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基于kriging代理模型的优化设计方法及其在注塑成型中的应用

高月华  
【摘要】: 信息产品和电子产品的迅速发展,对注塑制品的质量提出了更高的要求,如轻便、小巧等,这些就促使了高精密塑料制品的出现。由于制件的壁很薄(一般为1-2mm),所以更容易出现收缩、翘曲、残余应力等缺陷。对于这些薄壳类精密制品而言,翘曲变形严重影响制品的质量。注塑成型过程是一个高度非线性时变性的多参数作用过程,所以质量与整个过程中的各个参数相关。随着一些大型的注塑成型分析软件的发展和成熟,基于CAE技术的优化设计在注塑成型工艺中的应用极大地提高了制品成型的质量和效率。然而,基于这些大型的分析软件,实施有效的优化设计仍然是一个有挑战性的课题。 本文首先对kriging代理模型的数学机理进行了详细阐述,它是一种基于统计理论的插值技术,没有假定的具体形式,应用灵活。随后通过工程优化实例将基于kriging代理模型的优化方法与序列线性规划算法进行了比较,结果显示出基于kriging代理模型优化方法的诸多优点。 鉴于kriging代理模型近似优化的优点,将其引入到注塑成型领域,同时发展了带有随机移动的网格取样方法,并结合二者设计基于最小化响应面和最大化期望提高加点准则的序列黑箱优化程序。这种序列优化设计对所建立的代理模型进行序列更新,能有效地提高最优解精度。应用该程序对注塑制品成型工艺进行了有效的优化设计,并基于优化结果分析了注塑工艺参数对制件翘曲变形的影响。 提出一种同时考虑预测值及其不确定性的kriging代理模型序列近似优化方法。这种优化方法在每次更新模型时增加当前最优设计和预测不确定性较大的点,提高模型的全局预测精度,同时进一步提高当前最优解处的预测精度。其中加点准则在每次加点迭代过程中所增加的新点一般为多个,称之为多点加点准则。通过数学函数对所提出的序列近似优化方法进行了较详细的探讨,并且与最大化期望提高加点准则进行了比较,结果显示出本文提出的优化方法能有效地逼近全局最优解。在此基础上,将多点加点准则引入到考虑不确定性的稳健优化设计中,实现了序列优化过程,并且引入了双重kriging代理模型的构建,不仅减小优化过程中的函数运行次数而且减小稳健优化过程中不确定性分析的计算量,从而有效地提高计算效率。 注塑制件的翘曲变形产生机理复杂,而且与注塑工艺、制件尺寸等因素的关系式高度非线性的。针对减小注塑制品翘曲的要求,建立了注塑工艺和制件几何壁厚的优化模型,并结合多点加点准则实施了减小翘曲的序列近似优化设计,有效地减小了制品的翘曲变形,并分析了工艺参数以及材料参数(黏度和PVT关系)对制件翘曲变形的影响,为提高注塑制品的质量提供了依据。考虑到注塑工艺中某些参数的不稳定性,建立了相应的稳健优化模型,结合基于kriging代理模型的序列稳健优化设计方法对注塑工艺和制件壁厚进行了稳健优化设计,优化结果表明所提出的序列近似稳健优化设计方法是有效的。 本文工作得到国家自然科学基金重大项目《高聚物成型加工与模具设计中的关键力学和工程问题》(No.10590354)的资助。


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