دانشگاه یزد
دانشکده مهندسی مکانیک
پایان نامه
برای دریافت درجه کارشناسی ارشد
مهندسی مکانیک
موضوع:
طراحی بهینه منحنی فشار- تغذیه‌ی محوری در فرآیند هیدروفرمینگ گرم لوله‌های سه‌راهی
استاد راهنما:
دکتر قاسم امیریان
استاد مشاور:
دکتر روح الله عزیزی تفتی
نگارش:
فرید الدین عندلیب
زمستان 93
تقدیم به

پدر و مادر عزیزمبه پاس قلب‌های بزرگشان
و به پاس محبت‌های بی‌دریغشان

تشکر و قدردانی
سپاس و قدردانی بی‌اندازه از زحمات و راهنمایی‌های بی دریغ و ارزشمند اساتید گرانقدر جناب آقایان دکتر قاسم امیریان و دکتر روح الله عزیزی که در تمامی مراحل پروژه و تدوین این پایان‌نامه با حسن خلق همیشگی‌شان در به سرانجام رساندن آن، کمک شایانی کردند.
چکیده:
امروزه کاربرد آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم در صنایع خودروسازی و هوافضا به دلیل بالا بودن استحکام این آلیاژها و سبک وزن بودن آن‌ها رو به افزایش است. از آن‌جا که قابلیت شکل‌دهی این آلیاژها در دمای محیط پایین می‌باشد، شکل‌دهی این آلیاژها در دماهای بالا شکل‌پذیری آن‌ها را بهبود می‌دهد. از این رو در این پژوهش، شکل‌دهی آلیاژ آلومینیوم AA7075 در فرآیند هیدروفرمینگ گرم یک لوله سه‌راهی در دماهای بالا بررسی شده است. بدین منظور، فرآیند در نرم‌افزار اجزای محدود ABAQUS شبیه‌سازی شده و جهت حصول اطمینان از صحت آن، نتایج با داده‌های آزمایش تجربی ارائه شده در مقالات موجود مقایسه شده است. در ادامه اثر دما بر شکل‌دهی لوله‌ی آلومینیومی بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهد افزایش دما در فرآیند هیدروفرمینک گرم لوله‌های سه‌راهی سبب بهبود توزیع ضخامت و افزایش ارتفاع برآمدگی در لوله‌ی سه‌راهی می‌شود. همچنین در فرآیند هیدروفرمینگ گرم می‌توان با فشارداخلی کمتر نسیت به فرآیند هیدروفرمینگ سرد، لوله با توزیع ضخامت یکنواخت‌تر و ارتفاع برآمدگی بیشتر تولید کرد.
در این پژوهش از روش طراحی آزمایش تاگوچی برای بدست آوردن داده‌های مورد نیاز برای بین متغیرهای ورودی و خروجی این فرآیند استفاده شد. تعداد 32 آزمایش با استفاده از شبیه‌سازی اجزای محدود فرآیند در دمای 150 درجه سانتی‌گراد برای آلیاژ AA6063 ، انجام شد. مدل رگرسیون خطی برای برآزش داده‌های آزمایشی استفاده شد. برای بهینه‌سازی متغیرهای ورودی فرآیند با هدف تولید لوله بدون عیوب چروکیدگی و ترکیدگی از مدل رگرسیون خطی به عنوان تابع هدف استفاده شد. نتایج شبیه‌سازی اجزای محدود انجام شده با استفاده از کمیت‌های بهینه ، حصول اهداف بهینه‌سازی را نشان می‌دهند.

فهرست مطالب
فصل1:مقدمه 1
1-1فرآیند هیدروفرمینگ 2
1-2تاریخچه و دسته‌بندی روش هیدروفرمینگ 4
1-3هیدروفرمینگ ورق 4
1-4کشش عمیق هیدرومکانیکال 5
1-5هیدروفرمینگ فشار بالای ورق 6
1-6هیدروفرمینگ لوله 7
1-7مزایای روش هیدروفرمینگ 9
1-8ابزار و تجهیزات سیستم هیدروفرمینگ 9
1-9هیدروفرمینگ گرم 10
1-10عیوب محصولات هیدروفرمینگ لوله 11
1-11پیشینه پژوهش 12
1-12اهداف و ساختار پایان‌نامه 16
فصل2:الگوریتم ژنتیک 19
2-1مقدمه 20
2-2بیان ریاضی یک مسئله بهینه سازی 20
2-2-1بردار طراحی 21
2-2-2فضای طراحی 21
2-2-3قیدهای طراحی 21
2-2-4تابع هدف 22
2-3الگوریتم ژنتیک 22
2-3-1عملگر انتخاب 24
2-3-2عملگر پیوند (ادغام) 24
2-3-3عملگر جهش 25
2-4تعیین پارامترهای الگوریتم ژنتیک و نکات کاربردی 27
2-5معیار همگرایی 27
فصل3:شبیه‌سازی فرآیند هیدروفرمینگ گرم 29
3-1مقدمه 30
3-2شبیه‌سازی اجزا محدود سرد فرآیند هیدروفرمینگ لوله‌ی سه‌راهی 30
3-3شبیه‌سازی گرم فرآیند هیدروفرمینگ لوله‌های سه‌راهی 35
فصل4:بهینه‌سازی 39
4-1.مقدمه 40
4-2.متغیرهای ورودی و خروجی فرآیند هیدروفرمینگ لوله‌ی سه‌راهی 40
4-3.طراحی آزمایش 41
4-3-1.تعاریف و اصطلاحات طراحی آزمایش 42
4-3-2.مراحل طراحی آزمایش 42
4-3-3.طراحی آزمایش به روش تاگوچی 46
4-4.رگرسیون خطی 48
4-5.بهینه‌سازی به روش الگوریتم ژنتیک 49
فصل5:نتایج و بحث 51
5-1مقدمه 52
5-2اثر دما بر توزیع ضخامت آلومینیوم 52
5-3اثر دما بر ارتفاع برآمدگی 54
5-4بررسی تأثیر دما بر نیروهای شکل‌دهی 54
5-5تولید لوله در قالب با شعاع گوشه‌ی تیزتر به کمک هیدروفرمینگ گرم 56
5-6بررسی نتایج شبیه‌سازی انجام شده با استفاده از کمیت‌های بهینه 58
5-6-1حرکت بهینه‌ی سنبه‌ی متقابل 60
5-6-2مقایسه نتایج شبیه‌سازی و نتایج آزمایش‌ها 62
5-6-3مقایسه محصول سرد(هوانگ) و گرم 63
فصل6:نتیجه‌گیری و پیشنهادها 65
6-1نتیجه‌گیری 66
6-2پیشنهادها 66
ضمیمه 72
مراجع 73
فهرست شکل‌ها
شکل ‏11 مراحل یک فرآیند هیدروفرمینگ لوله2
شکل ‏12 موارد استفاده روش هیدروفرمینگ برای قطعات خودرو.(الف) قطعات مورد استفاده در بدنه‌ی خودرو. (ب)محفظه‌ی سوخت خودرو . (پ) محور بادامک. (ت) اگزوز خودرو. (ث) سازه‌ی خودرو 3
شکل ‏13 تقسیمات فرآیند هیدروفرمینگ4
شکل ‏14 هیدروفرمینگ ورق5
شکل ‏15 کشش عمیق هیدرومکانیکال6
شکل ‏16 هیدروفرمینگ فشار بالای ورق برای ورق تکی7
شکل ‏17 هیدروفرمینگ فشار بالای ورق برای ورق دولایه7
شکل ‏18 مراحل تولید لوله‌ی سه‌راهی در فرآیند هیدروفرمینگ لوله‌ی سه‌راهی8
شکل ‏19 فرآیند هیدروفرمینگ لوله.الف)پارامترهای یک فرآیند هیدروفرمینگ لوله ب) لوله‌ی سه‌راهی تولید شده توسط هیدروفرمینگ پ) اجزا یک سیستم اگزوز تولید شده به روش هیدروفرمینگ لوله9
شکل ‏110 اجزا سیستم هیدروفرمینگ لوله10
شکل ‏111 عیوب ایجاد شده در حین فرآیند هیدروفرمینگ12
شکل ‏112 سیستم گرمایش ترکیبی15
شکل ‏21 انواع فرزندان ایجاد شده در الگوریتم ژنتیک26
شکل ‏31 ابعاد لوله و قالب31
شکل ‏32 شبکه‌بندی لوله (مدل یک چهارم)31
شکل ‏33 شبکه‌بندی قالب (مدل یک چهارم)32
شکل ‏34 شبکه‌بندی سنبه‌ی متقابل (مدل یک چهارم)32
شکل ‏35 نمای مونتاژ شده‌ی مدل32
شکل ‏36 تغییرات فشار داخلی در طی فرآیند33
شکل ‏37 میزان جابجایی سنبه‌ی متقابل در طی فرآیند33
شکل ‏38 میزان جابجایی محوری در طی فرآیند34
شکل ‏39 مسیر بررسی توزیع ضخامت34
شکل ‏310 مقایسه‌ی نتایج کار تجربی هوانگ و شبیه‌سازی اجزا محدود35
شکل ‏311 ابعاد قالب هیدروفرمینگ شکل‌دهی محدب36
شکل ‏312 لوله‌ی تولید‌شده‌ی کار تحقیقاتی هاشمی و همکارانش37
شکل ‏313 مقایسه توزیع ضخامت کار تجربی هاشمی و شبیه‌سازی اجزا محدود37
شکل ‏41 ارتفاع برآمدگی در لوله‌ی سه‌راهی40
شکل ‏42 موقعیت نقطه‌ی C41
شکل ‏43 کمیت‌های منحنی سه مرحله‌ای فشار داخلی44
شکل ‏44 کمیت‌های نمودار تغذیه‌ی محوری با سرعت ثابت44
شکل ‏45 کمیت‌های نمودار حرکت سنبه‌ی متقابل44
شکل ‏51 نمودار تنش حقیقی-کرنش حقیقی آلیاژ AA707552
شکل ‏52 توزیع ضخامت در دماهای مختلف53
شکل ‏5 3 ارتفاع برآمدگی لوله در دماهای مختلف54
شکل ‏54 توزیع ضخامت در راستای طول لوله55
شکل ‏55 ارتفاع بالج برای دمای 20 درجه‌ سانتی‌گراد و 180 درجه سانتی‌گراد56
شکل ‏56 ضخامت لوله در نقطه‌ی B برای شعاع گوشه‌ی 10 و 15 میلی‌متر57
شکل ‏57 ارتفاع برآمدگی برای شعاع گوشه‌ی 10 و15 در دماهای مختلف58
شکل ‏58 کمیت‌های بهینه منحنی فشار داخلی58
شکل ‏59 کمیت‌های بهینه‌ی منحنی تغذیه‌ی محوری59
شکل ‏510 کمیت‌های بهینه‌ی منحنی حرکت سنبه‌ی متقابل59
شکل ‏5 11 تغیرات ضخامت نقطه‌ی C60
شکل ‏5 12حرکت بهینه‌ی سنبه‌ی متقابل61
شکل ‏513 مقایسه محصول سرد (هوانگ) و گرم63
فهرست جداول
جدول ‏31 خواص مکانیکی AA606330
جدول ‏41 مقادیر هوانگ برای متغیرهای بارگذاری[6]45
جدول ‏42 سطوح انتخاب شده‌ی عوامل آزمایش45
جدول ‏43 آرایه‌های استاندارد47
جدول ‏44 مشخصات الگوریتم ژنتیک49
جدول ‏45 مقادیر بهینه‌ی متغییرهای ورودی فرآیند50
جدول ‏51 نتایج بهترین آزمایش‌ها62
جدول ‏52 نتایج شبیه‌سازی انجام شده با استفاده از کمیت‌های بهینه62
مقدمه
فرآیند هیدروفرمینگ1:
هیدروفرمینگ یک فرآیند شکل‌دهی فلزات است که به جای ابزارهای سختی مانند سنبه و قالب از سیال با فشار بالا (مایع یا گاز) برای تغییرشکل پلاستیک لوله یا ورق استفاده می‌کند. شکل 1-1 فرآیند هیدروفرمینگ لوله را نشان می‌دهد.
شکل ‏11 مراحل یک فرآیند هیدروفرمینگ لوله [1]
با استفاده از این شیوه می‌توان قطعات با شکل‌های پیچیده را با هزینه‌ی کم‌تر و استحکام بیش‌تر در مقایسه با آهن‌گری، ریخته‌گری و … تولید کرد. به‌صرفه‌بودن این روش از نظر اقتصادی به این دلیل است که مراحل شکل‌دهی در این روش به یک مرحله کاهش می‌یابند. شکل 1-2 چند مورد از استفاده از روش هیدروفرمینگ را برای تولید قطعات خودرو نشان می‌دهد [1].
الف)
ب) پ)شکل ‏12 موارد استفاده از روش هیدروفرمینگ برای تولید قطعات خودرو.(الف) قطعات مورد استفاده در بدنه‌ی خودرو. (ب)محفظه‌ی سوخت خودرو . (پ) محور بادامک. (ت) اگزوز خودرو. (ث) سازه‌ی خودرو [2]

تاریخچه و دسته‌بندی روش هیدروفرمینگ:
تاریخچه‌ی استفاده از سیال برای شکل‌دهی فلزات به بیشتر از صد سال قبل برمی‌گردد. کاربردهای اولیه‌ی این فرآیند برای تولید دیگ‌های بخار و تجهیزات موسیقی بوده است. اما اصول و اساس هیدروفرمینگ در سال 1940 بنا نهاده شد [2]. اولین کاربرد صنعتی ثبت شده‌ی هیدروفرمینگ ساخت شیر آشپزخانه توسط میلتون گاروین2 از شرکت شیبل سینسیناتی3 در سال 1950بوده است[1]. تا سال 1990 از فرآیند هیدروفرمینگ بیش‌تر برای تولید لوله‌های مسی استفاده می‌شد. بعد از سال 1990، به‌دلیل پیشرفت‌هایی که در زمینه‌ی کنترل رایانه‌ای و سیستم‌های هیدرولیکی رخ داد فرآیند هیدروفرمینگ به سرعت پیشرفت‌کرد. فرآیند هیدروفرمینگ را می‌توان به دو گروه عمده‌‌ی هیدروفرمینگ ورق و لوله تقسیم کرد (شکل1-3) [1].
شکل ‏13 تقسیمات فرآیند هیدروفرمینگ
هیدروفرمینگ ورق :
در فرآیند هیدروفرمینگ ورق، ورق توسط فشار سیال داخل حفره‌ی قالب شکل داده می‌شود. هیدروفرمینگ ورق دو نوع می‌باشد. کشش عمیق هیدرومکانیکال و هیدروفرمینگ ورق با فشار بالا (تک ورق یا ورق دوبل). شکل1-4 فرآیند شکل‌دهی ورق را نشان می‌دهد [1].
شکل ‏14 هیدروفرمینگ ورق[1]
کشش عمیق هیدرومکانیکال4:
یک طرح از فرآیند کشش عمیق هیدرومکانیکال در شکل 1-5 نشان داده شده است. این فرآیند همانند فرآیند کشش عمیق سنتی است با این تفاوت که در مقابل سنبه به جای ماتریس فشار سیال وجود دارد.
شکل ‏15 کشش عمیق هیدرومکانیکال [1]
فرآیند کشش عمیق هیدرومکانیکال قالب مادگی ندارد ولی فشار هیدرولیک به هنگام پایین آمدن سنبه اعمال می‌شود. فشار متقابل سیال با شیر خودتنظیم5 کنترل می‌شود. ناکامورا و همکارانش [3] کشش عمیق هیدرومکانیکال را به صورت تجربی بررسی و نشان دادند که حد کشش در این فرآیند به سبب حضور فشار متقابل سنبه افزایش می‌یابد و قسمتی از ورق که به سنبه چسبیده است در طول فرآیند کشیده نمی‌شود.
هیدروفرمینگ فشار بالای ورق:
شکل1-6 یک فرآیند هیدروفرمینگ فشار بالای ورق را نشان می‌دهد. ورق قرار داده شده در ورق‌گیر پس از یک مرحله شکل‌دهی کشش عمیق سنتی در مرحله‌ی دوم توسط فشار سیال حفره‌ی قالب را پر می‌کند. برای هیدروفرمینگ ورق دولایه که در شکل1-7 نشان داده شده است؛ بعد از این‌که دو ورق در مرحله‌ی اول شکل‌دهی با کشش عمیق سنتی شکل داده شدند بین دو ورق سیال پمپ می‌شود و حفره‌ی قالب با فشار سیال پرمی‌شود تا ورق‌ها به شکل حفره‌ی بالایی و پایینی شکل داده شوند [1].
شکل ‏16 هیدروفرمینگ فشار بالای ورق برای ورق تکی [1]
شکل ‏17 هیدروفرمینگ فشار بالای ورق برای ورق دولایه [1]
هیدروفرمینگ لوله:
در طول تاریخ، هیدروفرمینگ لوله، متناسب با زمان و مکان استفاده از آن، با اسامی گوناگونی شناخته می‌شده است. شکل‌دهی محدب لوله6، شکل‌دهی محدب با سیال7 و شکل‌دهی با فشار هیدرولیکی8 نام‌هایی هستند که در گذشته برای این فرآیند استفاده شده‌اند. شکل1-8 مراحل تولید یک لوله‌ی سه‌راهی در فرآیند هیدروفرمینگ لوله را نشان می‌دهد.
شکل ‏18 مراحل تولید لوله‌ی سه‌راهی در فرآیند هیدروفرمینگ لوله‌ی سه‌راهی [4]
همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، در ابتدا لوله در میان دو قالب قرار می‌گیرد. سپس توسط سیال با فشار بالا پر شده و هوای داخل آن تخلیه می‌شود. دو نیروی تغذیه‌ی محوری که توسط پیستون‌ها اعمال می‌شود و فشار داخلی که به کمک سیال داخل لوله اعمال می‌شود لوله را به شکل منحنی داخل قالب شکل می‌دهد.
کمیت‌های یک نوع هیدروفرمینگ لوله در شکل (1-9-الف) نشان داده شده است. شکل‌های (1-9-ب) و (1-9-پ) نمونه‌هایی از قطعات ساخته‌شده با روش هیدروفرمینگ لوله را نشان می‌دهند[1].
پ ب الفشکل ‏19 فرآیند هیدروفرمینگ لوله. الف) پارامترهای یک فرآیند هیدروفرمینگ لوله ب) لوله‌ی سه‌راهی تولید شده توسط هیدروفرمینگ پ) اجزا یک سیستم اگزوز تولید شده به روش هیدروفرمینگ لوله [1]
مزایای روش هیدروفرمینگ
شکل‌دهی قطعات پیچیده با سطح مقطع‌های متفاوت
تولید قطعات پیچیده در یک مرحله و به صورت یکپارچه (حذف عملیات جوشکاری)
کم بودن سایش ابزار و عدم نیاز به ساخت قالب‌های متعدد
یکنواختی ضخامت قطعات تولید شده با این روش
ابزار و تجهیزات سیستم هیدروفرمینگ
تجهیزات یک سیستم هیدروفرمینگ عبارتنداز:
پرس هیدرولیک برای باز و بسته کردن قالب
قالب
سیستم تأمین فشار: پمپ‌ها، تشدیدکننده‌ها9، شیرها، حسگرها، مبدل‌ها10
سیلندرهای هیدرولیک و سنبه‌ها: جهت آب‌بندی لوله و حرکت دادن مواد
سیستم‌های کنترل فرآیند
سیستم تهویه‌ی هیدرولیک: خنک‌کن‌ها، فیلترهاو…
شکل1-10 اجزا یک سیستم هیدروفرمینگ لوله را نمایش‌می‌دهد [1].
شکل ‏110 اجزا سیستم هیدروفرمینگ لوله [1]
هیدروفرمینگ گرم:
مواد سبک‌وزن مانند آلومینیم، منیزیم و کامپوزیت‌ها برای کاهش‌دادن وزن اتومبیل‌ها جهت صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش تولید گازهای گلخانه‌ای جایگزین فولادهای کم‌کربن در ساخت وسایل نقلیه شده‌اند. اسکولتز نشان داده است که 10 درصد کاهش وزن خودروها باعث کاهش 8 الی 6 درصدی در مصرف سوخت آن‌ها می‌شود[5]. تولید قطعات از جنس آلومینیوم به جای فولاد 40 الی 60 درصد کاهش وزن قطعه را در پی خواهد داشت که این میزان برای منیزیم به 60 الی 75 درصد کاهش در وزن خودرو خواهد رسید.
خواص مواد سبک وزن مانند آلومینیوم و منیزیم مانع بزرگی بر سر راه توسعه‌ی آن‌ها برای ساخت قطعات خودرو است. واضح است که آلیاژهای آلومینیوم و منیزیم در دمای محیط به دلیل ساختار کریستالیشان چقرمگی و شکل‌پذیری پایینی دارند. شکل‌دهی گرم مواد سبک وزن از سال 1960 مورد پژوهش قرار گرفت[1]. دردماهای گرم (100-300درجه سانتیگراد) شکل‌پذیری آلومینیوم و منیزیم افزایش می‌یابد و قابلیت افزایش طول آن‌ها تا 300 درصد زیاد می‌شود. از این رو، هیدروفرمینگ در دماهای بالاتر از دمای محیط برای شکل‌دهی این آلیاژها مورد توجه زیادی قرار گرفته است[1].
عیوب محصولات هیدروفرمینگ لوله
در روش هیدروفرمینگ لوله سعی می‌شود تا محصول‌هایی لوله‌ای شکل بدون عیوب ترکیدگی و چروکیدگی تولید شوند. این دو عیب متأثر از رابطه‌ی ناصحیح میان تغذیه‌ی محوری و فشار داخلی لوله می‌باشند. اگر در فرآیند هیدروفرمینگ لوله، تغذیه‌ی محوری کم‌تر از مقدار موردنیاز باشد فشار داخلی سبب ایجاد نازک‌شدگی در قطعه و سرانجام ترکیدن آن می‌شود. و یا اگر تغذیه‌ی محوری بیش از اندازه‌ی موردنیاز نسبت به فشار داخلی انتخاب شود موجب چروکیدگی قطعه می‌شود. شکل ‏111 عیوب چروکیدگی و ترکیدگی ایجاد شده در فرآیند هیدروفرمینگ به سبب انتخاب منحنی فشار نادرست را نشان می‌دهد. بنابراین برای موفقیت در فرآیند هیدروفرمینگ نیاز به رابطه‌ای صحیح میان این دو متغیر در طول فرآیند می‌باشد[1].
(الف) چروکیدگی(ب) ترکیدگیشکل ‏111 عیوب ایجاد شده در حین فرآیند هیدروفرمینگ[1]
پیشینه پژوهش
طراحی و تولید قطعات به روش هیدروفرمینگ لوله نیازمند دانستن خواص ماده و چگونگی کنترل فرآیند هیدروفرمینگ است. اصنافی [6] در سال 1999 به صورت تحلیلی به مطالعه‌ی شکل‌دهی محدب11 لوله به روش هیدروفرمینگ سرد پرداخت. در این پژوهش محدودیت‌های شکل‌دهی محدب، تأثیر خواص ماده و پارامترهای فرآیند بر نتایج شکل‌دهی به کمک مدل تحلیلی ارائه‌شده مورد بررسی قرارگرفت. در این پژوهش نشان داده شد که که طول اولیه‌ی لوله تا حد ممکن باید کوچک انتخاب شود.
هوانگ12 و همکارانش [4] در سال 2001 تأثیر مسیرهای بارگذاری مختلف، شعاع گوشه‌ی قالب و ضریب اصطکاک را بر توزیع ضخامت دیواره‌ی لوله سه‌راهی تولیدشده به روش هیدروفرمینگ سرد را با استفاده از نرم‌افزار اجزای محدود DEFORM 3D مورد مطالعه قرار دادند. آن‌ها نشان دادند که کوچک‌تر شدن شعاع گوشه‌ی قالب و افزایش ضریب اصطکاک سبب ایجاد توزیع ضخامت غیر یکنواخت در لوله می‌شود.
لی13 و همکارانش [7] در سال 2004 قابلیت انجام فرآیند هیدروفرمینگ لوله‌های آلمینیومی ) (AA7075 بین دمای اتاق تا دمای 300 درجه را مورد بررسی قرار دادند. به‌منظور انجام فرآیند به شکل گرم، یک کویل حرارتی در سیال قرار داده شد که پس از رسیدن سیال به دمای موردنظر، فرآیند هیدروفرمینگ انجام می‌شد. بر اساس نتایج به‌دست آمده، قابلیت انجام فرآیند هیدروفرمینگ با افزایش دما زیاد می‌شود.
ایمانی‌نژاد و همکارانش [8] در سال 2005 شبیه‌سازی اجزای محدود فرآیند هیدروفرمینگ سرد لوله‌‌ی سه‌راهی را به کمک نرم‌افزار LS-DYNA انجام دادند. در این پژوهش، پارامترهای بارگذاری بهینه با هدف یکنواخت‌سازی توزیع ضخامت و رسیدن به حداکثر شکل‌پذیری به‌دست آمد.
کانگا14 و همکارانش[9] در سال 2005 تأثیر قطر لوله را بر شکل‌پذیری آن در فرآیند هیدروفرمینگ مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها نشان دادند که افزایش 10 درصدی قطر لوله در فرآیند هیدروفرمینگ، سبب کاهش یک سومی نرخ نازک‌شدگی و توزیع ضخامت یکنواخت‌تر لوله می‌شود.
پلنکاک15 و همکارانش [10] در سال 2005 یک مدل تحلیلی برای تعیین ضریب اصطکاک بین لوله و قالب در ناحیه‌ی انبساط لوله ارائه کردند. طبق مدل ارائه‌شده در این پژوهش، ضریب اصطکاک بر اساس خواص ماده‌ی لوله و نیز هندسه‌ی لوله ، قبل و بعد از شکل‌دهی قابل محاسبه است. مدل تحلیلی آن‌ها نشان داد که افزایش اصطکاک سبب توزیع ضخامت ناهمگن در دیواره‌ی لوله می‌شود. همچنین برای ضریب اصطکاک یکسان، در لوله‌های آلومینیومی، ناهمگنی بیشتری در توزیع ضخامت، نسبت به لوله‌های فولادی دیده می‌شود.
یوان و همکارانش [11] در سال 2006 تأثیر دما را بر خواص مکانیکی لوله‌های آلومینیومی به صورت تجربی در فرآیند هیدروفرمینگ لوله و آزمایش کشش تک‌محوری مورد مطالعه قرار دادند. نتایج هر دو آزمایش نشان داد که تغییر طول و شکل‌پذیری لوله‌ها در دماهای بالا افزایش می‌یابد.
هوانگ و همکارانش [12] در سال 2007 تأثیر سنبه‌ی متقابل بر هیدروفرمینگ لوله‌ی‌ سه‌راهی را به صورت تجربی بررسی کردند. آن‌ها در این پژوهش نشان ‌دادند که استفاده از سنبه‌ی متقابل در فرآیند هیدروفرمینگ سرد لوله‌های سه‌راهی سبب افزایش ارتفاع برآمدگی در محصول سه‌راهی می‌شود.
کیم و همکارانش [13] در سال 2007 آزمون شکل‌دهی محدب را برای لوله‌های آلیاژ (AA6061) به روش‌های تجربی و شبیه‌سازی اجزای محدود با نرم‌افزار DEFFORM-2D در دماهای بالا انجام دادند. آن‌ها نشان دادند که توزیع دما در لوله بر شکل‌پذیری آن در فرآیند هیدروفرمینگ لوله تأثیر زیادی ندارد.
یی16 و همکارانش [14] در سال 2008 یک سیستم گرمایش ترکیبی برای ایجاد توزیع یکنواخت دما روی سطح لوله طراحی کردند. آن‌ها برای گرمایش سریع لوله در این پژوهش از یک سیستم گرمایشی القایی به عنوان اصلی‌ترین منبع گرما استفاده کردند. در سیستم گرمایش القایی از یک کویل فرکانس بالا برای تمرکز انرژی روی لوله در حین فرآیند و جلوگیری از اتلاف انرژی استفاده می‌شود. هم‌چنین، برای ایجاد توزیع یکنواخت دما در جهت‌های طولی و شعاعی لوله از یک المنت گرمایشی در داخل لوله استفاده شد. شکل ‏112 این سامانه را نشان می‌دهد. آن‌ها نشان دادند که شکل‌دهی لوله به روش هیدروفرمینگ با استفاده از این سیستم گرمایشی افزایش می‌یابد.
جون17 و همکارانش [15] در سال 2010 چروکیدگی در فرآیند هیدروفرمینگ گرم لوله‌های منیزیمی را بررسی کردند. در این پژوهش، چروکیدگی لوله‌ی منیزیمیAZ31B تحت مسیرهای بارگذاری و دماهای متفاوت در فرآیند هیدروفرمینگ گرم به صورت تجربی مورد بررسی قرار گرفت . آن‌ها نشان دادند که با افزایش تغذیه‌ی محوری، شعاع چروکیدگی افزایش و پهنای آن کاهش می‌یابد. ولی برای نمونه‌های چروکیده شده در دما و یا فشار بالا، شعاع و پهنای چروکیدگی افزایش یافتند.
سوسا18 و همکارانش [16] برای دستیابی به مقادیر بهینه‌ی ابعاد سنبه و قالب، میزان جابجایی سنبه و نیروی ورقگیر در فرآیند خمکاری V و U شکل ورق با هدف رسیدن به ابعاد ایده‌آل در محصول نهایی از شبیه‌سازی اجزای محدود فرآیند والگوریتم ژنتیک استفاده کردند. آن‌ها همچنین با مقادیر بهینه‌ی بدست آمده از الگوریتم ژنتیک آزمایشی را طراحی کردند. نتایج آزمایش آن‌ها نشان می‌دهد که محصول بدست آمده به اهداف بهینه‌سازی نزدیک است.
شکل ‏112 سیستم گرمایش ترکیبی [14]
وی19 و یونگ20 [17] برای دستیابی به کمیت‌های بهینه‌ی فرآیند شکل‌دهی گلگیر خودرو با هدف تولید محصول بدون چروک، پارگی و دارای توزیع ضخامت یکنواخت از الگوریتم ژنتیک استفاده‌کردند. این محققین با انجام دادن آزمایشی از فرآیند شکل‌دهی گلگیر خودرو با استفاده از مقادیر بهینه‌ی بدست‌آمده از الگوریتم ژنتیک نشان دادند که می‌توان به جای صرف هزینه‌ها‌ی زیاد در روش‌های سنتی طراحی فرآیند (مانند روش سعی و خطا) به کمک روش الگوریتم ژنتیک، مقادیر بهینه‌ی کمیت‌های طراحی فرآیند شکل‌دهی را بدست آورد.
شمسی و همکارانش [18] برای تعیین مسیر فشار بهینه‌ی سیال در فرآیند هیدروفرمینگ ورق با هدف تولید قطعات پله‌ای شکل با هدف تولید محصول بدون عیوب چروکیدگی و پارگی از الگوریتم ژنتیک استفاده کردند.
تحقیقات انجام شده نشان می‌دهند الگوریتم ژنتیک روشی قابل اطمینان برای بهینه‌سازی کمیت‌های فرآیندهای شکل‌دهی می‌باشد.
اهداف و ساختار پایان‌نامه
همان‌طور که در بخش قبل دیده شد، در زمینه‌ی فرآیند هیدروفرمینگ گرم لوله، پژوهش‌های کمی انجام ‌شده است. همچنین، هیدروفرمینگ گرم لوله‌های سه‌راهی تاکنون به صورت عددی و تجربی مورد بررسی قرار نگرفته ‌است و کمیت‌های مناسب برای تولید لوله‌ی سه‌راهی بدون عیب، به‌دست نیامده است. در این پایان‌نامه سعی شده است تا به کمک شبیه‌سازی اجزای محدود، فرآیند هیدروفرمینگ گرم لوله‌های سه‌راهی مورد مطالعه قرار گیرد. هم‌چنین، با استفاده از الگوریتم ژنتیک تلاش شده است تا کمیت‌های بهینه‌ی بارگذاری فرآیند هیدروفرمینگ گرم لوله‌ی سه‌راهی برای دستیابی به محصول بدون عیب به‌دست آیند.
در فصل دوم این پژوهش به بیان مفهوم ریاضی بهینه‌سازی پرداخته شده است ، همچنین در این فصل به معرفی الگوریتم ژنتیک به عنوان یکی از روش‌های بهینه‌سازی الهام گرفته شده از طبیعت پرداخته شده است. در فصل سوم مراحل و ویژگی‌های شبیه‌سازی اجزای محدود فرآیند هیدروفرمینگ گرم لوله‌های سه‌راهی و اعتبار سنجی آن که با استفاده از نتایج آزمایشگاهی انجام شد بیان شده است. در فصل چهارم به تعیین تابع هدف مورد نیاز برای بهینه‌سازی کمیت‌های فرآیند و همچنین بهینه‌سازی انجام شده پرداخته شده است. در فصل پنج نتایج بدست آمده از شبیه‌سازی انجام شده، بررسی شده است و همچنین نتایج بدست آمده از بهینه‌سازی بیان شده است و در فصل ششم جمع‌بندی و ارائه‌ی پیشنهادات انجام شده است.
الگوریتم ژنتیک
مقدمه
بهینه‌سازی را می‌توان به عنوان فرآیند یافتن شرایطی که مقدار بیشینه یا کمینه یک تابع را بدست می‌دهد، تعریف کرد. واضح است که اگر نقطه x منطبق بر مقدار بیشینه تابع f(x) باشد، این نقطه بر مقدار کمینه تابع f(x) – هم منطبق است. پس بدون ازدست دادن کلیت، می‌توان بهینه‌سازی را به معنای کمینه‌سازی در نظر گرفت، زیرا بیشینه یک تابع را می‌توان با جستجوی کمینه منفی آن تابع پیدا کرد. درمیان روش‌های بهینه‌سازی الهام گرفته شده از طبیعت جاندار، الگوریتم‌های ژنتیک از تکامل یافته‌ترین‌ها به شمار می‌روند. الگوریتم‌های ژنتیک، براساس اصول تکامل طبیعی پایه‌ریزی شده‌اند. درطبیعت افرادی که در رقابت برای دستیابی به منابع محدودی مانند غذا و سرپناه پیروز می‌شوند ، باقی می‌مانند و تولید مثل می‌کنند . برتری این افراد مدیون ویژگی‌های فردی آن‌هاست که تا حد زیادی تحت تأثیر ژن‌های آن‌ها قرار دارد. تولید مثل افراد پیروز، موجب تکثیر این ژن‌ها و در نتیجه ایجاد فرزندان بهتر می‌گردد. با انجام متوالی انتخاب بهترین افراد جمعیت و تولید مثل آن‌ها، کل جمیعت به سوی سازش بیشتر با محیط خود (یعنی دستیابی به منابع بهتر و بیشتر) سوق می‌یابد.
الگوریتم‌های ژنتیک، الگوریتم‌های جستجویی هستند که براساس ساز وکار انتخاب طبیعی و ژنتیک طبیعی ذکر شده در بالا بنا نهاده شده‌اند.
بیان ریاضی یک مسئله بهینه سازی
هر مسئله بهینه‌سازی برای اینکه مورد تحلیل قرارگیرد باید به صورت یک



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید