9.2成形過程計(jì)算機(jī)模擬戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS9.2.1塑性成形計(jì)算機(jī)模擬軟件9.2.2塑性成形模擬基本過程9.2.3計(jì)算精度的提高及工藝優(yōu)化9.2.1.塑性成形計(jì)算機(jī)模擬軟件1.塑性成形計(jì)算機(jī)模擬塑性成形計(jì)算機(jī)模擬的基本思想是利用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行產(chǎn)品試模。實(shí)際成形工藝中影響產(chǎn)品性能的指標(biāo)或參數(shù)都會影響分析結(jié)果，如材料性能、模具形狀、成形速度、溫度、接觸狀況（摩擦系數(shù)、熱交換系數(shù)等），因此，這些因素在模擬分析中都需要考慮，其分析流程如圖9.10所示。同時(shí)，一些計(jì)算科學(xué)所涉及的諸如步長、算法等問題也會在一定程度上影響分析結(jié)果。圖9.10計(jì)算機(jī)模擬分析流程第9章成形過程模擬仿真技術(shù)9.2.成形過程計(jì)算機(jī)模擬3戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（1）塑性成形過程中，工件發(fā)生很大的塑性變形，在位移與應(yīng)變的關(guān)系中存在幾何非線性；在材料的本構(gòu)關(guān)系中存在材料（即物理）非線性；工件與模具的接觸與摩擦引起狀態(tài)非線性。因此，金屬塑性成形問題難以用常規(guī)計(jì)算求得精確解。（2）工件通常不是在已知的載荷下變形，而是在模具的作用下變形，而模具的型面通常是很復(fù)雜的，處理工件與復(fù)雜的模型面的接觸問題增大了模擬計(jì)算的難度。（3）塑性成形中往往伴隨著溫度變化，在熱成形和溫成形中更是如此，為了提高模擬精度，需要考慮變形分析與熱分析的耦合作用。同時(shí)，塑性成形還會導(dǎo)致材料微觀組織性能的變化，如變形織構(gòu)、損傷、晶粒度等的演化，考慮這些因素也會增加模擬計(jì)算的復(fù)雜程度。2.塑性成形模擬的特點(diǎn)4第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造成形問題計(jì)算機(jī)模擬實(shí)施步驟如圖9.11所示，可以看出，一般的塑性成形計(jì)算機(jī)模擬軟件的模塊結(jié)構(gòu)是由前處理器、模擬處理器（FEM求解器）和后處理三大模塊組成，其中，前處理生成計(jì)算文件，求解器進(jìn)行工藝計(jì)算，后處理獲得計(jì)算結(jié)果。3.塑性成形計(jì)算機(jī)模擬軟件的模塊結(jié)構(gòu)5第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造圖9.11有限元分析的實(shí)施步驟與一般的計(jì)算機(jī)模擬分析類似，塑性成形計(jì)算機(jī)模擬主要包括以下幾個(gè)過程：建立幾何模型、

建立計(jì)算模型、求解和后處理四個(gè)過程。1.建立幾何模型

塑性成形計(jì)算機(jī)模擬分析，都需要建立幾何模型，如圖9.12所示。一般的有限元計(jì)算商業(yè)軟件都可以提供簡單的幾何造型功能，以滿足簡單幾何形狀的塑性成形計(jì)算建模需要。形狀簡單的模具和工件，分析人員可以利用模擬軟件生成。對于模型過于復(fù)雜，CAE軟件不能造型或者耗時(shí)太長，需要應(yīng)用CAD系統(tǒng)造型，如UGNX、CATIA、Pro/E等。圖9.12塑性成形幾何體創(chuàng)建9.2.2塑性成形模擬基本過程6第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2.建立計(jì)算模型（1）模擬參數(shù)設(shè)置

模擬參數(shù)的設(shè)置，主要是為了進(jìn)行有效的數(shù)值模擬。雖然成形分析是一個(gè)連續(xù)的過程，但計(jì)算機(jī)模擬時(shí)需要分許多時(shí)間步來計(jì)算，所以需要用戶定義一些基本參數(shù)。步驟設(shè)置a.啟動(dòng)步。一般-1為默認(rèn)啟動(dòng)步。b.模擬總步數(shù)。模擬總步數(shù)，決定了模擬的總時(shí)間或位移。一般地，簡單工序建議25～75步，典型成形工序建議100步，復(fù)雜工序建議200步以上。c.保存到數(shù)據(jù)庫的步驟數(shù)。決定每多少步資料存儲一次?？紤]到存儲量較大問題，并不建議將每個(gè)計(jì)算步驟都保存到數(shù)據(jù)庫，否則存儲文件可能太大。一般地，每5~10步存儲一次比較合理，當(dāng)然，此值可根據(jù)模擬中的步驟數(shù)和硬盤上可用空間大小調(diào)整。d.步長：可以用時(shí)間增量或每步的位移作為步長。7第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造圖9.13步長與精度的關(guān)系圖9.14（a）為線彈性材料模型，這種材料加卸載后變形可以完全恢復(fù)，彈性模量用于衡量材料的變形能力。工程實(shí)際中并不存在。圖9.14（b）為理想剛塑性模型，這種材料的特點(diǎn)是完全忽略彈性變形，不考慮加工硬化和變形抗力對變形速度的敏感性。事實(shí)上，很多材料屬于彈塑性材料，變形初期發(fā)生彈性變形，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服極限時(shí)，發(fā)生塑性變形。如圖9.14（c）為理想彈塑性模型，這種模型忽略材料的強(qiáng)化作用，認(rèn)為在應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)以前完全服從胡克定律，屈服以后應(yīng)力值不再增加，應(yīng)變值可無限增加。8（2）設(shè)置材料基本屬性

塑性成形計(jì)算機(jī)模擬設(shè)置中，物體基本屬性主要是指基本性質(zhì)、溫度、材料等。第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造圖9.14理想材料模型圖9.15為線性強(qiáng)化模型，其中，圖9.15（a）為線性強(qiáng)化剛塑性模型，在研究塑性變形時(shí)，不考慮塑性變形之前的彈性變形，但需要考慮變形過程中的加工硬化，在塑性階段屈服應(yīng)力與變形成線性增加；圖9.15（b）為線性強(qiáng)化彈塑性模型，考慮材料的彈性變形。圖9.15線性強(qiáng)化模型事實(shí)上，在很多材料模型中，強(qiáng)化并非符合線性規(guī)律，如圖9.16所示。圖9.16非線性強(qiáng)化模型9第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（3）網(wǎng)格劃分所有的有限元數(shù)值計(jì)算分析都是離散的網(wǎng)格通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行力和能量的傳遞，因此，網(wǎng)格的劃分是基礎(chǔ)。網(wǎng)格劃分最基本的條件是材料和模具劃分網(wǎng)格以后，應(yīng)該可以充分體現(xiàn)原來的特征。網(wǎng)格變量是在網(wǎng)格中心計(jì)算的，在陡峭的梯度區(qū)域，峰值隨粗元素而丟失。圖9.17為粗大網(wǎng)格與細(xì)密網(wǎng)格的誤差對比。圖9.17不同網(wǎng)格誤差對比10

網(wǎng)格生成及控制。網(wǎng)格數(shù)量。為了提高模擬的效果，網(wǎng)格劃分當(dāng)然是越多越好，但這是以犧牲效率為代價(jià)的。兼顧到計(jì)算時(shí)間和效率問題，需要結(jié)合具體工藝對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行適當(dāng)控制。網(wǎng)格數(shù)量的增多，計(jì)算時(shí)間呈數(shù)倍增長。網(wǎng)格質(zhì)量控制。除了尺寸比率外，對網(wǎng)格質(zhì)量的控制還可以通過設(shè)置權(quán)重因子和網(wǎng)格密度窗口實(shí)現(xiàn)。一般情況下，可以根據(jù)表面曲率、溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率以及自定義區(qū)域的相對重要性分配加權(quán)系數(shù)。第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（4）運(yùn)動(dòng)參數(shù)變形速度、工具運(yùn)動(dòng)方式等對金屬的塑性和變形抗力有重要影響。工具的運(yùn)動(dòng)方式主要有直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)兩種。1）速度。塑性成形模擬中，速度可以定義為常數(shù)，也可以是時(shí)間或位移的函數(shù)，又或是與另一個(gè)物體的速度成比例的函數(shù)。當(dāng)物體是剛體時(shí)，整個(gè)物體將會以指定的速度運(yùn)動(dòng)；當(dāng)物體是變形體（彈性的、塑性的或是多孔）時(shí)，可以對每個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行速度運(yùn)動(dòng)邊界條件設(shè)置。2）載荷。成形運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以根據(jù)已知載荷設(shè)置，載荷可以是常數(shù)，也可以是時(shí)間或者位移的函數(shù)。當(dāng)物體為剛性時(shí)，載荷是指所有與之接觸的非剛性物體所施加的合力；當(dāng)物體是彈性、塑性或多孔時(shí)，載荷是指定義了運(yùn)動(dòng)邊界條件的所有節(jié)點(diǎn)載荷之和。（5）邊界條件塑性成形有限元仿真，邊界條件包括與環(huán)境的傳熱、速度邊界條件、對稱邊界條件等。模擬時(shí)，可以利用這些邊界條件簡化模型，也可以利用旋轉(zhuǎn)對稱或者平面情況將模型簡化為二維問題。在三維模擬中，可以利用其結(jié)構(gòu)對稱簡化模型，模擬分析時(shí)，應(yīng)盡可能利用對稱關(guān)系，這既可以節(jié)省計(jì)算時(shí)間，也有助于增加分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。在設(shè)置對稱邊界條件后，也同時(shí)排除了失穩(wěn)現(xiàn)象的產(chǎn)生。11第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（6）定義接觸關(guān)系定義接觸關(guān)系包括物體的主-從關(guān)系（alave-master），一般情況下，軟的物體設(shè)為從（slave），分析時(shí)需要更為細(xì)密的網(wǎng)格；硬的物體設(shè)為主（master），分析時(shí)可以不劃分網(wǎng)格或者進(jìn)行網(wǎng)格粗畫。1）剪切摩擦模型。剪切摩擦模型為：式中，為摩擦應(yīng)力；k為剪切屈服極限，；m為摩擦系數(shù)，0≤m≤1。對于具體的成形工藝，摩擦系數(shù)可以是函數(shù)形式，也可以是常數(shù)，對冷成形工藝推薦0.08～0.1，溫成形工藝推薦0.2，有潤滑的熱成形推薦0.3，無潤滑表面推薦使用0.7～0.9。式（9-49）適用于與模具接觸的塑性變形區(qū)部分，如圖9.19所示為剪切摩擦曲線。圖9.19剪切摩擦曲線12第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2）庫倫摩擦模型。庫倫摩擦模型為：式中，為摩擦力，p為兩個(gè)物體之間正壓力，為摩擦系數(shù)。式（9-50）適用于與模具接觸的相對滑動(dòng)速度較慢的剛性區(qū)部分，所求出的摩擦應(yīng)力應(yīng)小于等于剪切屈服極限。圖9.20庫倫摩擦模型曲線3）傳熱系數(shù)。熱塑性成形計(jì)算模擬過程中，坯料與模具、坯料和環(huán)境、模具和環(huán)境之間都存在傳熱關(guān)系。熱分析中的邊界條件包括環(huán)境溫度、表面換熱系數(shù)等。對于多個(gè)接觸物體（變形）的非等溫或傳熱型問題，需要定義傳熱系數(shù)。13第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造3.求解在體積成形模擬中，如果主要關(guān)心成形過程中工件的變形情況，可采用剛塑性有限元法，以減少計(jì)算量；如果需要考慮工件卸載后的殘余應(yīng)力分布，可采用彈塑性有限元法，求解過程一般不需要用戶干預(yù)。有限元軟件是通過使用矩陣代數(shù)技術(shù)求解大量的同步方程來實(shí)現(xiàn)求解。144.后處理后處理通常是通過讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)文件激活的，分析軟件的后處理模塊能提供工件形狀、模型表面或任意剖面上的應(yīng)力-應(yīng)變分布云圖、變形過程的動(dòng)畫顯示、選定位置的物理量與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系曲線、沿任意曲線路徑的物理量分布曲線等，使用戶能方便地理解計(jì)算結(jié)果，預(yù)測成形質(zhì)量和缺陷，如體積成形中用損傷因子分布云圖顯示工件內(nèi)部出現(xiàn)裂紋的危險(xiǎn)程度，用選定質(zhì)點(diǎn)的流線顯示成形中金屬的流動(dòng)方式等。第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造在多數(shù)有限元分析軟件中，有較多可以使用的材料模型，用戶可以自行建立其本構(gòu)關(guān)系與應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在軟件中可以選擇的形式包括：1表格形式。材料的本構(gòu)關(guān)系可以用表格的形式輸入。2冪律定律（powerlaw）。冪律定律是一種與應(yīng)變速率有關(guān)的各向同性材料模型。3合金流動(dòng)應(yīng)力模型。以下是兩種常用于鋁合金的材料模型。4線性強(qiáng)化模型。（1）材料的準(zhǔn)確描述準(zhǔn)確描述變形材料是有限元數(shù)值模擬的基礎(chǔ)。模擬時(shí)，可以根據(jù)需要對材料進(jìn)行簡化，常見材料包括彈性材料、脆性材料和韌性材料，各類材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖9.24所示。圖9.24常見材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系9.2.3.計(jì)算精度的提高及工藝優(yōu)化15第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（2）工藝條件準(zhǔn)確設(shè)定摩擦類型和摩擦系數(shù)需要符合實(shí)際情況。圖9.25給出了1035鋼在正擠壓工藝條件下不同摩擦系數(shù)對應(yīng)的成形載荷值。成形溫度。成形溫度對成形工藝影響較大。圖9.26給出了1035鋼在正擠壓工藝條件下不同溫度對應(yīng)的成形載荷值。圖9.26不同摩擦系數(shù)鐓粗結(jié)果（二）圖9.25不同摩擦系數(shù)鐓粗結(jié)果（一）16第9章成形過程模擬仿真技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造（3）模擬