预成形设计及相应的预锻模具设计是锻造工艺及锻模设计中核心内容之一。由于终锻模的形状是根据终锻件设计的,其形状是固定不变的,要想获得满足尺寸及质量要求的合格终锻件,预成形设计就成为关键,也是工艺设计中难度最大的环节。随着有限元数值技术的发展和广泛应用,数值模拟为锻造工艺设计提供了可靠的分析和验证工具。基于数值模拟的预成形设计,可以在多个预成形设计方案中,通过成形模拟,确定最优化的预成形设计。当产品形状复杂或者对产品质量要求较高时,传统的经验式的预成形设计很难满足锻造工艺设计的要求,需要基于科学的方法设计预成形形状及对应的预锻模具形状。因此,在数值模拟的基础上,结合优化理论和算法,实现预成形设计的自动化和最优化,是预成形设计的重要研究方向,具有重要的理论意义和应用价值。本文作者参与了山东省重点研发项目的研究,作为项目的一个研究内容,本文开展了实际锻造产品的预成形设计和基于拓扑优化的预成形设计理论方法和程序开发研究。本文首先开展了基于有限元正向模拟的预成形设计方法研究。以合作企业实际生产的Q4041高压共轨锻件为例,对其预制坯的形状进行了优化设计。根据实际生产中终锻件中间部位飞边量较大的情况,设计了哑铃型预制坯形状,提出了采用辊锻制坯代替现有制坯的工艺方法。设计了4种不同形状的预制坯形状,采用有限元软件对设计的预制坯进行了锻造过程模拟。采用机加工的方式制备了预制坯,进行了实际的锻造实验,并与模拟结果进行了对比,确定了 4种辊锻预制坯方案中能够完全充满型腔且飞边量最小的预制坯形状。实验结果表明,采用优化的预制坯进行锻造生产可以减少35%的飞边,提高了材料的利用率。本文开展了预成形优化设计方法研究,将双向渐进拓扑结构优化法应用到预成形优化设计中。双向渐进拓扑结构优化法是一种新颖的优化方法,已在连续体结构优化设计中获得了成功。本文通过建立适用于材料塑性成形过程的单元增删准则,逐渐增删预成形坯料表面的材料来改变其形状,实现对预成形坯料形状的优化设计。现有的预成形优化方法普遍存在的问题之一就是,缺少对预成形整体形状的控制。在预成形形状优化过程中,随着优化迭代的进行,预成形的形状可能变得非常复杂,甚至其形状比终锻件的形状还要复杂,导致预锻成形无法实现,这就失去了预成形设计的意义。本文的创新点是,在单元增删准则中考虑了对预成形整体形状的控制,将形状控制因子加入到单元增删准则中,提出了一种基于充填性、变形均匀性以及形状控制的多目标增删准则。本文详细阐述了拓扑优化算法中的一系列关键技术和实现流程,包括目标函数的构建,单元场量追踪与传递,单元增删数量的确定,单元增删操作过程,边界节点的提取及拟合光顺等。基于本文提出的预成形拓扑优化设计方法,在Windows平台上采用Visual C++程序开发语言,开发了预成形优化设计程序PREFORM。该程序具有可视化用户界面,可以方便建立有限元分析模型和拓扑优化模型,查看预成形优化的结果。该程序的主要功能包括,定义设计域及生成背景栅格、生成拓扑网格、与有限元模拟程序进行数据交换、追踪与传递单元的场量信息、计算单元增删判据、执行单元增删操作、提取边界节点及生成B样条曲线、计算目标函数值等。利用本文开发的预成形拓扑优化程序对平面应变H型锻件和轴对称盘型锻件两种典型的预成形形状进行了优化设计。以材料充填性能和变形均匀性为优化目标函数,详细给出了优化的过程和优化的结果。采用优化后的预成形进行终锻成形,材料能完全充满型腔,飞边较小,没有折叠等缺陷,应变均匀性得到了改善,最大成形载荷大大降低。优化后的预成形形状具有与终锻件相似的外形,形状复杂度适中,验证了本文所提出的基于拓扑优化的预成形优化设计方法的可靠性。