本發(fā)明公開(kāi)了一種3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)群智能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，涉及模具電加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著曲面玻璃在手機(jī)(后蓋保護(hù)片)大規(guī)模的應(yīng)用,3d曲面玻璃熱彎成了一個(gè)非常重要的問(wèn)題。3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)作為3d玻璃生產(chǎn)制造里程最關(guān)鍵的一站，它的穩(wěn)定性直接影響到了3d玻璃的產(chǎn)品穩(wěn)定性。3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)的模具溫度均勻性直接決定著曲面玻璃的成型質(zhì)量，曲面玻璃的成型工藝共有11道工序左右，每道工序都要求很高的模具的溫度，其中模具溫度最高可達(dá)800℃，且要保持恒定高溫，而目前較為成熟的模具加熱方式是單頭電加熱棒加熱，為了保證模具上有效區(qū)間內(nèi)良好的溫度均勻性，目前最為有用和常見(jiàn)的方法就是采用變功率密度電加熱棒，即將電加熱分為多段，每段電加熱棒的功率密度都不一樣，如圖1所示，單頭電加熱棒分為3段，第一段與第三段的功率密度一樣。

模具溫度均勻性和電加熱棒的壽命都直接決定了3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，模具溫度均勻性直接決定成型質(zhì)量，而電加熱棒壽命越長(zhǎng)，就不需要頻繁更換電加熱棒。采用分段電加熱棒時(shí)，每段電加熱棒功率的分配又直接決定了模具溫度均勻性和電加熱棒的壽命，當(dāng)電加熱棒功率分配合理時(shí)，模具表面溫度才能實(shí)現(xiàn)良好溫度區(qū)域最大化，而如果某一段電加熱棒的功率密度過(guò)大時(shí)，則會(huì)大大縮短整個(gè)電加熱棒的壽命，因此合理分配電加熱棒的功率至關(guān)重要。這里的功率分配包括兩方面內(nèi)容：(1)每根電加熱棒占總功率的比例，這是功率在電加熱棒之間的分配(2)每段電加熱棒占每根電加熱棒功率的比例，這是功率在電加熱棒內(nèi)部的分配。

除了電加熱的功率分配能夠影響模具溫度均勻性外，電加熱棒在模具內(nèi)部的位置同樣可以影響模具加熱溫度均勻性。采用變功率電加熱棒可以使得模具溫度沿電加熱棒長(zhǎng)度方向均勻，而合理設(shè)計(jì)電加熱棒在模具內(nèi)部的位置則使得模具溫度垂直電加熱棒長(zhǎng)度方向均勻，因此只有通過(guò)合理分配電加熱棒的功率和電加熱棒在模具內(nèi)部的位置，才能從橫縱向使模具表面溫度均勻。

目前，對(duì)于電加熱棒在模具內(nèi)部的位置和功率分配大都采用經(jīng)驗(yàn)的方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)不斷地調(diào)整，采用這種試錯(cuò)方法的尋優(yōu)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且效率低下，無(wú)法獲得最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)群智能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，采用一種粒子群優(yōu)化算法對(duì)變功率密度電加熱棒的功率密度進(jìn)行分布，同時(shí)對(duì)電加熱棒在模具中的位置進(jìn)行布置。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

一種3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)群智能優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所述方法的具體步驟包括：

步驟一、建立3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，所述3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具為具有對(duì)稱性的平板模具，優(yōu)化目標(biāo)為3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具上表面或者下表面有效區(qū)間的溫度均勻性；

步驟二、建立3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具穩(wěn)態(tài)熱分析模型，對(duì)所建立的3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，建立3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具穩(wěn)態(tài)熱分析物理模型，劃分網(wǎng)格，施加對(duì)流、熱輻射以及載荷，計(jì)算并讀取模具表面有效區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置及溫度數(shù)據(jù)；

步驟三、采用粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的上下限，所述參數(shù)均為非線性約束；初始化設(shè)定規(guī)模的粒子群體及其位置和速度，對(duì)第一代種群個(gè)體進(jìn)行適應(yīng)值計(jì)算，通過(guò)迭代更新對(duì)每個(gè)粒子的速度和位置進(jìn)行更新；

檢驗(yàn)是否達(dá)到停止條件，若達(dá)到則停止迭代，輸出結(jié)果；否則轉(zhuǎn)到步驟二；

步驟四、將優(yōu)化結(jié)果得到的參數(shù)代入到3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具穩(wěn)態(tài)熱分析模型中，提取有效區(qū)間的所有節(jié)點(diǎn)溫度信息，并繪制溫度響應(yīng)曲面，判斷模具溫度場(chǎng)是否足夠均勻，進(jìn)行優(yōu)化結(jié)果檢驗(yàn)。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟一中，所述溫度均勻性的指標(biāo)包括：有效區(qū)間的溫度標(biāo)準(zhǔn)差、有效區(qū)間內(nèi)的最大溫差，或者，綜合考慮上述溫度標(biāo)準(zhǔn)差和最大溫差。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟二中，使用有限元分析軟件ansys對(duì)所建立的模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟三中，所述停止條件為迭代計(jì)算次數(shù)達(dá)到設(shè)定的最大迭代數(shù)，或者迭代計(jì)算結(jié)果達(dá)到設(shè)定的最小誤差。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟三中，粒子的速度和位置更新方程為：

式中，ω為慣性權(quán)重系數(shù)，c1和c2為加速系數(shù)，r1和r2為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)，pbest為粒子本身所經(jīng)歷過(guò)的最優(yōu)位置，gbest為粒子群經(jīng)歷過(guò)的最優(yōu)位置，v^kj為第k代第j個(gè)粒子的更新速度，x^kj為第k代第j個(gè)粒子的位置，k+1為k的迭代。

作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)選方案，步驟四中，所述優(yōu)化結(jié)果檢驗(yàn)的判斷標(biāo)準(zhǔn)還包括：提取模具表面有限區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)差和最大溫差作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：本發(fā)明提高了3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱溫度的均勻性和延長(zhǎng)電加熱棒的壽命，在滿足模具溫度均勻性的同時(shí)，確保電加熱棒良好的壽命，彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中采用實(shí)驗(yàn)法和試錯(cuò)法調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)的不足之處，提高開(kāi)發(fā)效率，縮短開(kāi)發(fā)成本及開(kāi)發(fā)周期。

附圖說(shuō)明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)中，單頭電加熱棒結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中，基于有限元和粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)化策略流程示意圖。

圖3是本發(fā)明中，3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型示意圖。

圖4是優(yōu)化后的溫度響應(yīng)曲面示意圖。

圖5是優(yōu)化后的模具表面模擬云圖。

圖6是優(yōu)化過(guò)程中適應(yīng)值的變化示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：

粒子群算法是由kennedy和eberhart在1995年開(kāi)發(fā)的一種群智能優(yōu)化算法。粒子群算法起源于科學(xué)家對(duì)鳥(niǎo)群或魚群捕食行為的研究，通過(guò)模擬鳥(niǎo)群或魚群的個(gè)體之間的協(xié)作和信息共享尋求最優(yōu)解。粒子群可以解決離散的、非線性的、帶約束的優(yōu)化問(wèn)題，而且具有收斂速度快、搜索范圍廣、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。在3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)中，各設(shè)計(jì)參數(shù)(電加熱棒在模具內(nèi)部的位置參數(shù)和功率分配參數(shù))與溫度均勻性這個(gè)目標(biāo)之間很難建立準(zhǔn)確有效的函數(shù)關(guān)系，因此更具有離散性，因此本發(fā)明采用粒子群智能優(yōu)化算法。

在3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱中，追求良好的溫度均勻性，其工程問(wèn)題的實(shí)質(zhì)就是得到良好的模具穩(wěn)態(tài)熱分布。運(yùn)用有限元仿真模擬，而無(wú)需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)就可以獲悉模具加熱到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱分布，從而評(píng)估電加熱棒在模具內(nèi)部的位置和功率分配是否滿足模具表面溫度均勻性的要求，模擬分析結(jié)果可以指導(dǎo)電加熱棒在模具內(nèi)部的位置和功率分配的調(diào)整。

基于有限元和粒子群優(yōu)化算法的優(yōu)化策略流程如圖2所示。該策略是借助matlab計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言和ansys有限元模擬實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真優(yōu)化。在聯(lián)合仿真優(yōu)化中，ansys主要作用是計(jì)算每個(gè)粒子(每種設(shè)計(jì)方案)的適應(yīng)值，matlab編寫的粒子群算法調(diào)用ansys的計(jì)算結(jié)果，按照粒子群的優(yōu)化方法尋優(yōu)，對(duì)上述聯(lián)合仿真優(yōu)化的過(guò)程不斷地迭代進(jìn)行，直至達(dá)到停止條件，從而最終獲得3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)。

本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計(jì)具體方案如下：

1.建立3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具是一定規(guī)格的平板模具，長(zhǎng)寬高分別為l、w、h，可以安放的電加熱棒數(shù)量為n1，每根電加熱棒按功率密度不同分為n2段，在此處，為了方便敘述，本發(fā)明中以一種比較常見(jiàn)的模具規(guī)格和電加熱棒數(shù)量以及電加熱棒分為3段來(lái)說(shuō)明，l、w、h分別為230、140、37mm，n1為5，n2為3。電加熱棒直徑一般為14mm或者16mm，本專利以16mm為例。3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型如圖3所示。

因?yàn)槟＞呔哂袑?duì)稱性，因此待優(yōu)化的參數(shù)包括：

(1)電加熱棒b、c的位置x1、x2、y1、y2；

(2)電加熱棒3段中靠近邊緣的那段長(zhǎng)度l；

(3)電加熱棒b、c上分配的功率與電加熱棒a功率的比值a1，a2；

(4)電加熱棒中心段占每根電加熱棒功率的比率a3，a4，a5。

每個(gè)參數(shù)都應(yīng)該有范圍，對(duì)于位置參數(shù)x1、x2、y1、y2，應(yīng)該確保電加熱棒之間無(wú)物理干涉，對(duì)于靠近邊緣的分段長(zhǎng)度l應(yīng)該考慮工程實(shí)際給予合理范圍，長(zhǎng)度l過(guò)短不利于加工，對(duì)于比例因子a1、a2、a3，如果過(guò)大則會(huì)大大縮短電加熱的壽命。

確定優(yōu)化目標(biāo)為3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具上表面或者下表面有效區(qū)間的溫度均勻性，溫度均勻性可以有多種指標(biāo)來(lái)表示，最為常見(jiàn)的是有效區(qū)間的溫度標(biāo)準(zhǔn)差tstd，或者有效區(qū)間內(nèi)的最大溫差δt，或者兩者的綜合。

2.建立3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具穩(wěn)態(tài)熱分析模型

建立好了3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型之后，運(yùn)用ansys對(duì)所建立的模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。利于ansys中的apdl語(yǔ)言編寫一套程序，程序能夠讀取文本數(shù)據(jù)參數(shù)，根據(jù)讀入的參數(shù)，建立3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具穩(wěn)態(tài)熱分析物理模型，劃分網(wǎng)格，施加對(duì)流和熱輻射，并根據(jù)公式施加載荷，計(jì)算并讀取模具表面有效區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置及溫度數(shù)據(jù)。

模具達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，根據(jù)能量守恒原理定律，模具熱對(duì)流和熱輻射的熱量應(yīng)該等于電加熱棒的總功率，因此可計(jì)算得出電加熱棒總功率p。

電加熱棒a、b、c的功率分別為：

p1＝p/(1+2*a1+2*a2)；p2＝p*a1；p3＝p*a2；

a、b、c電加熱棒內(nèi)部分段電加熱棒功率為：

p11＝p1*a3，p12＝p1*(1-a3)/2，p21＝p2*a4，p22＝p2*(1-a4)，p31＝p3*a5，p32＝p3*(1-a5)；

每根電加熱棒的分段長(zhǎng)度分別為：230-2*l、l；

則每根電加熱棒每段的功率密度分別為：

pd11＝p11/π*0.008*0.008*(230-2*l)，

pd12＝p12/2π*0.008*0.008**l，

pd21＝p21/π*0.008*0.008*(230-2*l)，

pd22＝p22/π*0.008*0.008*l，

pd31＝p31/π*0.008*0.008*(230-2*l)，

pd32＝p32/π*0.008*0.008*l。

3.matlab編寫的粒子群優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)

確定優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的上下限，且參數(shù)都是非線性約束，參數(shù)矩陣向量[x1，x2，y1，y2，l，a1，a2，a3，a4，a5]的下限lb＝[0.02，0.05，-0.005，-0.005，0.015，0.8，0.8，0.5，0.5，0.5]

ub＝[0.03，0.06，0.005，0.005，0.04，1.2，1.2，0.8，0.8，0.8]；

初始化種群，種群大小為20，粒子維數(shù)為10，迭代次數(shù)設(shè)為100；初始化一定規(guī)模的粒子群體及其位置和速度，并對(duì)第一代種群個(gè)體適應(yīng)值計(jì)算，如果比該粒子當(dāng)前的個(gè)體極值還好，則將pbest的位置賦予給該粒子。若此代群體中所有粒子的個(gè)體極值最優(yōu)的那個(gè)比當(dāng)前gbest還好，則將gbest的位置賦予給該粒子；據(jù)式(1)、(2)對(duì)每個(gè)粒子的速度和位置進(jìn)行更新；檢驗(yàn)是否達(dá)到停止條件(預(yù)定的最大迭代數(shù)或者最小誤差)，若達(dá)到則停止迭代，輸出結(jié)果；否則轉(zhuǎn)到step2。

粒子的速度和位置更新方程為：

式中，ω為慣性權(quán)重系數(shù)，c1和c2為加速系數(shù)，r1和r2為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

4.結(jié)果檢驗(yàn)

將優(yōu)化結(jié)果得到的參數(shù)代入到3d玻璃熱彎?rùn)C(jī)模具穩(wěn)態(tài)熱分析模型中，將有效區(qū)間的所有節(jié)點(diǎn)溫度信息提取出來(lái)，并用matlab繪制溫度響應(yīng)曲面，如圖4所示，圖5為優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)的模具表面模擬云圖，圖6為優(yōu)化過(guò)程中適應(yīng)值的變化。根據(jù)這兩張圖總體判斷模具溫度場(chǎng)是否足夠均勻，也可以提取模具表面有限區(qū)間的標(biāo)準(zhǔn)差和最大溫差作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許更動(dòng)或修飾為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)，在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單的修改、等同替換與改進(jìn)等，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。