轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计方法、系统与流程

本申请涉及工艺优化控制，具体涉及一种轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计方法、系统。

背景技术：

1、随着汽车轻量化要求提高，铝合金等轻质材料逐步应用于制动系统零部件。卡钳活塞在工作过程中承受反复液压载荷，其杯底与侧壁过渡圆角区域易形成较高的局部应力，因此除尺寸精度和成型完整性外，成型后的微观组织状态也是影响其服役性能的重要因素。对于铝合金薄壁杯形活塞，多采用反挤压、旋压等塑性成型工艺，并通过多道次变形控制材料流动和壁厚。铝合金在热成型过程中同时存在加工硬化、动态回复、动态再结晶以及道次间晶粒长大等组织演化行为，晶粒尺寸受压下率、成型温度、变形速度、停留时间等参数共同影响，且前一道次形成的材料状态会对后续道次产生持续影响。

2、现有工艺设计通常结合经验参数、有限元热力成型仿真及晶粒演化模型，对不同道次方案进行计算和比较。此类方法能够获得较为详细的应变、温度及组织演化结果，但单次高保真仿真计算量较大，在多道次、多参数连续空间内进行反复试算时效率较低。近年来，数据驱动的代理模型开始用于辅助金属成型参数优化，但普通预测模型主要依赖样本拟合，在训练样本有限时难以保证逐道次晶粒演化结果始终符合实际成型过程中的组织变化规律。因此，如何兼顾晶粒演化预测的物理合理性、计算效率以及多道次工艺参数优化能力，仍是轻量化卡钳活塞成型工艺设计中需要解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本公开提供了轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计方法、系统，可以缓解、减轻或甚至消除至少上述问题。

2、根据本申请的一个方面，提供一种轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计方法，包括：

3、根据目标活塞的疲劳寿命要求，确定圆角区晶粒尺寸上限阈值；

4、在多道次成型参数的可行范围内采样生成多组道次参数序列，对各组道次参数序列运行成型仿真与晶粒演化计算，获取各道次结束后圆角区的晶粒尺寸，形成训练样本集；

5、构建道次序列晶粒预测网络并以所述训练样本集训练，所述道次序列晶粒预测网络逐时间步递推，每个时间步对应一个道次且依次经过成型细化通道和停留长大通道；所述成型细化通道输出非负的细化量并从当前晶粒尺寸中减去，所述停留长大通道输出非负的长大量并叠加至当前晶粒尺寸；

6、以训练后的所述道次序列晶粒预测网络为预测工具，以道次参数序列为优化变量、以网络输出的最终晶粒尺寸为优化目标，在总减薄量约束和设备能力约束下，通过梯度搜索求取使所述最终晶粒尺寸最小的道次参数序列，作为优化后的成型工艺方案。

7、可选地，所述成型细化通道和所述停留长大通道各自包含一个子网络，各子网络的输出经非负激活函数处理后分别得到所述细化量和所述长大量；所述非负激活函数从结构上约束输出恒为非负值，使晶粒尺寸在成型阶段只减不增、在停留阶段只增不减。

8、可选地，所述道次序列晶粒预测网络的内部状态包括晶粒尺寸标量和辅助材料状态向量；所述辅助材料状态向量参与所述成型细化通道和所述停留长大通道的输入计算，并在每个时间步内由两个通道依次更新。

9、可选地，所述成型细化通道的输入为前一时间步的晶粒尺寸标量、前一时间步的辅助材料状态向量与当前道次的成型参数的拼接；所述停留长大通道的输入为所述成型细化通道更新后的晶粒尺寸标量、更新后的辅助材料状态向量与当前道次的停留参数的拼接。

10、可选地，训练所述道次序列晶粒预测网络时，损失值由最终晶粒尺寸预测误差项和中间道次晶粒尺寸预测误差项加权求和构成；所述中间道次晶粒尺寸预测误差项以各道次结束后的预测晶粒尺寸与所述训练样本集中对应的仿真晶粒尺寸之间的偏差计算得到。

11、可选地，所述损失值还包括单调性正则项，所述单调性正则项对成型细化通道输出后晶粒尺寸大于输入晶粒尺寸的偏差、以及停留长大通道输出后晶粒尺寸小于输入晶粒尺寸的偏差施加惩罚。

12、可选地，所述道次参数序列中每个道次的参数包括压下率、成型速度、成型温度、道次间停留时间和停留温度；输入所述道次序列晶粒预测网络前，各参数按其采样范围的上下界进行最小-最大归一化处理。

13、可选地，所述梯度搜索采用投影梯度下降法，从参数空间中随机生成多个初始点分别独立搜索，每步梯度更新后将各参数投影回可行范围，并调整各道次压下率使其乘积满足所述总减薄量约束，取所述最终晶粒尺寸最小且满足全部约束的结果作为所述优化后的成型工艺方案。

14、可选地，所述成型细化通道和所述停留长大通道中的子网络各自为两层全连接网络，第一层采用修正线性单元激活函数，第二层无激活函数；第二层输出拆分为一个标量分量和一个向量分量，所述标量分量经所述非负激活函数处理后得到对应的细化量或长大量，所述向量分量经有界激活函数处理后作为辅助材料状态向量的更新增量。

15、根据另一方面，提供一种轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计系统，包括：

16、晶粒尺寸阈值确定模块，用于根据目标活塞的疲劳寿命要求，确定圆角区晶粒尺寸上限阈值；

17、训练样本构建模块，用于在多道次成型参数的可行范围内采样生成多组道次参数序列，对各组道次参数序列运行成型仿真与晶粒演化计算，获取各道次结束后圆角区的晶粒尺寸，形成训练样本集；

18、晶粒预测网络构建及训练模块，用于构建道次序列晶粒预测网络并以所述训练样本集训练，所述道次序列晶粒预测网络逐时间步递推，每个时间步对应一个道次且依次经过成型细化通道和停留长大通道；所述成型细化通道输出非负的细化量并从当前晶粒尺寸中减去，所述停留长大通道输出非负的长大量并叠加至当前晶粒尺寸；

19、成型工艺优化模块，用于以训练后的所述道次序列晶粒预测网络为预测工具，以道次参数序列为优化变量、以网络输出的最终晶粒尺寸为优化目标，在总减薄量约束和设备能力约束下，通过梯度搜索求取使所述最终晶粒尺寸最小的道次参数序列，作为优化后的成型工艺方案。

20、根据本申请方法，面向轻量化卡钳活塞多道次成型过程中圆角区晶粒尺寸受连续道次参数耦合影响、传统仿真优化计算量大的问题，将成型细化与道次间停留长大分别嵌入道次序列晶粒预测网络，通过非负激活约束细化量和长大量的变化方向，并结合辅助材料状态在相邻道次间递推，使预测过程与实际成型中的晶粒演化规律保持一致。同时，以训练后的预测网络作为可微代理模型，在总减薄量和设备能力约束下直接利用最终晶粒尺寸对道次参数的梯度搜索成型方案，并通过成型仿真与晶粒演化计算对优化结果进行验证，在预测偏差超过设定阈值时补充样本并重新训练。由此在降低多参数反复仿真计算负担的同时，提高所获得成型方案的物理合理性和工程可实施性，使圆角区最终晶粒尺寸能够按照疲劳寿命要求得到针对性控制。

1.一种轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述成型细化通道和所述停留长大通道各自包含一个子网络，各子网络的输出经非负激活函数处理后分别得到所述细化量和所述长大量；所述非负激活函数从结构上约束输出恒为非负值，使晶粒尺寸在成型阶段只减不增、在停留阶段只增不减。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述道次序列晶粒预测网络的内部状态包括晶粒尺寸标量和辅助材料状态向量；所述辅助材料状态向量参与所述成型细化通道和所述停留长大通道的输入计算，并在每个时间步内由两个通道依次更新。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述成型细化通道的输入为前一时间步的晶粒尺寸标量、前一时间步的辅助材料状态向量与当前道次的成型参数的拼接；所述停留长大通道的输入为所述成型细化通道更新后的晶粒尺寸标量、更新后的辅助材料状态向量与当前道次的停留参数的拼接。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，训练所述道次序列晶粒预测网络时，损失值由最终晶粒尺寸预测误差项和中间道次晶粒尺寸预测误差项加权求和构成；所述中间道次晶粒尺寸预测误差项以各道次结束后的预测晶粒尺寸与所述训练样本集中对应的仿真晶粒尺寸之间的偏差计算得到。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述损失值还包括单调性正则项，所述单调性正则项对成型细化通道输出后晶粒尺寸大于输入晶粒尺寸的偏差、以及停留长大通道输出后晶粒尺寸小于输入晶粒尺寸的偏差施加惩罚。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述道次参数序列中每个道次的参数包括压下率、成型速度、成型温度、道次间停留时间和停留温度；输入所述道次序列晶粒预测网络前，各参数按其采样范围的上下界进行最小-最大归一化处理。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述梯度搜索采用投影梯度下降法，从参数空间中随机生成多个初始点分别独立搜索，每步梯度更新后将各参数投影回可行范围，并调整各道次压下率使其乘积满足所述总减薄量约束，取所述最终晶粒尺寸最小且满足全部约束的结果作为所述优化后的成型工艺方案。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述成型细化通道和所述停留长大通道中的子网络各自为两层全连接网络，第一层采用修正线性单元激活函数，第二层无激活函数；第二层输出拆分为一个标量分量和一个向量分量，所述标量分量经所述非负激活函数处理后得到对应的细化量或长大量，所述向量分量经有界激活函数处理后作为辅助材料状态向量的更新增量。

10.一种轻量化卡钳活塞的成型工艺的优化设计系统，其特征在于，包括：