9.2成形過程計算機模擬戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造目錄CONTENTS9.2.1塑性成形計算機模擬軟件9.2.2塑性成形模擬基本過程9.2.3計算精度的提高及工藝優化9.2.1.塑性成形計算機模擬軟件1.塑性成形計算機模擬塑性成形計算機模擬的基本思想是利用計算機程序進行產品試模。實際成形工藝中影響產品性能的指標或參數都會影響分析結果，如材料性能、模具形狀、成形速度、溫度、接觸狀況（摩擦系數、熱交換系數等），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，一些計算科學所涉及的諸如步長、算法等問題也會在一定程度上影響分析結果。圖9.10計算機模擬分析流程第9章成形過程模擬仿真技術9.2.成形過程計算機模擬3戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造（1）塑性成形過程中，工件發生很大的塑性變形，在位移與應變的關系中存在幾何非線性；在材料的本構關系中存在材料（即物理）非線性；工件與模具的接觸與摩擦引起狀態非線性。因此，金屬塑性成形問題難以用常規計算求得精確解。（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雜的，處理工件與復雜的模型面的接觸問題增大了模擬計算的難度。（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，塑性成形還會導致材料微觀組織性能的變化，如變形織構、損傷、晶粒度等的演化，考慮這些因素也會增加模擬計算的復雜程度。2.塑性成形模擬的特點4第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造成形問題計算機模擬實施步驟如圖9.11所示，可以看出，一般的塑性成形計算機模擬軟件的模塊結構是由前處理器、模擬處理器（FEM求解器）和后處理三大模塊組成，其中，前處理生成計算文件，求解器進行工藝計算，后處理獲得計算結果。3.塑性成形計算機模擬軟件的模塊結構5第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造圖9.11有限元分析的實施步驟與一般的計算機模擬分析類似，塑性成形計算機模擬主要包括以下幾個過程：建立幾何模型、

建立計算模型、求解和后處理四個過程。1.建立幾何模型

塑性成形計算機模擬分析，都需要建立幾何模型，如圖9.12所示。一般的有限元計算商業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。對于模型過于復雜，CAE軟件不能造型或者耗時太長，需要應用CAD系統造型，如UGNX、CATIA、Pro/E等。圖9.12塑性成形幾何體創建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戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造2.建立計算模型（1）模擬參數設置

模擬參數的設置，主要是為了進行有效的數值模擬。雖然成形分析是一個連續的過程，但計算機模擬時需要分許多時間步來計算，所以需要用戶定義一些基本參數。步驟設置a.啟動步。一般-1為默認啟動步。b.模擬總步數。模擬總步數，決定了模擬的總時間或位移。一般地，簡單工序建議25～75步，典型成形工序建議100步，復雜工序建議200步以上。c.保存到數據庫的步驟數。決定每多少步資料存儲一次。考慮到存儲量較大問題，并不建議將每個計算步驟都保存到數據庫，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，當然，此值可根據模擬中的步驟數和硬盤上可用空間大小調整。d.步長：可以用時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戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造圖9.13步長與精度的關系圖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，彈性模量用于衡量材料的變形能力。工程實際中并不存在。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。事實上，很多材料屬于彈塑性材料，變形初期發生彈性變形，當應力達到屈服極限時，發生塑性變形。如圖9.14（c）為理想彈塑性模型，這種模型忽略材料的強化作用，認為在應力達到屈服點以前完全服從胡克定律，屈服以后應力值不再增加，應變值可無限增加。8（2）設置材料基本屬性

塑性成形計算機模擬設置中，物體基本屬性主要是指基本性質、溫度、材料等。第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造圖9.14理想材料模型圖9.15為線性強化模型，其中，圖9.15（a）為線性強化剛塑性模型，在研究塑性變形時，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，在塑性階段屈服應力與變形成線性增加；圖9.15（b）為線性強化彈塑性模型，考慮材料的彈性變形。圖9.15線性強化模型事實上，在很多材料模型中，強化并非符合線性規律，如圖9.16所示。圖9.16非線性強化模型9第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造（3）網格劃分所有的有限元數值計算分析都是離散的網格通過節點進行力和能量的傳遞，因此，網格的劃分是基礎。網格劃分最基本的條件是材料和模具劃分網格以后，應該可以充分體現原來的特征。網格變量是在網格中心計算的，在陡峭的梯度區域，峰值隨粗元素而丟失。圖9.17為粗大網格與細密網格的誤差對比。圖9.17不同網格誤差對比10

網格生成及控制。網格數量。為了提高模擬的效果，網格劃分當然是越多越好，但這是以犧牲效率為代價的。兼顧到計算時間和效率問題，需要結合具體工藝對網格質量進行適當控制。網格數量的增多，計算時間呈數倍增長。網格質量控制。除了尺寸比率外，對網格質量的控制還可以通過設置權重因子和網格密度窗口實現。一般情況下，可以根據表面曲率、溫度、應變、應變率以及自定義區域的相對重要性分配加權系數。第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造（4）運動參數變形速度、工具運動方式等對金屬的塑性和變形抗力有重要影響。工具的運動方式主要有直線運動和旋轉運動兩種。1）速度。塑性成形模擬中，速度可以定義為常數，也可以是時間或位移的函數，又或是與另一個物體的速度成比例的函數。當物體是剛體時，整個物體將會以指定的速度運動；當物體是變形體（彈性的、塑性的或是多孔）時，可以對每個節點進行速度運動邊界條件設置。2）載荷。成形運動參數可以根據已知載荷設置，載荷可以是常數，也可以是時間或者位移的函數。當物體為剛性時，載荷是指所有與之接觸的非剛性物體所施加的合力；當物體是彈性、塑性或多孔時，載荷是指定義了運動邊界條件的所有節點載荷之和。（5）邊界條件塑性成形有限元仿真，邊界條件包括與環境的傳熱、速度邊界條件、對稱邊界條件等。模擬時，可以利用這些邊界條件簡化模型，也可以利用旋轉對稱或者平面情況將模型簡化為二維問題。在三維模擬中，可以利用其結構對稱簡化模型，模擬分析時，應盡可能利用對稱關系，這既可以節省計算時間，也有助于增加分析結果的準確性。在設置對稱邊界條件后，也同時排除了失穩現象的產生。11第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造（6）定義接觸關系定義接觸關系包括物體的主-從關系（alave-master），一般情況下，軟的物體設為從（slave），分析時需要更為細密的網格；硬的物體設為主（master），分析時可以不劃分網格或者進行網格粗畫。1）剪切摩擦模型。剪切摩擦模型為：式中，為摩擦應力；k為剪切屈服極限，；m為摩擦系數，0≤m≤1。對于具體的成形工藝，摩擦系數可以是函數形式，也可以是常數，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戰略性新興領域教材建設團隊-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為兩個物體之間正壓力，為摩擦系數。式（9-50）適用于與模具接觸的相對滑動速度較慢的剛性區部分，所求出的摩擦應力應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。熱塑性成形計算模擬過程中，坯料與模具、坯料和環境、模具和環境之間都存在傳熱關系。熱分析中的邊界條件包括環境溫度、表面換熱系數等。對于多個接觸物體（變形）的非等溫或傳熱型問題，需要定義傳熱系數。13第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造3.求解在體積成形模擬中，如果主要關心成形過程中工件的變形情況，可采用剛塑性有限元法，以減少計算量；如果需要考慮工件卸載后的殘余應力分布，可采用彈塑性有限元法，求解過程一般不需要用戶干預。有限元軟件是通過使用矩陣代數技術求解大量的同步方程來實現求解。144.后處理后處理通常是通過讀入分析結果數據文件激活的，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力-應變分布云圖、變形過程的動畫顯示、選定位置的物理量與時間的函數關系曲線、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算結果，預測成形質量和缺陷，如體積成形中用損傷因子分布云圖顯示工件內部出現裂紋的危險程度，用選定質點的流線顯示成形中金屬的流動方式等。第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造在多數有限元分析軟件中，有較多可以使用的材料模型，用戶可以自行建立其本構關系與應力-應變曲線，在軟件中可以選擇的形式包括：1表格形式。材料的本構關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變速率有關的各向同性材料模型。3合金流動應力模型。以下是兩種常用于鋁合金的材料模型。4線性強化模型。（1）材料的準確描述準確描述變形材料是有限元數值模擬的基礎。模擬時，可以根據需要對材料進行簡化，常見材料包括彈性材料、脆性材料和韌性材料，各類材料的應力應變關系如圖9.24所示。圖9.24常見材料應力應變關系9.2.3.計算精度的提高及工藝優化15第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造（2）工藝條件準確設定摩擦類型和摩擦系數需要符合實際情況。圖9.25給出了1035鋼在正擠壓工藝條件下不同摩擦系數對應的成形載荷值。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的成形載荷值。圖9.26不同摩擦系數鐓粗結果（二）圖9.25不同摩擦系數鐓粗結果（一）16第9章成形過程模擬仿真技術戰略性新興領域教材建設團隊-重型高端裝備制造（3）模擬