基于Bayesian Kriging模型的压射机构稳健优化设计基础研究

The changes of the fit clearance and friction caused by the thermal deformation in injection mechanism, which is a core component of the squeeze casting or die casting machine, directly reduce the control precision and stability of the injection process, and then restrict the precision and performance of castings (especially for large complex castings). This project proposes a technical solution for the robust optimization design of the injection mechanism by introducing the uncertainty analysis and combining the multi-field coupling simulation. The research focuses on: (1) Friction mechanism analysis and friction modeling, the characterization of mapping relation between friction coefficient and fit clearance, and the finite element algorithm for solving the thermal-mechanical-fluid coupling model integrated the mapping relation into; (2) Bayesian Kriging metamodeling method, the quantitative prediction on uncertainty based on the Kriging metamodel, along with the quantitative validation and calibration of the metamodel considering data non-normality; (3) The change rules and interaction mechanism among the deformation, clearance and friction, as well as 6-sigma robust optimization design based on multi-objective optimization model and intelligent optimization algorithm. The outcome of the project is able to lay the foundation for optimization design of the injection mechanism and process, and promote the precision of squeeze casting equipment.

压射机构作为挤压铸造机、压铸机等成形装备的核心部件，工作中热变形引起的配合间隙与摩擦的变化直接降低了压射工艺的稳定性与控制精度，成为制约成形零件（特别是大型复杂件）高精度、高性能化的瓶颈。为此，本项目提出了引入不确定性分析理论，结合多场耦合模拟实现压射机构稳健优化设计的技术路线。研究着重于：(1) 摩擦机理分析与建模，摩擦系数与配合间隙映射关系的表征，以及整合于热-力-流多场耦合模型的有限元求解算法；(2) Bayesian Kriging元建模方法，基于Kriging模型的不确定性定量化分析，以及考虑数据非正态性的代理模型定量化评估验证和修正；(3) 变形、动态配合间隙及摩擦的变化规律与相互影响机制，以及基于多目标优化模型与智能优化算法的6-sigma稳健优化设计。项目成果可为压射机构及工艺的优化设计奠定理论与技术基础，促进相关装备特别是挤压铸造装备的精密化、高端化发展。

本项目针对挤压铸造机压射机构在热、结构载荷作用下的变形引起的配合间隙与摩擦的变化导致压射工艺和成形质量控制精度和稳定性下降的问题，通过对压射机构的摩擦建模与模拟、不确定性分析以及稳健优化设计，结合挤压铸造机实验研究，完成了以下主要研究内容：搭建了压射机构试验平台及设计了实验检测方案、明晰了压射机构摩擦机理、建立了摩擦模型并整合于多场耦合数值模拟、提出了基于Bayesian Kriging模型的不确定性分析方法、开发了多可信度Co-Kriging建模及精确预测方法、揭示了变形与动态配合间隙及摩擦的变化与影响规律、建立了基于Bayesian Kriging模型的6σ稳健优化方法、提出了基于Pareto精简更新的优化加点策略及加权混合代理模型建模方法。取得的成果包括发表学术论文20篇（SCI收录14篇，EI收录5篇），申请发明专利6件（已授权1件），登记软件著作权1件，培养毕业硕士研究生6人，成果推广获得中国机械工业科学技术奖1项，实现了预期目标。形成了集摩擦模拟、不确定性分析、参数变化规律揭示以及稳健优化为一体的压射机构系统化设计理论与方法，为压射机构的设计与压射工艺优化奠定理论与技术基础，在成形装备设计和铝合金结构件成形领域具有广阔的应用前景。