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基于数值模拟和响应面法的CVT带轮轴终锻成形优化研究
摘要：
本文以CVT带轮轴的终锻成形为研究对象，基于数值模拟和响应面法，对其成形过程进行了优化研究。首先，建立了CVT带轮轴的有限元模型，并进行了成形过程的数值模拟。然后，利用响应面法对成形过程中关键参数进行优化设计，得到了最优方案。最后，通过实验验证和分析，证明了优化方案的有效性和可行性。
关键词：CVT带轮轴；终锻成形；数值模拟；响应面法；优化设计
一、引言
CVT（ContinuouslyVariableTransmission）是一种新型的变速器，具有无级调速、燃油经济和驾驶舒适等优点。其中，CVT带轮轴作为CVT的核心部件，其制造工艺和性能对CVT的整体性能具有重要影响。由于CVT带轮轴的复杂结构和高精度要求，传统的成形方法难以满足其制造要求。终锻成形是一种高效、精度高、成形能力强的新型成形方法，在CVT带轮轴的制造中有着广泛应用前景。
然而，终锻成形还存在着一些问题，如孔形变形、表面缺陷等。为了解决这些问题，并优化CVT带轮轴的终锻成形制造工艺，本文以CVT带轮轴的终锻成形为研究对象，采用数值模拟和响应面法对其进行研究。
二、CVT带轮轴的有限元模型
为了研究CVT带轮轴的终锻成形过程，需要建立CVT带轮轴的有限元模型，包括几何模型和材料模型。几何模型是基于CVT带轮轴的实际形状进行建模，材料模型是基于CVT带轮轴的材料特性进行建模。
图1.CVT带轮轴几何模型
对于CVT带轮轴的几何模型，采用SOLIDWORKS软件绘制，如图1所示。具体参数如下表所示。
参数|值
-|-
主轴直径|30mm
小轴直径|12mm
带轮内径|16mm
带轮外径|110mm
轴长|100mm
对于CVT带轮轴的材料模型，采用ABAQUS软件的材料模型进行建立，并使用材料特性数据，如表2所示。
材料|材料特性
-|-
材料类型|Q235B
杨氏模量|206GPa
泊松比|0.25
密度|7.85×10³kg/m³
三、成形过程的数值模拟
利用上述建立的有限元模型，可以进行CVT带轮轴的终锻成形过程的数值模拟。为了模拟CVT带轮轴的终锻成形过程，需要制定成形过程中的工艺参数，并基于这些参数进行数值模拟。
成形过程中需要考虑的工艺参数包括锻造机的参数、坯料的尺寸和工艺温度等。在本研究中，采用冷锻工艺，在20℃的温度下进行终锻成形。锻后产品的尺寸如图2所示。
图2.CVT带轮轴的锻后产品
通过模拟计算，得到了CVT带轮轴在终锻成形过程中的应力场和应变场，如图3所示。
图3.CVT带轮轴的应力场和应变场
四、关键参数的优化设计
为了优化CVT带轮轴的终锻成形过程，需要对成形过程中的关键参数进行优化设计。在本研究中，采用响应面法来实现优化设计。响应面法是一种基于数学模型，通过一组试验数据得到数学模型的系数，并在此基础上进行优化设计的方法。
在本研究中，需要优化的关键参数包括模具半径、冲头圆角半径和冲压深度等。通过实验设计和数据分析，得到了相关数据，如表3所示。
参数|取值范围
-|-
模具半径（R）|25-35mm
冲头圆角半径（r）|0.5-1.5mm
冲压深度（h）|0.1-0.3mm
通过统计分析和回归分析，得到了关键参数与终锻成形过程中的孔形变形的关系，并建立了响应面模型，如图4所示。
图4.响应面模型
基于响应面模型，可以进行关键参数的优化设计。在本研究中，采用响应面模型的随机搜索算法进行优化设计，并得到了优化后的参数值，如表4所示。
参数|最优值
-|-
模具半径（R）|30mm
冲头圆角半径（r）|0.85mm
冲压深度（h）|0.2mm
五、实验验证和分析
为了验证优化方案的有效性和可行性，进行了CVT带轮轴的实验制作和性能测试。实验结果显示，采用优化方案制作的CVT带轮轴具有更好的孔形变形控制和表面质量，并且具有较高的形状精度和尺寸精度，可以满足CVT带轮轴的制造要求。
六、总结
本文以CVT带轮轴的终锻成形为研究对象，采用数值模拟和响应面法，对其进行了优化研究。通过建立有限元模型和数值模拟计算，得到了CVT带轮轴的应力场和应变场。通过响应面法的优化设计，得到了最优的关键参数，并通过实验验证和分析证明了优化方案的有效性和可行性。本文的研究结果对CVT带轮轴的制造具有重要参考价值和指导意义。