发展中的塑性加工理论和模拟技术
发展中的塑性加工理论和模拟技术＊
董湘怀李志刚
摘要介绍了塑性成形过程模拟软件的一些新功能及应用现状
关键词
明显地增加计算代价的前提下比现有的宏观塑性力学本构模型更精确地描述塑性各向异性在这种本构模型中
Zhou等人[4]采用四阶塑性对偶势分析了板材成形中的制耳
除工件的形状变化以满足零件的使用要求为了利用锻件余热进行热处理要求研究塑性加工以及相关的热处理过程中工件组织性能的变化规律渗碳量等的预测已初步得到应用[5]
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·￠???á°?μ???μˉá???í??ú/反弯曲次数的增加而逐渐增大
他们认为对于铝板的回弹预测考虑包兴格效应
其中采用新的多屈服面模型考虑同时包含等向强化和运动强化的材料实际强化规律
他们的模型与前述反复弯曲实验结果吻合得更好
隐式或显式和隐式耦合的有限元计算法进行预测
并与实验结果进行了比较这与人们通常所持的隐式算法能更准确地预测回弹的看法不一致
各种有限元算法都能有效地用于回弹预测
提出了一种考虑厚向变形的新的厚壳单元
这种单元能用于分析成形过程中工件两面同时受到模具作用的场合
将会有利于提高校正弯曲后回弹预测的精度
避免了静力隐式算法中常常遇到的收敛性问题
形成的整体求解方程是彼此独立的减少了所需存储量和计算量近年来成为冲压成形中模具加载过程模拟计算的最流行的方法
在冲压成形模拟中常常人为地提高模具的运动速度
这样就不可避免地增大了惯性效应
确定了影响惯性效应的主要因素和模具的极限运动速度
在产品小型化微细成形技术引起了越来越广泛的关注
韩国政府资助开展了毫米结构研究计划材料的流动应力
挤压中
当工件特征尺寸达到数微米时使扭转
压入等具有应变梯度的变形条件下的屈服应力显著增加[15]
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[16]
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Pourboghrat等人[17]提出了一种混合采用膜单元和壳单元的计算方法其中弯曲/反弯曲应变采用解析方法根据膜的形状求解
这样可以节省50%的计算时间
采用隐式算法模拟塑性成形过程时
因此采用高效率的方程组求解算法是提高模拟计算效率的关键稀疏阵求解算法已得到应用变带宽算法和波前法相比而且能节省存储量采用预处理的迭代解法计算速度快对于某些成形模拟问题也是有效的方法[5]
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Gearing等人[20]将Anand提出的率无关各向同性等温界面摩擦模型推广为率相关模型
可以描述摩擦系数随正压力
用于冲压成形模拟比库仑摩擦定律更精确
预成形设计是体积成形工艺优化的具体应用如果优化的目标仅仅是终锻件的几何形状满足设计要求但反向模拟中边界条件的处理较困难采用的最优化计算方法有灵敏度分析方法拟合优化法一致变换方法
但目前最优化的目标主要是针对工件的形状尺寸
主要限于二维问题冲压工艺优化与体积成形优化的基本方法是类似的
坯料的初始构形为平面即反向模拟
板料成形模拟的逆算法计算速度很快因此已成为目前用于冲压工艺优化的主要方法使冲压件中厚度分布最均匀
使设计的毛坯冲压出的工件可很好地满足产品形状要求
３ 塑性成形模拟软件及其应用
塑性成形模拟技术经历了几十年的发展这些软件都是采用有限元法进行数值计算的一类是将通用有限元软件的功能扩充后用于塑性成形过程模拟ＡＢＡＱＵＳ等
如主要用于体积成形和热处理分析的DEFORM°üà¨òo?1?íD?AutoForm OPTRIS等
一些大企业将成形模拟作为成形工艺设计和模具设计的必经环节和模具验收的依据之一
ＡｕｔｏＦｏｒｍＯＰＴＲＩＳ等
后者一方面是这些模拟软件的主要用户
这些软件采用的有限元求解算法各有特点
AutoForm采用全拉格朗日列式的静力隐式算法当某个软件开发商推出一种新功能后因此这几种软件的功能比较接近
以便与冲压工艺和冲模设计相衔接ＶＤＡＦＳ为了全面支持冲压工艺和模具设计
工艺补充部分和拉延筋的手段
除了通常的用于进行详细分析的有限元增量算法以外
为了适应用户分析冲压新工艺的需要
吹塑成形爆炸成形它们都支持包括压边圈夹紧修边大都提供了对工艺参数和几何参数进行优化计算的模块应变和应力分布以外冲压工艺性分析相对滑动等许多专业性的分析结果另外
用于强度和碰撞等分析
美国通用汽车公司每年要对6000个冲压件进行成形过程模拟
称为分析师
其经济效益十分明显
目前国际上较有影响并已进入中国市场的专业化的模拟软件主要是DEFORM2???￡?é??óDXYRoí?±???2??á???êy?Yê?è??￡ê?DXFμè±ê×?í?D?ê?è??ó?úPATRAN DEFORM除了模拟锻造过程以外挤压
DEFORM 还有2维和3维热处理模块退火回火
可以预测工件的硬度淬火变形以及其它有关的机械和材料特性
ＤＥＦＯＲＭ在考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效应在内的热力耦合分析方面在自适应网格重分方面，都有其独到之处
许多大学和研究所都开展了长期的系统的理论研究和软件
开发其中有的软件达到了一定的商品化水平吉林大学开发的KMAS软件系统成功地应用于小红旗轿车488发动机油底壳的冲压成形工艺优化和发射天线反射镜面的回弹补偿等工程问题[24]
但是由于没有形成良好的市场机制
近年来我国在塑性成形模拟方面有明显的进步国家资助的科技项目越来越重视开发具有自主版权的商品化软件另一方面
包括上海大众宝钢等在内的一些大型企业和一些民营企业已经在产品和模具设计中开始采用模拟技术今年在武汉召开的第七届全国塑性加工理论学术会议和第十七届车身技术研讨会上
充分显示了近年来我国成形模拟技术的迅速发展成为全球制造业最具发展潜力的基地依靠廉价产品进入国际市场的发展模式
依靠产品质量和快速响应市场的能力参与国际竞争
４ 塑性加工模拟技术的发展趋势及应用展望
塑性加工模拟技术的发展离不开力学这些学科领域基础研究的深化及学科间的协同交叉在冲压成形模拟中这是因为对回弹过程的机理
为了解决回弹预测的精度问题
材料组织性能的变化如包兴格效应能准确地反映冲压过程中工件中应变和应力分布的
单元模型国际上塑性加工过程模拟技术的一个重要发展方向应力
例如损伤和织构的演化及其对零件使用寿命的影响相变
都是值得进一步研究的问题
也向塑性加工模拟技术提出了新的研究课题仅采用了凸模或凹模的充液拉深工艺的模拟要求能在模腔中给定液压力
以便在准确地描述工具头作用下的局部成形的同时减少总的计算时间液相和相变
本构模型和相变规律等方面都要开展研究
是与材料设计和结构分析结合起来塑性加工机加工实现数字化制造
首先根据产品的使用要求确定零件的尺寸及精度使用寿命等
设计其细观和微观组织
优化工艺参数
在我国一方面要在引进国际知名的模拟软件的基础上推广应用
其中包括材料的基本性能参数成形极限曲线等同时要求发展
实验测量技术另一方面
促进我国塑性加工理论和模拟技术的发展
促使其实现商业化且与我国的技术标准不尽一致
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作者简介男教授主要研究方向为塑性加工过程的计算机模拟及工艺优化
有限元法的工程应用等
董湘怀
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