对于难以直接成形的形状复杂锻件,通常需要进行一次或多次预成形才能得到合格的终锻件。预成形设计是锻造工艺设计中最重要,也是最困难的工作。合理的预成形设计是保证锻件具有良好成形质量的关键。随着计算机技术和有限元模拟技术的发展,国内外学者已提出了多种基于成形过程模拟的预成形优化设计方法。在分析各种预成形优化设计方法优缺点的基础上,本文将双向渐进结构优化法应用到锻造成形过程的预成形设计中,提出了一种新的预成形优化设计方法。双向渐进结构优化法是一种新颖的优化方法,最初应用于连续体结构优化设计。它根据一定的增删准则,通过对连续体逐步增加或者删除材料,来获得满足要求的最优结构。金属体积成形预成形优化设计与连续体结构优化设计存在着很大的不同,因而双向渐进结构优化法不能直接应用于预成形优化设计。本文在分析了两者的区别之后,对双向渐进结构优化法进行了改进,提出了基于双向渐进结构优化法的预成形优化设计的具体实现方案和实现流程。根据预成形设计的特点,对优化目标、单元的增删、网格划分、单元增删依据和单元删除位置等内容提出了改进方案。本文详细研究了基于双向渐进结构优化法的预成形优化设计的关键技术,包括目标函数、单元增删准则、单元数据跟踪、单元数据传递、单元增删操作和边界光顺拟合等。以金属坯料完全填充模腔和锻件变形均匀为优化目标,建立了总目标函数和子目标函数的具体数学模型。提出了一个与目标函数相关联的新的单元增删准则,该单元增删准则可以根据当前优化迭代步的目标函数值来自动调整单元增删判据数值的计算结果,具有一定的自适性。提出了单元数据跟踪和单元数据传递的方法,可在有限元网格和背景网格间进行数据跟踪与传递。给出了单元增删操作的具体步骤,并提出了一种边界光顺拟合的新方法。采用C++语言编写了预成形优化设计的相关程序,包括背景网格生成、初始预成形坯料的网格离散化、DEFORM有限元模拟数据的读取、目标函数值的计算、单元数据跟踪、单元增删判据数值的计算、单元数据传递、单元增删操作、边界光顺拟合、B-Spline样条曲线拟合等。为了验证本文提出方法的可靠性,以H型锻件和轴对称盘形锻件为例,对这两种典型深腔类锻件进行了预成形优化设计。以金属坯料完全填充模腔和锻件变形均匀为预成形优化目标,分别对两种锻件建立起了优化分析模型,利用DEFROM-2D有限元模拟软件对锻造成形过程进行模拟分析,经过预成形优化迭代,最终获得了完全填充模腔且变形均匀性良好的少无飞边终锻件。