基于粉末成形模拟三维建模的模具结构优化方法与流程

本发明属于模具优化设计，涉及基于粉末成形模拟三维建模的模具结构优化方法。

背景技术：

1、粉末冶金模具的结构设计直接影响压制件的密度均匀性、型面精度及成品力学性能。传统模具设计多依赖工程经验与试错试验，通过反复修模、试压来调整冲头圆角、脱模锥度及型腔尺寸，周期长、成本高且难以获得全局最优构型。随着数值仿真技术发展，有限元方法被引入粉末压制过程分析，能够模拟粉末致密化过程中的应力应变场及密度分布。然而，现有仿真辅助设计通常仅在单一固定网格体系下进行单向计算，网格划分的粗细、疏密分布以及节点坐标的设定完全依赖人工经验，缺乏对模具型面局部变形特征的动态适应能力，导致仿真结果对网格质量高度敏感，难以准确捕捉压制终了时模具型面的细微变形和密度梯度分布。

2、当前已有的粉末成形仿真优化方案中，对于多区域模具结构如上冲头区、下冲头区、阴模壁及齿形型腔的网格处理往往是独立剖分后简单拼合，各区域网格节点的坐标基准缺乏统一标定和协同校正机制。当分别对各个局部区域进行网格调整或细化时，区域公共边界处极易出现节点不重合、单元畸变及拓扑冲突，使得后续压制仿真的收敛性和可靠性大幅下降。同时，现有方法未建立从候选构型评价、网格节点偏差识别到坐标基准迭代更新的完整优化链条，对于不同构型之间的比较与筛选也缺乏基于仿真反馈的自适应重构手段，因而难以保证最终选定的模具结构在压制致密化过程及型面保持性能方面达到较优状态。

技术实现思路

1、针对上述不足，本发明提出一种基于粉末成形模拟三维建模的粉末冶金模具优化设计方法。该方法在仿真环境中对候选模具构型进行压制过程评价并筛选，通过建立统一的单元坐标基准系，将坐标基准值分发至各局部模具区域；在各区域内识别网格单元实际坐标与基准值之间的位置偏差，选取偏差最小的单元作为优化基准单元，并对其余单元进行逐级逼近调整；之后在全局集成模块中对相邻区域的边界节点进行协同融合，更新所有网格单元的坐标基准值，并基于更新后的网格体系再次进行压制仿真，最终依据型面变形量和密度均匀性指标综合排序得出最优构型。该方法有效克服了传统仿真中网格体系固定、区域坐标不一致和迭代优化缺失的缺陷，为粉末冶金模具的结构优化提供了系统化、高精度的仿真设计途径。

2、为实现上述目的，本技术提供如下技术方案：

3、一种基于粉末成形模拟三维建模的粉末冶金模具优化设计方法，包括：

4、s1，将待优化的粉末冶金模具的初始几何构型导入粉末成形仿真环境，从候选模具构型集合中筛选出压制致密化分布场数据满足预设均匀性判据的若干候选构型；

5、s2，对筛选出的每一候选构型所对应的三维实体模型执行仿真网格剖分操作，将标定后的各仿真网格单元的坐标基准值分发至该候选构型所划分的各个局部模具区域所对应的计算节点；

6、s3，针对每一候选构型中的每一个局部模具区域，确定该局部模具区域的优化基准单元；

7、s4，对每一候选构型中已设定优化基准单元的各个局部模具区域执行局部定位参数加密细化处理，将每一局部模具区域内所有仿真网格单元调整后的定位坐标数据与该局部模具区域所归属的候选构型的三维实体模型网格单元归属信息汇总发送至全局集成模块；

8、s5，所述全局集成模块接收来自各候选构型的所有局部模具区域的定位坐标数据和网格单元归属信息，获得更新后的各仿真网格单元坐标基准值；

9、s6，依据更新后的各仿真网格单元坐标基准值重构每一候选构型的三维实体模型的仿真网格体系，输出作为粉末冶金模具的优化设计结果。

10、进一步地，所述s1中，还包括：

11、在所述仿真环境中建立该初始几何构型对应的三维实体模型，对该三维实体模型施加粉末材料属性参数和压制边界条件，运行粉末成形压制过程仿真，获得该初始几何构型对应的压制致密化分布场数据，依据所述压制致密化分布场数据对该初始几何构型进行评价，从候选模具构型集合中筛选出压制致密化分布场数据满足预设均匀性判据的若干候选构型；

12、所述粉末材料属性参数包括粉末颗粒的初始相对密度、粉末材料的流动应力曲线数据、粉末颗粒与模具型面之间的摩擦系数值以及粉末体在压制过程中的体积压缩模量值。

13、进一步地，所述s1中，所述压制边界条件包括上模冲的下压速度曲线、下模冲的支撑反力设定值、阴模的侧向约束刚度值以及压制行程的终止位置参数。

14、进一步地，所述s2中，还包括：

15、确定各候选构型各自所需的仿真网格单元总数，以各候选构型的几何形心为基准点，对各候选构型的三维实体模型所对应的仿真网格空间建立统一的单元坐标基准系，在该单元坐标基准系中标定每一个仿真网格单元的坐标基准值，并将标定后的各仿真网格单元的坐标基准值分发至该候选构型所划分的各个局部模具区域所对应的计算节点；

16、对各候选构型的三维实体模型所对应的仿真网格空间建立统一的单元坐标基准系的具体实现方式为：

17、以各候选构型的几何形心在三维空间中的投影点为原点，以该候选构型的三维实体模型的主惯性轴方向为坐标轴方向，建立正交右手坐标系作为该候选构型的单元坐标基准系，在该单元坐标基准系中，按照仿真网格单元的拓扑连接关系依次为每一个仿真网格单元赋予唯一的坐标基准值三元组。

18、进一步地，所述s2中，将标定后的各仿真网格单元的坐标基准值分发至该候选构型所划分的各个局部模具区域所对应的计算节点的具体方式为：

19、依据各局部模具区域在三维实体模型中的空间占据范围，将落入该空间占据范围内的仿真网格单元的坐标基准值打包成数据包，将该数据包通过并行计算通信接口发送至该局部模具区域所对应的计算节点，各计算节点在接收到数据包后存储该数据包并返回确认信号。

20、进一步地，所述s3中，还包括：

21、获取该局部模具区域内各仿真网格单元的实际空间坐标值，逐一计算各仿真网格单元的实际空间坐标值与该局部模具区域所属候选构型的单元坐标基准系中各坐标基准值之间的空间位置偏差量，选取空间位置偏差量最小的坐标基准值所对应的仿真网格单元，将该仿真网格单元设定为该局部模具区域的优化基准单元；

22、逐一计算各仿真网格单元的实际空间坐标值与该局部模具区域所属候选构型的单元坐标基准系中各坐标基准值之间的空间位置偏差量的计算方式为：

23、计算各仿真网格单元的实际空间坐标值与单元坐标基准系中每一个坐标基准值之间的欧几里得距离值，将计算得到的欧几里得距离值作为该仿真网格单元与该坐标基准值之间的空间位置偏差量。

24、进一步地，所述s4中，还包括：

25、将每一局部模具区域内除优化基准单元以外的其余仿真网格单元的定位坐标向其优化基准单元的坐标基准值方向进行逐级逼近调整，在完成逐级逼近调整后，将每一局部模具区域内所有仿真网格单元调整后的定位坐标数据与该局部模具区域所归属的候选构型的三维实体模型网格单元归属信息汇总发送至全局集成模块；

26、将每一局部模具区域内除优化基准单元以外的其余仿真网格单元的定位坐标向其优化基准单元的坐标基准值方向进行逐级逼近调整的具体实现方式为：

27、确定该局部模具区域内除优化基准单元以外的每一个仿真网格单元的当前定位坐标与优化基准单元的坐标基准值之间的偏差向量，将该偏差向量按照预设的逼近步长比例系数分解为若干级逼近子向量，在每一级逼近操作中将该仿真网格单元的定位坐标叠加一个逼近子向量，直至该仿真网格单元的定位坐标与优化基准单元的坐标基准值之间的剩余偏差量小于预设的偏差阈值。

28、进一步地，所述s5中，还包括：

29、对各候选构型的所有局部模具区域的定位坐标数据执行协同融合操作，依据协同融合结果重新计算各候选构型的三维实体模型中各仿真网格单元在单元坐标基准系中的坐标基准值的更新量，将所述更新量叠加至各仿真网格单元的当前坐标基准值上，获得更新后的各仿真网格单元坐标基准值；

30、对各候选构型的所有局部模具区域的定位坐标数据执行协同融合操作的具体实现方式为：

31、以各局部模具区域之间的公共边界仿真网格单元为融合基准点，将相邻局部模具区域在公共边界处的定位坐标数据进行加权平均处理，以加权平均处理后的坐标值替换相邻局部模具区域各自原有的定位坐标数据，并按照拓扑一致性约束条件对融合后的全部定位坐标数据进行全局一致性校验，将通过全局一致性校验的定位坐标数据作为协同融合结果。

32、进一步地，所述s6中，还包括：

33、在重构后的仿真网格体系上再次运行粉末成形压制过程仿真，获得更新后的压制致密化分布场数据，从更新后的压制致密化分布场数据中提取各候选构型对应的模具型面变形量指标和密度分布均匀性指标，依据所述模具型面变形量指标和密度分布均匀性指标对全部候选构型进行综合排序，将综合排序首位的候选构型输出作为粉末冶金模具的优化设计结果；

34、从更新后的压制致密化分布场数据中提取各候选构型对应的模具型面变形量指标的具体方式为：

35、在重构后的仿真网格体系上标识出三维实体模型中与模具型面对应的全部表面仿真网格单元，提取各表面仿真网格单元在压制完成时刻的空间位移量，计算全部表面仿真网格单元空间位移量的最大值与最小值的差值，将该差值作为该候选构型对应的模具型面变形量指标。

36、进一步地，所述s6中，从更新后的压制致密化分布场数据中提取各候选构型对应的密度分布均匀性指标的具体方式为：

37、在重构后的仿真网格体系上提取每一仿真网格单元在压制完成时刻的局部相对密度值，计算全部仿真网格单元局部相对密度值的算术平均值和标准差，将所述标准差与所述算术平均值的比值作为该候选构型对应的密度分布均匀性指标。

38、本发明属于模具优化设计技术领域，涉及基于粉末成形模拟三维建模的模具结构优化方法。将多个候选模具构型导入粉末成形仿真环境，执行压制过程数值模拟，对候选构型进行初步评价与筛选；确定仿真网格单元总数并建立单元坐标基准系，选取优化基准单元；对其他单元执行逐级逼近调整并汇总至全局集成模块；对相邻区域公共边界处的坐标进行加权协同融合，更新所有网格单元的坐标基准值；重构仿真模型并再次执行压制模拟，对全部候选构型进行综合排序，输出最优设计方案。本发明有效统一多区域网格坐标基准，克服传统仿真中网格固定和边界不匹配的缺陷，显著提升压制过程模拟的适应性与可靠性，能够为粉末冶金模具提供系统化、高精度的优化设计途径。