的邊界溫度模型；
[0051] 高溫合金機(jī)匣等溫模鍛過程中上模具溫度受到模鍛工藝參數(shù)的影響。因此，為了 建立高溫合金機(jī)匣等溫模鍛過程中上模具邊界的溫度分布模型，首先需要分析工藝參數(shù)對(duì) 上模具溫度的影響規(guī)律。利用正交實(shí)驗(yàn)法，設(shè)計(jì)50組不同工藝參數(shù)組合的正交實(shí)驗(yàn)（如表 1)，并利用有限元軟件對(duì)不同工藝參數(shù)組合的模鍛過程進(jìn)行模擬，從而得到對(duì)應(yīng)工藝參數(shù) 組合下上模具溫度場(chǎng)分布數(shù)據(jù)。表1中ta、tb和t。分別為下模套A面、B面和C面的加熱 器開啟時(shí)間；td和％分別為上模套D面和E面的加熱器開啟時(shí)間；v和t&分別為鍛造速度 和鍛造速度的改變時(shí)間。
[0052] 然后，分析上模具的形狀特征。從圖1(f)中可以發(fā)現(xiàn)，由于上模具外表面存在凸 臺(tái)和一定的錐度，從而增加了上模具溫度場(chǎng)建模的難度。因此，需要對(duì)上模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理 的簡(jiǎn)化，降低其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。如圖2(a，b)所示，選取上模具A-A對(duì)稱面上P1、P2、P3三 個(gè)點(diǎn)以及與對(duì)應(yīng)的P2、P4、P6三個(gè)點(diǎn)作為研究對(duì)象。其中P2、P4、P6三點(diǎn)位于上模具A-A 面上最小半徑R對(duì)應(yīng)的表面上。利用正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，提取上述六點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)，其結(jié) 果如圖2(c)所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)上模具A-A面上P1、P2、P3三點(diǎn)溫度與對(duì)應(yīng)的P2、P4、 P6三點(diǎn)溫度基本相同，這說明上模具A-A面上的凸臺(tái)和錐度對(duì)其溫度分布影響不大。因此， 可以將上模具外表面簡(jiǎn)化成以R為半徑的圓弧面，從而將上模具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為以R為半徑的 半圓柱體（如圖3所示）。
[0053] 最后，建立上模具邊界的溫度分布模型。從圖3可以發(fā)現(xiàn)，上模具存在兩類邊界： 邊界Z和邊界R。
[0054] 其中邊界Z在模鍛過程中始終與環(huán)境接觸，且邊界Z面溫度分布滿足：
[0055]
(16)
[0056] 其中，Tbc]U代表邊界Z的溫度；h代表上模具與環(huán)境的對(duì)流換熱系數(shù)；z是邊界Z的 法線方向；1~_代表環(huán)境溫度。
[0057] 表1工藝參數(shù)的取值
[0058]
[0059] 對(duì)于邊界R，其由兩部分組成（如圖3所示），一部分是與上模套接觸的平面，另外 一部分是與鍛坯接觸的弧面。由于模具和模鍛裝備橫梁等裝置連接處存在熱損失，導(dǎo)致上 模具邊界R的平面溫度處于時(shí)變狀態(tài)。另外，隨著模鍛的進(jìn)行，邊界R的弧面逐漸與鍛坯接 觸。由于鍛坯在變形過程中會(huì)產(chǎn)生較大的變形熱，使得邊界R弧面的溫度具有非線性和時(shí) 變性。因此，采用Back-Propagation(BP)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法建立上模具邊界R的溫度分布模 型。
[0060] 為了描述上模具邊界R的溫度分布，需要建立邊界R溫度與工藝參數(shù)之間的數(shù)學(xué) 模型，如下式所示：
[0061]T=f(ta，tb，tc，td，te，v，tch，r，邊，z，t) (17)
[0062] 其中，r，it，和z代表邊界R的節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)；t代表鍛造時(shí)間。
[0063] 圖4所示為建立的Back-Propagation(BP)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由一 個(gè)輸入層、個(gè)隱含層和個(gè)輸出層組成。其中輸入層由工乙參數(shù)ta，tb，t。，td，％，V， 和時(shí)空坐標(biāo)r，it，z，t組成。輸出層為邊界R對(duì)應(yīng)的溫度T。利用正交實(shí)驗(yàn)建立的數(shù)據(jù)作 為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，使用MATLAB軟件對(duì)建立的Back-Propagation(BP)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練， 不斷調(diào)整模型的參數(shù)，直至達(dá)到設(shè)定的訓(xùn)練目標(biāo)。
[0064] 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，結(jié)合模具溫度場(chǎng)的 離散模型和模具邊界溫度分布模型，利用MTALAB軟件進(jìn)行編程計(jì)算，即可得到模具整體溫 度場(chǎng)。選取一種工況，結(jié)合步驟1和2的方法，對(duì)該工況下上模具溫度場(chǎng)進(jìn)行在線重構(gòu)。并 將重構(gòu)結(jié)果與有限元模擬得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如圖5所示。為了進(jìn)一步對(duì)比兩種 模型的重構(gòu)結(jié)果，計(jì)算上模具重構(gòu)溫度與有限元模擬溫度之間的相關(guān)系數(shù)（R)和平均相對(duì) 誤差（AARE)。另外，對(duì)比本發(fā)明所提出的方法（BP-FDM)與有限元方法（FEM)的計(jì)算時(shí)間， 結(jié)果如下表2所示。
[0065] 從上述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明提出的方法能夠快速、準(zhǔn)確地在線重構(gòu)出高溫合金 機(jī)匣等溫模鍛上模具溫度場(chǎng)，為模具溫度的控制提供指導(dǎo)。
[0066] 上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不局限于上述具體的實(shí)施方 式，上述的【具體實(shí)施方式】?jī)H是示例性的。任何不超過本發(fā)明權(quán)利要求的發(fā)明，均在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0067] 表2兩種方法溫度場(chǎng)重構(gòu)結(jié)果對(duì)比
[0068]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種等溫模鍛模具溫度場(chǎng)的在線重構(gòu)方法，其特征在于該方法包括如下步驟： 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(chǎng)的解析模型，并采 用有限差分法對(duì)該解析模型進(jìn)行離散，獲得模具溫度場(chǎng)的離散模型； 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； 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(chǎng)的離散 模型和模具邊界的溫度分布模型，重構(gòu)整個(gè)模具的溫度場(chǎng)； 其中，步驟1中所述的模具溫度場(chǎng)的解析模型可以利用以下二階偏微分方程描述：(1) 式（1)中，x，y和z分別為笛卡爾坐標(biāo)系中x，y和z三個(gè)方向的坐標(biāo)；t表示時(shí)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；步驟 1出丞田右膃弟公社姑緒古的刑進(jìn)奸蠻斯鉭$ilM目.祖齒極的蠻斯M刑乇.式⑵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(gè)方向單元的長(zhǎng)度；△t代表時(shí)間步長(zhǎng)；n和n+1代表當(dāng)前時(shí)間步和下一時(shí)刻的時(shí)間步； 步驟2中模具與環(huán)境接觸的邊界溫度模型可以表示為：(3) 式⑶中，1；。。表示邊界溫度；Tara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；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)方法建立，如式（4) 所^ (4) 式（4)中，5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(shí)間；TBPbc]U代表邊界溫度。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種等溫模鍛模具溫度場(chǎng)的在線重構(gòu)方法。該方法包括如下步驟：(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(chǎng)的解析模型，并采用有限差分法對(duì)該解析模型進(jìn)行離散，獲得模具溫度場(chǎng)的離散模型；(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；(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(chǎng)的離散模型和模具邊界的溫度分布模型，重構(gòu)整個(gè)模具的溫度場(chǎng)。本發(fā)明的方法能夠快速、準(zhǔn)確地在線重構(gòu)出等溫模鍛模具溫度場(chǎng)，為有效的控制模具溫度場(chǎng)提供方法。
【IPC分類】G06F17/50, G06N3/02
【公開號(hào)】CN105022873
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510400997
【發(fā)明人】藺永誠(chéng), 陳明松, 吳先洋
【申請(qǐng)人】中南大學(xué)
【公開日】2015年11月4日
【申請(qǐng)日】2015年7月10日