數值模擬技術在鍛造成形中的應用

1、1數值模擬技術在鍛造成形中的應用董海濤1，張治民1，宋志海2(1.中北大學材料科學與工程學院，山西太原030051；2.廣東中山中粵馬口鐵工業(yè)有限公司，廣東中山，528437）摘要：鍛造成形過程是一個非常復雜的彈塑性大變形過程，有限元法是用于鍛造成形過程模擬中一種有效的數值計算方法。本文介紹了數值模擬技術在金屬鍛造成形中應用的基本理論、模擬中的關鍵技術，闡述了鍛造成形數值模擬技術的現狀及發(fā)展趨勢。關鍵詞關鍵詞：數值模擬，有限元法，鍛造成

2、形，ApplicationofNumericalSimulationinMetalFgingDONGHaitao1ZHANGZhimin1，SONGZhihai2(1.SchoolofMaterialScienceEngineeringNthUniversityofChinaTaiYuan030051China；2.ZhongYueTinplateIndustrialCO.LTDZhongShan528437china）Abstract

3、Abstract:Theconditionsofmetalflowwerecomplicatedthereareinfluentialfactsinmetalfging.FEMisaneffectivenumericalsimulationmethod.IthasbeenintroducedthetheyofFEMthekeytechniqueofFEMsimulationthemethodofFEMsimulationinmetalf

4、gingofwhichthepresentstatethefuturetendencyreviewed.KeyKeywdswds:numericalsimulation；metalfgingFEMsimulation1.1.引言引言鍛造工業(yè)一直是汽車、礦山、能源、建筑、航空、航天、兵器等工業(yè)的重要基礎。鍛造成形是現代制造業(yè)中重要的加工方法之一，其表面品質好機械加工余量少尺寸精度高，有著其他加工方法難以達到的力學性能。但目前鍛造工藝和模具

5、設計，大多仍然采用實驗和類比的傳統(tǒng)方法，不僅費時而且鍛件的質量和精度很難提高。隨著有限元理論的成熟和計算機技術的飛速發(fā)展，運用有限元數值模擬進行鍛壓成形分析，在盡可能少或無需物理實驗的情況下，得到成形中的金屬流動規(guī)律、應力場、應變場等信息，并據此設計工藝和模具，已成為一種行之有效的手段。[1]在鍛造成形中，大多數變形過程由于不能簡化成二維變形過程進行處理，所以有限元法數值模擬在鍛造成形中的應用以三維模擬分析為主。2.2.數值模擬技術在鍛

6、造生產中的重要作用數值模擬技術在鍛造生產中的重要作用鍛件品種多，生產周期長，造價高，迫切要求一次制造成功。而傳統(tǒng)生產方式只能憑經驗，采用試錯法，無法對材料內部的應力應變狀態(tài)、溫度分布、宏微觀組織結構的演化和殘余應力等進行預先控制，也無法對鍛件的外形進行準確的控制，因而容易發(fā)生鍛件報廢的事故，在經濟和時間上帶來較大損失。即使已經投入使用的鍛件，也不可避免地存在縮孔、疏松、夾雜、偏析、熱裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件帶傷運行。使用有限元模擬

7、技術，把鍛件生產中的靠經驗指導的“技術”變成金屬學、力學、傳熱學、計算機技術等多學科知識結合指導的“科學”，幫助預測產品的性能，將“隱患”消滅在虛擬制造階段中，從而確保關鍵鍛件一次制造成功，減少生產成本，縮短產品設計生產周期。這已為國內外不少應用實例所證實。而且，有限元技術還有助于實現生產過程的再現，有助于提高鍛件生產管理水平。[2]在鍛造工藝領域，有限元數值模擬技術可直觀地描述金屬變形過程中的流動狀態(tài)，還能定量地計算出金屬變形區(qū)的應力

8、、應變和溫度分布狀態(tài)，這些模擬結果，為模鍛工藝的制定和最終模具的設計提供了一定的指導意義。[3]3作者研究的一個中心問題之一。摩擦條件的好壞直接與產品質量、設備效能、生產效率、工具磨損密切相關。但在實際上壓力加工中的摩擦狀態(tài)受很多因素的影響尤其是在潤滑條件下摩擦狀態(tài)更趨于復雜化。對于大多數塑性加工問題通常可采用剪切摩擦理論。在應用有限元軟件模擬加工時為了簡化模擬模型一般簡單地假定摩擦條件在整個加工過程中為一個不變量。但在實際當中摩擦的狀

9、態(tài)在不斷發(fā)生變化。因此摩擦問題總是最終影響計算結果偏差較大的一個關鍵原因之一。由于在模擬塑性變形過程中工件的邊界節(jié)點與模具表面的接觸狀態(tài)在不斷地發(fā)生變化。這就需要在模擬計算中不斷修改變形體構形的同時同時也要對邊界節(jié)點的接觸狀態(tài)進行動態(tài)自動識別不斷修改已產生變化的邊界接觸條件。這主要包括以下三個方面:1)觸模的判斷2)接觸邊界節(jié)點的位置修正。3)原接觸邊界節(jié)點脫離模具表面的判斷(即脫模的判斷)。[6]4.3網格劃分與重劃分網格劃分與重劃分

10、有限元分析中網格質量的好壞直接影響著求解的效率和精度，當單元類型確定后，網格質量取決于網格劃分的精度等級和單元邊長等因素。然而，對于復雜的大變形金屬成形過程，往往難以用一成不變的單元網格把變形過程模擬完畢。這是因為，在非穩(wěn)態(tài)復雜型腔金屬塑性成形過程的有限元模擬中，當工件的某些邊界網格與模具邊界相干涉時，將會使模擬結果產生誤差；此外，大的金屬變形會使初始網格產生畸變，如果仍把畸變的網格形狀作為增量計算的參考狀態(tài)，就會導致計算精度降低，引起

11、不收斂，嚴重時甚至不能繼續(xù)進行計算。解決該問題的方法是，當網格變形進行到一定程度時，停止計算，對網格進行調整或重新劃分然后再繼續(xù)進行計算。進行網格調整與否可由畸變和干涉單元數占單元總數的比率決定，如果這一比率小于某一限制值時，只進行節(jié)點的調整，否則就要進行網格的重劃分。對于八節(jié)點六面體單元，三維有限元網格調整的做法大致如下：若初始變形階段的某一八節(jié)點六面體邊界單元發(fā)生干涉，則在該邊界單元的干涉面內增加若干個新節(jié)點，使之成為十三節(jié)點的六面

12、體單元或十至十二節(jié)點的六面體單元，并相應地改變該單元的形函數；若初始的八節(jié)點六面體單元發(fā)生畸變，則采用八節(jié)點三角棱柱體單元代替該單元，并相應地改變其形函數。而網格重劃分的最重要任務就是將賴于變形歷史的變形場量（如應力、應變場等）準確地從舊網格系統(tǒng)傳遞到新網格系統(tǒng)中去，同時還需把舊網格系統(tǒng)的工件、模具接觸狀態(tài)參數傳遞到新網格系統(tǒng)中去，以便正確地施加約束條件。4.4計算結果的可視化處理計算結果的可視化處理有限元進行模擬后得到的大量數據，須經

13、形象描述，變成研究者方便接受的信息。如鍛造時，可視化地顯示出金屬實際變形過程中金屬的流動、變形中的溫度場變化等。這種可視化處理的開發(fā)，一般在通用的CAD軟件上進行，如AUTOCAD、UG、SolidWks等。目前，較成熟的商業(yè)有限元模擬軟件自身也都開發(fā)有這樣的后處理模塊，起處理能力的強弱，已成為衡量模擬軟件優(yōu)劣的標準之一。5.數值模擬技術在鍛造中的應用數值模擬技術在鍛造中的應用從八十年代中期開始，清華大學機械工程系由劉莊教授領導的課題組

14、就一直從事數值模擬技術在大鍛件生產上應用的研究，進行了大量有意義的工作。從鋼錠澆注、鍛件生產及鍛后熱處理，所進行的研究工作覆蓋了大鍛件熱加工生產的各個環(huán)節(jié)，完成了可以用于鋼錠凝固過程及缺陷預測，鍛造過程及工藝優(yōu)化，淬、回火過程溫度及應力場分析的計算程序。通過與各生產廠家的密切合作，這些程序已經在生產中得到了實際應用，計算結果與實際情況相當吻合，充分證明了程序的可靠性。而且利用這些已經對很多實際生產工藝進行了優(yōu)化，取得了顯著的經濟效益。[