网格。 成形过程使圆变形，在一个方向上拉伸直径（主应变），并在另一个方向上压缩直径（次应变）。大直径和小直径与原始直径之间的差异是应变量所制造的BHF摩擦路RpMOGA优化参数138.7142.6740.1940.13人口双向量240.5839.1940.5538.48选择锦标赛341.1738.6039.7241.73交叉两点范围2.464.060.8323.24突变约束依赖秩3142迁移前言交叉概率0.800.65通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）6369图五. 机械压力机和模具。见图6。 制造部件的圆网格分析。见图7。 FLD不同圆网格配置的最佳参数组件如图所示。六、FLD在纵轴左侧显示安全点、边缘点和破坏点，以及破坏和变形曲线FLD的右侧代表拉伸成形和等双轴应变。 在拉深或深拉深过程中，会发生剪切和单轴拉伸，如图左侧所示. 因此，在拉深或深拉深中，FLD中的右侧没有点X轴代表次要应变，Y轴代表主要应变.下面绘制的FLD显示了安全区域中的所有点，这表明没有变薄;否则断裂区域中会出现很少的点，这些点可能是失效点或可能会因变薄和开裂而失效经成形性试验分析，采用优化工艺参数制造的密封盖在拉拔过程中无减薄失效。因此，可以得出结论，所提出的优化方法是成功的，它是验证与实验（Fig. 7）。引用[1] Prashant日期：年月日钣金成形研究协会培训计划的钣金成形性会议录，印度理工学院，孟买; 2015年。[2] 洛根·罗杰·威廉。钣金成形-论文）。密歇根大学;1985年。70通用汽车Kakandikar，V.M.Nandedkar/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）63[3] Schedin埃里克。控制金属板料成形中的摩擦力可以使生产更加稳定。 材料&设计1993; 14（2）.[4] 谢金属加工中的摩擦学Metals Park，Ohio，USA：ASM; 1983.[5] Waleed K Jawad，Mohamed Jamal H.研究凸模圆角半径对拉深成形的影响。工程&技术2008; 26（1）.[6] WeiGan，Wagoner RH.板料回弹的模具设计方法国际机械科学杂志2004;46.[7] 高恩智，李宏伟，等。材料参数对薄壁半球形曲面件拉深成形的影响。中国有色金属学会学报2009; 19：433-7.[8] 伯杰·摩西，祖斯曼·埃亚尔.拉深过程中的在线减薄测量。制造科学与工程学报，ASME汇刊2002; 124（5月）。[9] Marumo Y，Saiki H，Ruan L.板料厚度对金属箔拉深成形的影响。材料与制造工程成就学报2007; 20（1-2）.[10] 张文，张文，等.模具设计参数对板料拉深成形的影响.北京：机械工业出版社，2001.美国机械工程杂志; 2013;1（2）。[11] Yi HK，Kim DW，Van Tyne CJ，Moon YH.基于残余差应变的板料弯曲回弹解析预测。Proc.IMechE，第222卷，C部分：J.MechanicalEngineeringScience 2008。[12] Meetrik Kadkhodayan Pourhasan Rasoul.八段锥形压边圈摩擦拉深过程及回弹的有限元模拟。国际先进设计与制造技术杂 志 2010; 3（4）。[13] 刘文娟，刘强，冯如娜，梁志勇，邱红阳。基于遗传神经网络技术的板料成形回弹预测。 材料加工技术杂志2007。[14] 杨世华，杨世华.微细端铣加工参数优化之研究。国际工程、科学与技术杂志2011; 3（6）237-46。[15] Krishankant，Taneja Jatin，Bector Mohit，Kumar Rajesh.应用田口法探讨切削参数对车削加工之影响。国际工程与先进技术杂志（IJEAT）2012; 2（1）263。(ISSN：2249-8958）。[16] 大卫·E·戈德堡搜索、优化机器学习中的遗传算法&。印度：培生教育有限公司的; 2003年。