復(fù)雜成形零件數(shù)字化設(shè)計仿真與成形控制集成實驗教學(xué)大綱

1、復(fù)雜成形零件數(shù)字化設(shè)計仿真與成形控制集成實驗教學(xué)大綱課程編號： 課程名稱：復(fù)雜成形零件數(shù)字化設(shè)計仿真與成形控制集成實驗課程總學(xué)時：24學(xué)時 課程總學(xué)分：4實驗總學(xué)時：24學(xué)時 適用專業(yè)：飛行器制造工程課程類型： 必修 選修 先修課程：金屬塑性成形原理、飛機鈑金成形工藝， /實驗教學(xué)的目的、任務(wù)與要求以矩形件成形過程為主線，結(jié)合數(shù)字化技術(shù)發(fā)展趨勢，貫穿設(shè)計、分析模擬以及成形控制等環(huán)節(jié)，使學(xué)生掌握復(fù)雜零件展開方法、成形過程仿真、計算機控制等技術(shù)在板料成形領(lǐng)域的應(yīng)用；在分析板料拉深成形過程主要工藝影響參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定優(yōu)化參數(shù)并實現(xiàn)成形過程工藝參數(shù)的優(yōu)化控制。經(jīng)過系統(tǒng)的綜合性訓(xùn)練，使學(xué)生對數(shù)字化設(shè)計

2、制造集成技術(shù)的了解和掌握達(dá)到一個全新的高度，從而適應(yīng)航空先進(jìn)制造技術(shù)對人才培養(yǎng)的需求。復(fù)雜成形零件數(shù)字化設(shè)計仿真與成形控制集成實驗的主要要求如下：1）掌握板料拉深成形工藝；2）了解有限元基本概念和原理；3）了解有限元分析軟件在板料成形中的應(yīng)用；4)熟悉常用儀器，設(shè)備的使用及操作方法。5)有一定的理論分析以及結(jié)果處理的能力。實驗項目內(nèi)容及學(xué)時分配序號實驗項目學(xué)時實驗內(nèi)容實驗類型備注1理論內(nèi)容講解41）盒形件拉深成形2）矩形件的毛料展開方法3）有限元基本概念和原理4）模糊控制5）分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)2零件造型及毛坯展開41）建立矩形件模型2）完成矩形件的毛坯展開3零件成形過程的仿真與分析10

3、1）矩形件成形過程建模2）矩形件成形過程有限元模擬3）模擬結(jié)果分析，確定參數(shù)毛坯形狀對板料成形性能的影響壓邊力對板料成形性能的影響4基于分區(qū)可控壓邊力成形系統(tǒng)的矩形件成形6以仿真分析得到的工藝參數(shù)為實驗條件，通過分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)完成板料拉深成形，并分析結(jié)果。主要教材（講義、實驗指導(dǎo)書）復(fù)雜成形零件數(shù)字化設(shè)計仿真與成形控制集成實驗講義 李西寧 2007.1.參考書飛機鈑金成形原理與工藝 翟平等 西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995.11.金屬塑性成形原理 俞漢清等 機械工業(yè)出版社 2002.6.考核方式實驗過程與實驗報告相結(jié)合。使用主要儀器設(shè)備說明1.材料：低碳鋼板及鋁板2.設(shè)備：100噸雙動

4、液壓機3.拉深模具、計算機/工控機4.控制系統(tǒng)5.測試儀器制訂人：李西寧 課程負(fù)責(zé)人：李西寧 大綱制訂時間： 2007年1月27日西 北 工 業(yè) 大 學(xué)復(fù)雜成形零件數(shù)字化設(shè)計仿真與成形控制集成實驗?zāi)?錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc 1.基本知識概述 PAGEREF _Toc h 1 HYPERLINK l _Toc 1.1 盒形件拉深成形 PAGEREF _Toc h 1 HYPERLINK l _Toc 1.2 矩形件的毛料展開方法概述 PAGEREF _Toc h 2 HYPERLINK l _Toc 1.3 有限元基本概念和原理 PAGEREF _T

5、oc h 7 HYPERLINK l _Toc 1.4 模糊控制 PAGEREF _Toc h 9 HYPERLINK l _Toc 2.分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng) PAGEREF _Toc h 12 HYPERLINK l _Toc 2.1 分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc h 12 HYPERLINK l _Toc 2.2 壓邊圈分區(qū)的拉深模具 PAGEREF _Toc h 13 HYPERLINK l _Toc 2.3 壓邊裝置的液壓部分 PAGEREF _Toc h 14 HYPERLINK l _Toc 2.4 控制部分 PAGEREF _Toc h 16

6、 HYPERLINK l _Toc 3.實驗 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.1 實驗?zāi)康?PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.2 實驗材料、使用工具及儀器設(shè)備 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.3 實驗內(nèi)容及步驟 PAGEREF _Toc h 18 HYPERLINK l _Toc 3.4 問題討論 PAGEREF _Toc h 20 HYPERLINK l _Toc 3.5 參考書目 PAGEREF _Toc h 20基本知識概述1.1 盒形件拉深成形拉深是在具有一定圓角

7、半徑的凸、凹模的作用下，將平板毛坯或半成品毛坯制成開口空心零件的一種沖壓工藝。拉深是鈑金成形的基礎(chǔ)性工藝。各種拉深件按變形力學(xué)的特點可分為：圓筒形零件(指直壁旋轉(zhuǎn)體)、曲面形狀零件(指曲面旋轉(zhuǎn)體)、盒形件(直壁非旋轉(zhuǎn)體)和非旋轉(zhuǎn)體曲面形狀零件(如大型覆蓋件)等四種類型。一直以來，圓筒形件作為最簡單、最典型的拉深件，而在現(xiàn)階段，人們對于盒形件的研究也日益增多。盒形件不具有軸對稱的回轉(zhuǎn)體形狀，所以盒形件的拉深是非軸對稱的沖壓成形。在盒形件拉深時，由于在周邊方向上的變形與應(yīng)力的不均勻分布，致使毛坯變形區(qū)內(nèi)各點的位移與位移速度也不一樣。方向和大小不同的位移速度可能引發(fā)變形區(qū)（甚至在非變形區(qū)）的誘發(fā)應(yīng)力

8、。為了便于理解盒形件的拉深變形特點，通常人為的把盒形件劃分為直邊部分和圓角部分：四個直邊和四個半徑為的圓角部分。在不考慮直邊部分和圓角部分在變形上互相影響的前提下，可以簡單的認(rèn)為：由平板毛坯拉深成盒形件時，直邊部分只產(chǎn)生反復(fù)的彎曲變形，而圓角部分相當(dāng)于四分之一筒形件拉深變形。直邊部分在通過凹模圓角區(qū)時，只產(chǎn)生彎曲和反彎曲變形，不產(chǎn)生其他形式的變形，所以直邊部分拉入凹模的阻力，僅是彎曲變形阻力和摩擦阻力；圓角部分被拉入凹模的阻力，由拉深變形阻力與毛坯通過凹模圓角時產(chǎn)生的摩擦阻力和彎曲變形阻力組成，其值遠(yuǎn)大于直邊部分的拉入阻力。淺盒形件拉深時毛坯各部分拉入凹模阻力沿凹模上口的分布是不均勻的，圓角部

9、分的拉入阻力（拉應(yīng)力）大于直邊部分。事實上，盒形件的直邊部分和圓角部分并不是處于相互分離和各自獨立的狀態(tài)，這兩部分是相互聯(lián)接在一起的整體毛坯，所以這兩部分中的任何一部分的變形都要受到另一部分的影響。因此，圓角部分的拉深變形會向直邊部分?jǐn)U展，使直邊受到切向擠壓，也產(chǎn)生一定程度的拉深變形，其結(jié)果使圓角部分本身的拉深變形得到減輕。盒形件的越大，這個現(xiàn)象越嚴(yán)重。由于直邊部分與圓角部分的變形性質(zhì)不同，它們在拉深過程中產(chǎn)生的徑向伸長變形也不一樣。伸長變形較小的直邊部分，具有較大的位移速度，結(jié)果使直邊部分和圓角部分之間的金屬產(chǎn)生誘發(fā)的切向應(yīng)力和剪切變形。在圓角部分和直邊部分的中線上，不受切向應(yīng)力的作用。直邊

10、部分通過切向應(yīng)力的作用，帶動阻力較大的圓角部分拉入凹模，其結(jié)果使圓角部分側(cè)壁內(nèi)的拉應(yīng)力降低，并使側(cè)壁內(nèi)拉應(yīng)力沿周邊的分布趨于均勻，而且越接近于盒形件的底部，因切向應(yīng)力引起的均勻化程度越大。這樣，圓角部分的底部就不在是拉應(yīng)力最大的危險斷面，而拉應(yīng)力最大的危險斷面已轉(zhuǎn)移到圓角部分的凹模圓角區(qū)的出口，即稍低于凹模圓角的部位。圖1 盒形件拉深應(yīng)力分布1.2 矩形件的毛料展開方法概述求出沖壓件的展開毛坯，是分析沖壓件變形程度、設(shè)計工藝及擬訂工藝規(guī)程的前提。如果毛坯形狀合適，變形沿毛坯分布不均勻的現(xiàn)象能夠得到明顯改善，成形極限也可有所提高，并能降低凸耳高度，減少切邊余量。此外，采用合理的毛坯形狀，往往能夠

11、使某些需要二次拉深才能成形的制件，用一次拉深便可達(dá)到制件要求的高度。對于不規(guī)則沖壓件，由于其形狀的復(fù)雜性，不可能用解析方法來求得它的毛坯外形。至今未能得到滿意的結(jié)果。因此求解毛坯展開形狀成為沖壓工藝設(shè)計中的一個重要而亟待解決的問題。目前的方法及其優(yōu)缺點：經(jīng)驗法現(xiàn)在工廠中最常用的方法是分別計算矩形直邊部分的展開長度和圓角部分的展開半徑，然后在過渡區(qū)域以圓弧和直線相連接，不過這種方法僅適用于比較淺的拉深件。羅曼諾夫斯基提出了一種分區(qū)域計算的方法，在原來的基礎(chǔ)上有較大的改進(jìn)，但準(zhǔn)確度有待進(jìn)一步提高。所有這些求矩形毛坯的方法，都是一些湊合性質(zhì)的經(jīng)驗方法?；凭€法應(yīng)用滑移線理論，研究和制作沖壓毛坯的合理

12、形狀和尺寸，是一種比較直觀和合理的方法?；凭€場建立的方法，概括起來有兩種：數(shù)學(xué)解析法和分析推理法。但是研究表明：只有在特別簡單的邊界條件下，才能從特征方程求解中給出滑移線的數(shù)學(xué)表達(dá)式。一般情況下，需利用特征方程的數(shù)值積分，根據(jù)給定的邊界條件，逐點遞推，求得近似滑移線場，這種方法是以變換特征線微分方程為有限差分關(guān)系式，并利用滑移線的特性作為基礎(chǔ)的。由于數(shù)學(xué)運算比較復(fù)雜，較難推廣應(yīng)用。分析推理法根據(jù)金屬流動情況、塑性區(qū)的邊界條件和應(yīng)力狀態(tài)等，并利用滑移線的特性，通過分析推理得出滑移線場。由于變形區(qū)各部分的邊界條件和應(yīng)力狀態(tài)不一定相同，故常常需要分區(qū)域考慮滑移線場，然后將一系列滑移線場拼接起來，構(gòu)

13、成一個完整的滑移線場。有時，對于同一個問題，可能作出不同的滑移線場，這就需要進(jìn)一步校核其唯一性和合理性。但是，滑移線法由于種種原因未能被生產(chǎn)實踐廣為應(yīng)用?；凭€理論的應(yīng)用前提有兩方面：（1）忽略材料的應(yīng)變剛效應(yīng)，假定變形體為一理想剛塑性體，這會影響毛坯預(yù)測的精度；（2）變形物體必須處于平面應(yīng)變狀態(tài)，在板料成形問題中，如果忽略厚度的變化，才可用于主應(yīng)力異號的平面應(yīng)力狀態(tài)。勢場模擬法勢場模擬法假設(shè)沖壓件板料為不可壓縮的平面各向同性的剛塑性體，在沖壓中介于工件邊緣和準(zhǔn)確坯料邊緣之間的凸緣部分處于塑性狀態(tài)，并在內(nèi)邊緣應(yīng)力的作用下向凹模型腔內(nèi)流動。從理論上可以證明：沖壓工件凸緣處金屬的這種流動與相似區(qū)域

14、、相似邊界條件的純粘性流體的流動、電流的流動或熱傳導(dǎo)是相似的，因而可用這些有勢場模擬求出不規(guī)則沖壓件的展開坯料外形。一般對于外形相似的沖壓件，只須求出某一尺寸模型的等位線，其它尺寸模型的等位線均可以通過放大或縮小得到。對于圓角半徑較小而直邊較長的矩形件，當(dāng)沖壓件很淺時，直邊段凸緣很少或不發(fā)生塑性變形，這與一般的理論推導(dǎo)中整個凸緣的板料均處于塑性狀態(tài)的假設(shè)是不符合的，因而模擬法效果較差，這時以采用經(jīng)驗法為好。對于圓角半徑較大的矩形件，當(dāng)沖壓深度較淺時三種方法相差不大。當(dāng)矩形件深度增加，經(jīng)驗法產(chǎn)生很大誤差，羅氏法籠統(tǒng)地增加直邊的高度也與實際情況相差很大，模擬法從金屬流動的觀點來考慮沖壓件的毛料，對

15、較深的矩形件取得了比經(jīng)驗法和羅氏法都更好的效果?？傊娔M法基本符合求沖壓件毛料展開尺寸的一般假設(shè)條件：（1）毛料面積在沖壓前后不變；（2）由第一個條件得出的必然推論，即圓角部分的多余毛料全部轉(zhuǎn)移到直邊部分，實際上圓角部分的多余毛料是很難全部轉(zhuǎn)移到直邊部分的。由于沖壓中變厚變薄量分配的不均勻，甚至凸緣部分也往往不全部處于塑性變形狀態(tài)。沖壓前后的面積并不完全相同，這些與假設(shè)條件不相符的實際情況，也使電模擬法的準(zhǔn)確度受到同樣的影響。幾何映射法JCGerdeen和P.Chen最早提出幾何映射法，他們認(rèn)為：應(yīng)變由變形前后板料的幾何差別定義，而通常變形后的板料形狀已知。因此從理論上講有可能將變形后的板

16、料點對點地映射回初始平板，并且不需要知道載荷就能夠計算應(yīng)力的分布。應(yīng)變決定于厚度分布，但是變形后板料的厚度分布未知，這樣幾何映射法的成功依賴于特定問題厚度分布的正確假設(shè)和開發(fā)一種迭代方法使厚度與特定的邊界條件相匹配。Gerdeen提出了一些假設(shè)來確定特定問題的厚度分布，并且開發(fā)了一個迭代算法使與一定的邊界條件相匹配。關(guān)于厚度分布，Gerdeen規(guī)劃了三個幾何映射基本因素：純剪應(yīng)變、平面應(yīng)變、雙軸拉伸。一般的板料成形中，摩擦?xí)绊憫?yīng)變的分布，非對稱零件有非對稱的應(yīng)變分布。Gerdeen開發(fā)了兩套程序AXIFORMH和FEPFORM分別用來處理軸對稱和非對稱情況。他的方法使用了有限單元，在每個單元

17、中進(jìn)行幾何映射。如果同時考慮三向位移，微分方程將非常復(fù)雜，因此Gerdeen將變形過程分解為若干步，每一步的求解非常簡單?？紤]到位移矢量可以疊加，這種分解是可能的。具體的有：（1）有X向拉伸的板到板單元；（2）有Y向拉伸的板到板單元；（3）有X向剪切的板到板單元；（4）有Y向剪切的板到板單元；（5）剛體轉(zhuǎn)動；（6）有Z向位移的板到殼單元。由于幾何映射法本身的局限性，它只適用于有限的范圍，并且誤差較大。增量有限元法板料成形過程中金屬的塑性流動受模具形狀、潤滑條件和毛坯形狀等因素的影響，而前述4種方法沒有考慮模具形狀和潤滑條件的影響。增量有限元方法正是全面考慮了各種因素的影響，因此也是最精確的方法

18、，但是增量有限元方法需要很長的計算時間，由于接觸邊界條件處理的困難，計算模型十分復(fù)雜，計算的收斂性受到很大的影響。同時，增量有限元法必須先假定一個毛坯形狀才能開始計算，然后根據(jù)計算結(jié)果對毛坯形狀進(jìn)行修正，這更加長了設(shè)計周期。一步法一步法的基本思想是在滿足一定的邊界條件基礎(chǔ)上，通過非線性有限元分析從零件形狀推算出初始毛料的形狀，由零件中的網(wǎng)格節(jié)點的分布去推知初始毛料中網(wǎng)格節(jié)點的分布，通過比較零件和毛料上網(wǎng)格變形得到零件的應(yīng)變分布和厚度變化，達(dá)到初步預(yù)測零件變形情況的目的。一步法假定初始毛料在一個水平面上，毛料上所有節(jié)點有相同的Z向坐標(biāo)。一步法中初始構(gòu)形和最終構(gòu)形中已知量和未知量如圖2和表1所示。

19、 圖2 一步法計算示意圖表1 一步法計算中的已知量和未知量已知量未知量毛料形狀（初始構(gòu)形）厚度初始應(yīng)力初始應(yīng)變節(jié)點的向坐標(biāo)節(jié)點的向坐標(biāo)節(jié)點的向坐標(biāo)零件形狀（最終構(gòu)形）節(jié)點坐標(biāo)垂直方向位移厚度應(yīng)變，應(yīng)力 1990年，YQGuo首次詳細(xì)推導(dǎo)出一步法基于虛功原理的平衡方程。由于一步法中最終構(gòu)形中節(jié)點坐標(biāo)是已知的，初始構(gòu)形中節(jié)點坐標(biāo)是未知的，所以采用Euler法來描述其變形過程。將虛功原理應(yīng)用于最終構(gòu)形可得： （1）其中為塑性變形能，為外力所做的功。將上式表達(dá)為離散形式為： （2） 其中e為單元序號，和分別為虛位移和虛應(yīng)變，為Canchy應(yīng)力，為外力。在一步法中，假定材料沿著最小功路徑變形，由于最終構(gòu)

20、形上節(jié)點坐標(biāo)已知，所以W為初始構(gòu)形上節(jié)點坐標(biāo)X的函數(shù)，而：X=x-U （3）其中U為節(jié)點位移，所以W為U的函數(shù)。所以W可寫成以下（4）為單元虛位移，為節(jié)點位移向量。為節(jié)點單元內(nèi)力，為單元外力，為節(jié)點內(nèi)力和外力差。 方程（4）相當(dāng)于下列方程： （5）方程（5）為非線性方程組，采用Newton-Raphson法求解： （6）令： 成為切向剛度矩陣。最后修正如下： （7）按照理想變形，通過最小變形功的計算得到成形過程中產(chǎn)品上的應(yīng)變分布，對可能出現(xiàn)破裂、起皺（用厚向應(yīng)變表示）的趨勢和部位進(jìn)行預(yù)測，為改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計和模具工藝設(shè)計提供參考。由于這一方法從產(chǎn)品形狀入手得到毛坯形狀和最終的成形狀態(tài)，所以一步法也

21、稱之為“反向法”。1.3 有限元基本概念和原理有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的(較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能夠表示實際連續(xù)域的離散單元。有限元的概念早在幾個世紀(jì)前就已產(chǎn)生并得到了

22、應(yīng)用，例如用多邊形（有限個直線單元）逼近圓來求得圓的周長，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強度計算，并由于其方便性、實用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。經(jīng)過短短數(shù)十年的努力，隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，有限元方法迅速從結(jié)構(gòu)工程強度分析計算擴展到幾乎所有的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，成為一種豐富多彩、應(yīng)用廣泛并且實用高效的數(shù)值分析方法。有限元方法與其它求解邊值問題近似方法的根本區(qū)別在于它的近似性僅限于相對小的子域中。20世紀(jì)60年代初首次提出結(jié)構(gòu)力學(xué)計算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地將其描繪為：“有限元法=Rayleig

23、h Ritz法分片函數(shù)”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一種局部化情況。不同于求解（往往是困難的）滿足整個定義域邊界條件的允許函數(shù)的Rayleigh Ritz法，有限元法將函數(shù)定義在簡單幾何形狀（如二維問題中的三角形或任意四邊形）的單元域上（分片函數(shù)），且不考慮整個定義域的復(fù)雜邊界條件，這是有限元法優(yōu)于其他近似方法的原因之一。對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學(xué)模型的問題，有限元求解法的基本步驟是相同的，只是具體公式推導(dǎo)和運算求解不同。有限元求解問題的基本步驟通常為：第一步：問題及求解域定義：根據(jù)實際問題近似確定求解域的物理性質(zhì)和幾何區(qū)域。第二步：求解域離散化：將求解域近似為具有不同有限大小和形

24、狀且彼此相連的有限個單元組成的離散域，習(xí)慣上稱為有限元網(wǎng)絡(luò)劃分。顯然單元越小（網(wǎng)絡(luò)越細(xì)）則離散域的近似程度越好，計算結(jié)果也越精確，但計算量及誤差都將增大，因此求解域的離散化是有限元法的核心技術(shù)之一。第三步：確定狀態(tài)變量及控制方法：一個具體的物理問題通?？梢杂靡唤M包含問題狀態(tài)變量邊界條件的微分方程式表示，為適合有限元求解，通常將微分方程化為等價的泛函形式。第四步：單元推導(dǎo)：對單元構(gòu)造一個適合的近似解，即推導(dǎo)有限單元的列式，其中包括選擇合理的單元坐標(biāo)系，建立單元試函數(shù)，以某種方法給出單元各狀態(tài)變量的離散關(guān)系，從而形成單元矩陣（結(jié)構(gòu)力學(xué)中稱剛度陣或柔度陣）。為保證問題求解的收斂性，單元推導(dǎo)有許多原則

25、要遵循。對工程應(yīng)用而言，重要的是應(yīng)注意每一種單元的解題性能與約束。例如，單元形狀應(yīng)以規(guī)則為好，畸形時不僅精度低，而且有缺秩的危險，將導(dǎo)致無法求解。第五步：總裝求解：將單元總裝形成離散域的總矩陣方程（聯(lián)合方程組），反映對近似求解域的離散域的要求，即單元函數(shù)的連續(xù)性要滿足一定的連續(xù)條件?？傃b是在相鄰單元結(jié)點進(jìn)行，狀態(tài)變量及其導(dǎo)數(shù)（可能的話）連續(xù)性建立在結(jié)點處。第六步：聯(lián)立方程組求解和結(jié)果解釋：有限元法最終導(dǎo)致聯(lián)立方程組。聯(lián)立方程組的求解可用直接法、選代法和隨機法。求解結(jié)果是單元結(jié)點處狀態(tài)變量的近似值。對于計算結(jié)果的質(zhì)量，將通過與設(shè)計準(zhǔn)則提供的允許值比較來評價并確定是否需要重復(fù)計算。簡言之，有限元分

26、析可分成三個階段，前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型，完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，使用戶能簡便提取信息，了解計算結(jié)果。動力顯式的求解過程如圖3所示：圖3 求解流程圖1.4 模糊控制傳統(tǒng)的液壓伺服系統(tǒng)中大都采用PID控制技術(shù)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、穩(wěn)定等優(yōu)點，但不能有效克服負(fù)載、模型參數(shù)大范圍變化等非線性因素的影響，因而在高性能、高精度場合不能滿足要求；自適應(yīng)PID控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算量大，實時性差，并且控制品質(zhì)的好壞對控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的精確性有很大的依賴。液壓系統(tǒng)本身屬于多變量、非線性時變系統(tǒng)，常因油溫，負(fù)載等參數(shù)變化使輸出不穩(wěn)定，而且許多非線性環(huán)節(jié)比如死區(qū)、摩擦和

27、滯環(huán)等又是未知和時變的，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此基于PID控制算法的控制器很難獲得滿意的效果?？刂葡到y(tǒng)在算法設(shè)計上，采用了最近幾年在大型液壓系統(tǒng)上比較常用的模糊控制算法，它不依賴于被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，能夠克服非線性因素的影響，對調(diào)節(jié)對象的參數(shù)變化具有較強魯棒性。此外，由于此套系統(tǒng)的液壓子系統(tǒng)的設(shè)計原理采用的是以比例溢流閥為執(zhí)行元件的背壓控制，控制系統(tǒng)的模型呈現(xiàn)出高階，控制過程呈現(xiàn)出非線性特性，而模糊控制器在非線性、時變、強耦合及時滯等復(fù)雜系統(tǒng)中能表現(xiàn)出比傳統(tǒng)控制算法更優(yōu)的控制品質(zhì)。通過對模糊控制規(guī)則庫的動態(tài)查詢，可以直接得到控制量的模糊值，在通過簡單的反模糊化計算，即可得到實際的控制信

28、號，在線計算量很小，很好的彌補了傳統(tǒng)的PID算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法在響應(yīng)速度上的缺陷，使整套系統(tǒng)在快速性與超調(diào)性上得到了協(xié)調(diào)，縮短系統(tǒng)的調(diào)整時間，在保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時，改善了系統(tǒng)的動態(tài)性能。模糊控制算法的基本原理模糊邏輯控制 (Fuzzy Logic Control)簡稱模糊控制(Fuzzy Control)，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。1965年，美國的L.A.Zadeh創(chuàng)立了模糊集合論；1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國的E.H.Mamdani首先用模糊控制語句組成模糊控制器，并把它應(yīng)用于鍋爐和蒸汽機的控

29、制，并獲得了成功。模糊控制的基本原理就是將人的經(jīng)驗總結(jié)成語言控制規(guī)則，運用模糊理論模擬人的推理與決策，從而實現(xiàn)自動控制的控制系統(tǒng)。模糊推理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由四個重要部件組成：知識庫、推理機制、模糊化輸入接口與去模糊化輸出接口。知識庫又包含模糊if-then規(guī)則庫和數(shù)據(jù)庫。規(guī)則庫中的模糊規(guī)則定義和體現(xiàn)了與領(lǐng)域問題有關(guān)的專家經(jīng)驗或知識，而數(shù)據(jù)庫則定義模糊規(guī)則中用到的隸屬函數(shù)。模糊規(guī)則的形式一般為if A is a then B is b，其中A與B都是語言變量而a和b則是由隸屬函數(shù)映射到的語言值，在數(shù)據(jù)庫中都有相應(yīng)的隸屬函數(shù)加以定義。推理機制按照這些規(guī)則和所給的事實執(zhí)行推理過程，求得合理的輸出或結(jié)論

30、。模糊輸入接口，將明確的輸入轉(zhuǎn)換為對應(yīng)隸屬函數(shù)的模糊語言值，而去模糊輸出接口則將模糊的計算結(jié)果轉(zhuǎn)換為明確的輸出。其結(jié)構(gòu)可以用圖4進(jìn)行描述:圖4 模糊推理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由圖4我們可以看到，模糊控制系統(tǒng)的建立分為三個步驟：一是挑選能夠反映系統(tǒng)工作機制的輸入輸出變量 ；二是挑選這些變量的模糊子集；三是用模糊規(guī)則建立輸出集與輸入集的關(guān)系。而模糊系統(tǒng)F用三個步驟將輸入x映射到輸出F(x)。第一步是將輸入x并聯(lián)地匹配到所有“如果部分”的模糊集合，這一步依據(jù)輸入x屬于每一個“如果部分”集合A的程度來“激活”或“啟動”模糊規(guī)則。第二步是疊加所有按比例收縮的“則部分”集合，生成最終的輸出集合。第三步是去模糊化，

31、系統(tǒng)計算出最終輸出集的形心或重心作為輸出F（x）,將模糊控制量轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的實際輸出的控制量進(jìn)行輸出控制。分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)2.1 分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)在分析XP3CEF-100四柱液壓機工作參數(shù)和工作原理的基礎(chǔ)上，綜合運用板料成形技術(shù)、液壓技術(shù)、計算機技術(shù)和控制技術(shù)，建立分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)，以分區(qū)變壓邊力為主要控制參數(shù)，實現(xiàn)矩形件的拉深成形。分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)體系如圖5所示。成形系統(tǒng)主要由液壓機、壓邊圈分區(qū)的拉深模具、壓邊裝置的液壓部分和系統(tǒng)控制部分組成，如圖6。成形過程中主要的控制參數(shù)有：拉深力、壓邊力和拉深位移。成形系統(tǒng)在控制部分的統(tǒng)一控制下，由液壓機

32、的液壓系統(tǒng)和壓邊裝置的液壓部分分別提供拉深力和壓邊力，基于分區(qū)變壓邊力的拉深模具完成矩形件的成形。圖5 分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)體系控制部分液壓機液壓部分拉深模具圖6 分區(qū)變壓邊力矩形件成形系統(tǒng)組成2.2 壓邊圈分區(qū)的拉深模具壓邊圈分區(qū)的矩形件拉深模具如圖7所示，模具采用拉深凹模位于上模，凸模置于下模的倒裝式結(jié)構(gòu)。壓邊圈采用分區(qū)結(jié)構(gòu)，即4個直邊和4個角部壓邊塊，各塊之間可以協(xié)調(diào)運動，且各壓邊塊壓力由相應(yīng)的液壓缸提供，各液壓缸的壓力可以獨立調(diào)節(jié)。因此，壓邊塊可針對毛坯不同部分的壓邊力需要，提供相應(yīng)的壓邊力。為了保證壓邊塊的合理動作，使用壓邊托盤和蓋板把8個壓邊塊連為一體，以約束壓邊塊在水平方向

33、的位移，而在垂直方向壓邊塊與蓋板之間可相對運動。通過在托盤上加裝導(dǎo)柱，在下模板上加裝與之配合的導(dǎo)套，來對壓邊裝置（壓邊蓋板5、壓邊塊6和壓邊托盤7）進(jìn)行整體定位。液壓缸的活塞桿頭裝有壓力傳感器，用于測量在拉深成形過程中液壓缸提供的實時壓邊力值；在上模板上裝有壓力傳感器用于測量拉深力。壓邊力和拉深力通過控制部分進(jìn)行實時控制。工作時，液壓缸活塞桿向上運動，使壓邊裝置一起向上運動至稍高于凸模表面，通過定位銷實現(xiàn)板料的合理定位。然后上模部分（上模板1、墊塊2和凹模3）隨液壓機滑塊下行，凹模先與壓邊塊上的板料接觸，實現(xiàn)壓邊；隨著上模部分繼續(xù)下行，在壓邊的狀況下實現(xiàn)矩形件的拉深成形。圖7 壓邊圈分區(qū)的矩形

34、件拉深模具1上模板2墊塊 3凹模 4凸模 5壓邊蓋板 6壓邊塊 7壓邊托盤 8液壓缸 9下模板10凸模支架 11導(dǎo)套架 12導(dǎo)套13導(dǎo)柱14定位銷15壓力傳感器 16液壓缸活塞桿2.3 壓邊裝置的液壓部分液壓部分主要是由液壓油泵、控制閥、液壓缸等組成，液壓原理如圖8所示。由于拉深模具的倒裝結(jié)構(gòu)，在拉深過程中液壓缸的活塞桿是隨著拉深滑塊一起下行，使得板料成形時活塞桿是在回縮過程中。此時的壓力油流動方向與油泵提供的壓力油流動方向相反，即壓力油是向著回油方向流動，因此液壓系統(tǒng)采用背壓控制技術(shù)。同時考慮串聯(lián)回路雖然可以減少油缸的數(shù)目，但是會引起如下缺點：（1）同一時間內(nèi)只宜使用一個缸操作。（2）所有換

35、向閥都要適應(yīng)油泵的輸油量，因此要加大閥門的流量指標(biāo)。（3）三個或三個以上的換向閥串聯(lián)配置，阻力大。（4）閥換向時引起液壓沖擊，為實現(xiàn)分區(qū)變壓邊力控制，采用了多缸并聯(lián)控制回路，以便同步獨立控制壓力力。拉深準(zhǔn)備階段，完成液壓缸活塞桿的頂出。首先啟動油泵23，壓力油通過電磁閥22卸荷，保證油泵的無負(fù)載啟動。在控制系統(tǒng)的作用下，先打開相應(yīng)分區(qū)壓邊區(qū)域?qū)?yīng)的電磁方向閥9-16，并置于左端，然后控制電磁閥22換向后，壓力油通過溢流閥26經(jīng)系統(tǒng)調(diào)壓后排回油箱，準(zhǔn)備開始活塞桿頂出。當(dāng)電磁方向閥20換向到左端時，壓力油經(jīng)單向閥I19、方向閥20以及方向閥9-16、單向閥I1-I8，通過節(jié)流閥J1-J8的調(diào)速，向

36、各液壓缸供油，實現(xiàn)活塞桿的頂出。拉深成形階段。首先將閥22換向至右端使壓力油卸荷。然后根據(jù)工藝要求，將需要壓邊力控制區(qū)域?qū)?yīng)的壓邊力控制單元的電磁換向閥9-16關(guān)閉于中位。此時由于單向閥I1-I8以及溢流閥E1-E8的作用，形成背壓，使活塞桿維持頂出位置。毛坯放好位置后，在控制系統(tǒng)的作用下液壓機的拉深滑塊開始下行。當(dāng)凹模與毛坯表面接觸開始拉深時，由于凹模通過毛坯對模具的壓邊圈的作用，將活塞桿下壓，液壓缸無桿腔中的壓力油排出。由于單向閥I1-I8的作用，壓力油通過溢流閥E1-E8背壓控制，調(diào)節(jié)壓邊力。從溢流閥流出的壓力油一部分補充進(jìn)液壓缸的有桿腔中，一部分通過方向閥9-16的中位流回油箱。拉深結(jié)

37、束后，控制系統(tǒng)使液壓機的拉深滑塊回程。然后切換閥9-16至右端，活塞桿準(zhǔn)備下行。在電磁閥20切換至左端后，切換方向閥22，將油泵提供的壓力油通過換向閥供入液壓缸，使活塞桿下行直至就位。1-8液壓缸 E1-E8比例溢流閥 J1-J8節(jié)流閥 I1-I8單向閥9-16、20、22電磁換向閥 圖8 壓邊裝置液壓原理圖2.4 控制部分根據(jù)系統(tǒng)要求，控制部分主要對壓邊力、拉深力和拉深位移進(jìn)行控制?？刂撇糠植捎每删幊炭刂破鳎≒LC）和工控機兩級控制的結(jié)構(gòu)。PLC 負(fù)責(zé)按鈕、行程開關(guān)和其它開關(guān)量信號的輸入，以及發(fā)出信號去控制接觸器、繼電器、比例閥的放大板等電氣元件，進(jìn)而控制液壓系統(tǒng)的壓力油的流向、壓力以及電機

38、的運行，同時控制相應(yīng)指示燈的顯示。工控機用來對系統(tǒng)的工作參數(shù)的設(shè)定和修改、控制算法的實現(xiàn)、工藝過程的自動控制、系統(tǒng)工況的在線監(jiān)視、信息交換等工作。工控機通過串行口與 PLC 相連，進(jìn)行相互通信，所以工控機是通過發(fā)出命令去控制 PLC 的運行以達(dá)到進(jìn)行控制的目的?？刂撇糠纸Y(jié)構(gòu)如圖9所示。這樣通過系統(tǒng)的層次劃分既保證了控制系統(tǒng)的可靠性，又使得系統(tǒng)控制靈活。圖9 控制部分結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用工控機和可編程序控制器（PLC）兩級控制的上下位機的結(jié)構(gòu)形式。研華610工業(yè)控制機作為上位機用于完成對系統(tǒng)工作參數(shù)的設(shè)定和修改、控制算法的實現(xiàn)、工藝過程的自動控制、系統(tǒng)工況的在線監(jiān)視、信息交換等工作；上位機通過RS-232C串行通信線與OMRON CJ系列的可編程序控制器相連，該PLC與相關(guān)數(shù)字量和模擬量輸入輸出模塊共同實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)采集和底層控制任務(wù)。在拉深過程中，工控機通過串口讀取PLC采集到的八個壓邊力數(shù)值，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的壓邊力控制曲線，實時計算各拉深深度時當(dāng)前壓邊力數(shù)值與目標(biāo)值的偏差，執(zhí)行控制算法，工