1、1数值模拟技术在锻造成形中的应用董海涛 1 ，张治民 1，宋志海 2(1.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051；2.广东中山中粤马口铁工业有限公司，广东中山，528437）摘 要：锻造成形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，有限元法是用于锻造成形过程模拟中一种有效的数值计算方法。本文介绍了数值模拟技术在金属锻造成形中应用的基本理论、模拟中的关键技术，阐述了锻造成形数值模拟技术的现状及发展趋势。关键词：数值模拟，有限元法，锻造成形，Application of Numerical Simulation in Metal ForgingDONG Hai-tao1, ZHANG
2、Zhi-min1，SONG Zhi-hai 2(1.School of Material Science and Engineering,North University of China,TaiYuan 030051,China；2.ZhongYue Tinplate Industrial CO.,LTD,ZhongShan 528437,china）Abstract: The conditions of metal flow were complicated and there are influential factors in metal forging. FEM is an effe
3、ctive numerical simulation method. It has been introduced the theory of FEM, the key technique of FEM simulation and the method of FEM simulation in metal forging, of which the present state and the future tendency reviewed.Key words: numerical simulation；metal forging ; FEM simulation1.引言锻造工业一直是汽车、
4、矿山、能源、建筑、航空、航天、兵器等工业的重要基础。锻造成形是现代制造业中重要的加工方法之一，其表面品质好,机械加工余量少,尺寸精度高，有着其他加工方法难以达到的力学性能。但目前锻造工艺和模具设计，大多仍然采用实验和类比的传统方法，不仅费时而且锻件的质量和精度很难提高。随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展，运用有限元数值模拟进行锻压成形分析，在尽可能少或无需物理实验的情况下，得到成形中的金属流动规律、应力场、应变场等信息，并据此设计工艺和模具，已成为一种行之有效的手段。 1在锻造成形中，大多数变形过程由于不能简化成二维变形过程进行处理，所以有限元法数值模拟在锻造成形中的应用以三维模拟分析
5、为主。2.数值模拟技术在锻造生产中的重要作用锻件品种多，生产周期长，造价高，迫切要求一次制造成功。而传统生产方式只能凭经验，采用试错法，无法对材料内部的应力应变状态、温度分布、宏微观组织结构的演化和残余应力等进行预先控制，也无法对锻件的外形进行准确的控制，因而容易发生锻件报废的事故，在经济和时间上带来较大损失。即使已经投入使用的锻件，也不可避免地存在缩孔、疏松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷，很多大件带伤运行。使用有限元模拟技术，把锻件生产中的靠经验指导的“技术”变成金属学、力学、传热学、计算机技术等多学科知识结合指导的“科学”，帮助预测产品的性能，将“隐患”消灭在虚拟制造阶段中，从而确保
6、关键锻件一次制造成功，减少生产成本，缩短产品设计生产周期。这已为国内外不少应用实例所证实。而且，有限元技术还有助于实现生产过程的再现，有助于提高锻件生产管理水平。2 在锻造工艺领域，有限元数值模拟技术可直观地描述金属变形过程中的流动状态，还能定量地计算出金属变形区的应力、应变和温度分布状态，这些模拟结果，为模锻工艺的制定2和最终模具的设计提供了一定的指导意义。 33.数值模拟技术的应用类型根据金属材料非线性本构关系式的不同，三维有限元在金属成形过程模拟中的应用主要分为两大类：弹-（粘）塑性和刚-（粘）塑性有限元。3.1 弹-（粘）塑性有限元法弹-（粘）塑性有限元法考虑了金属变形过程中的弹性效应
7、，其理论基础是Prand It-Mises本构方程。它可分为小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法，前者主要分析金属成形过程中的初期情况，后者应用于变形量发生大变化的后期阶段。它们适用于弹性变形量无法忽略的成形过程模拟，广泛应用于板料成形问题分析。采用它来分析金属锻造成形时，不仅能按照变形的路径得到塑性区的发展状况，工件中的应力应变、温度分布规律及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载等问题，计算残余应力及残余应变，从而可预知并避免产品缺陷。但是，弹塑性有限元法要采用增量方式加载，为了保证计算精度和迭代的收敛性，增量步长不可能太大，所以在计算变形问题时，计算量大，且需要较长的时间和较多的费
8、用，效率较低。在金属成形过程的模拟分析中，常用到的基于弹-（粘）塑性本构关系的三维有限元分析软件主要有MARC、ANSYS等， 其基本方程基于Lagrange坐标系。3.2刚-（粘）塑性有限元法这一方法忽略了金属成形过程中的弹性变形，其基本理论是Markov变分原理。刚-（粘）塑性有限元法适用于锻造、挤压以及轧制等塑性成形问题的分析中，刚-塑性有限元法通常只适用于冷加工，对于热加工要用到刚-粘塑性有限元法。由于刚-（粘）塑性有限元法是一种基于变分原理的有限元方法，使计算的增量步长可以取得大一些，并且该方法可以用小变形的计算方法处理大变形问题，所以刚-（粘）塑性有限元法克服了弹-（粘）塑性有限元
9、法中计算量大、运算时间长、效率低等不足，使计算程序大大简化，达到了较高的计算效率。但该法由于忽略了金属成形中的弹性效应，所以该方法不能求解弹性问题，也不能进行残余应力计算。目前，刚-（粘）塑性有限元法已成为金属体积成形的主要数值模拟方法。采用刚-（粘）塑性本构关系的有限元分析软件有：ALPID、DEFORM 等，其基本方程基于坐标系Euler坐标系。 44.数值模拟技术的关键技术有限元模拟系统包括前处理、分析和后处理3个模块， 5前处理模块主要包括材料模型的选择、单元类型的选择、模具几何模型的建立及工件的有限元网格划分和重划分等；分析模块包括定义分析类型、约束条件、载荷数据和载荷步选项、计算应
10、力、应变、挠曲等；后处理模块主要是将计算的结果进行图形显示、曲线表格输出等。其中的关键技术是几何模型的建立、接触问题、网格的划分与重划分和计算结果的可视化处理等。4.1 几何模型的建立对实际的连续体经过离散化后就建立了有限元分析模型，目前所有的有限元模拟软件的前处理模块，都具有简单几何造型功能。但是，其功能十分有限，加之在三维体积成形中所使用的模具种类繁多，且形状千差万别，模具的型腔曲面形状十分复杂。所以，对复杂对象的几何造型多借助于大型的CAD专用软件（如Pro-E、UG等），然后将生成的几何模型以标准的图形交互文件格式（如IGES、STEP标准等）输出，再由有限元软件的前处理工具读入进行有
11、限元模型的建立。有时为了方便网格划分和避免奇异点的产生，往往在保证计算精度的前提下，对模型进行适当地简化。4.2 接触问题接触问题的处理一直是有限元法数值模拟金属塑性成型过程的一个主要难点。它其实包3括多个方面,如最重要的便是摩擦问题以及边界接触判定问题。摩擦问题一直是金属加工工作者研究的一个中心问题之一。摩擦条件的好坏直接与产品质量、设备效能、生产效率、工具磨损密切相关。但在实际上,压力加工中的摩擦状态受很多因素的影响,尤其是在润滑条件下,摩擦状态更趋于复杂化。对于大多数塑性加工问题,通常可采用剪切摩擦理论。在应用有限元软件模拟加工时,为了简化模拟模型,一般简单地假定摩擦条件在整个加工过程中
12、为一个不变量。但在实际当中,摩擦的状态在不断发生变化。因此,摩擦问题总是最终影响计算结果偏差较大的一个关键原因之一。由于在模拟塑性变形过程中,工件的边界节点与模具表面的接触状态在不断地发生变化。这就需要在模拟计算中不断修改变形体构形的同时,同时也要对边界节点的接触状态进行动态自动识别,不断修改已产生变化的边界接触条件。这主要包括以下三个方面: 1)触模的判断2) 接触边界节点的位置修正。3) 原接触边界节点脱离模具表面的判断(即脱模的判断)。 64.3 网格划分与重划分有限元分析中网格质量的好坏直接影响着求解的效率和精度，当单元类型确定后，网格质量取决于网格划分的精度等级和单元边长等因素。然而
13、，对于复杂的大变形金属成形过程，往往难以用一成不变的单元网格把变形过程模拟完毕。这是因为，在非稳态复杂型腔金属塑性成形过程的有限元模拟中，当工件的某些边界网格与模具边界相干涉时，将会使模拟结果产生误差；此外，大的金属变形会使初始网格产生畸变，如果仍把畸变的网格形状作为增量计算的参考状态，就会导致计算精度降低，引起不收敛，严重时甚至不能继续进行计算。解决该问题的方法是，当网格变形进行到一定程度时，停止计算，对网格进行调整或重新划分然后再继续进行计算。进行网格调整与否可由畸变和干涉单元数占单元总数的比率决定，如果这一比率小于某一限制值时，只进行节点的调整，否则就要进行网格的重划分。对于八节点六面体
14、单元，三维有限元网格调整的做法大致如下：若初始变形阶段的某一八节点六面体边界单元发生干涉，则在该边界单元的干涉面内增加若干个新节点，使之成为十三节点的六面体单元或十至十二节点的六面体单元，并相应地改变该单元的形函数；若初始的八节点六面体单元发生畸变，则采用八节点三角棱柱体单元代替该单元，并相应地改变其形函数。而网格重划分的最重要任务就是将赖于变形历史的变形场量（如应力、应变场等）准确地从旧网格系统传递到新网格系统中去，同时还需把旧网格系统的工件、模具接触状态参数传递到新网格系统中去，以便正确地施加约束条件。4.4 计算结果的可视化处理有限元进行模拟后得到的大量数据，须经形象描述，变成研究者方便
15、接受的信息。如锻造时，可视化地显示出金属实际变形过程中金属的流动、变形中的温度场变化等。这种可视化处理的开发，一般在通用的 CAD 软件上进行，如 AUTOCAD、UG、SolidWorks 等。目前，较成熟的商业有限元模拟软件自身也都开发有这样的后处理模块，起处理能力的强弱，已成为衡量模拟软件优劣的标准之一。5.数值模拟技术在锻造中的应用从八十年代中期开始，清华大学机械工程系由刘庄教授领导的课题组就一直从事数值模拟技术在大锻件生产上应用的研究，进行了大量有意义的工作。从钢锭浇注、锻件生产及锻后热处理，所进行的研究工作覆盖了大锻件热加工生产的各个环节，完成了可以用于钢锭凝固过程及缺陷预测，锻造
16、过程及工艺优化，淬、回火过程温度及应力场分析的计算程序。通过与各生产厂家的密切合作，这些程序已经在生产中得到了实际应用，计算结果与实际情况相当吻合，充分证明了程序的可靠性。而且利用这些已经对很多实际生产工艺进行了优化，4取得了显著的经济效益。 7国内具有代表性的有：江雄心等人对空心直齿圆柱齿轮的精锻成形过程进行三维刚塑性有限元模拟和实验研究，得出了直齿圆柱齿轮精锻过程的金属流动规律和变形力学特征，揭示了直齿圆柱齿轮精锻过程的变形机理；肖红生和吴希林等人探索了温锻精密成形数值模拟的方法和实验途径，运用三维有限元分析了棘爪零件的温锻成形工步，并用模拟结果指导了该零件的成形工艺和模具设计。陈泽中进行
17、了直齿圆柱齿轮镦挤精锻模拟；寇淑清对直齿圆柱齿轮冷精锻成形过程进行了三维大变形弹塑性有限元数值模拟，对闭式模锻预锻及以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形过程的金属流动情况进行了数值分析。通过近几年的应用实例可以看出，数值模拟在锻造方面的应用越来越深入，模拟工作逐步从模拟简单零件转向模拟复杂零件，从模拟单工步成形转向模拟多工步成形，从单纯的金属流动模拟转向温度场等多方面的复合模拟。通过模拟所解决的问题不再单纯停留在学术上，而更多的与实际相结合，应用于生产之中。 86.总结数值模拟技术在锻造成形中的应用不断深入，但在解决关键问题的方法上,还缺少简便易行、高效的处理方法,所以对这些关键技术的
18、研究仍将成为今后数值模拟研究领域的热点，数值模拟技术在锻造成形中的应用将会有以下趋势：（1）模拟带飞边的复杂锻件的成形过程；（2）模拟多工位锻造成形过程；（3）模拟锻造中工件受力的同时考虑温度因素的影响，通过热力耦合得到更精确的结果；（4）研究工作将加深与实际生产的结合，更多解决实际问题。参考文献：1.马琳伟, 孙乐民等.数值模拟锻造成形的关键技术及应用(J).金属成形工艺.2003（6）：17-20.2. 孙慕荣，胡立平，倪利勇等.大型锻件锻造加工中有限元软件技术进展(J). 锻压装备与制造技术,2004（4）：83-86.3陈学文，陈军等. 基于有限元分析的锻造工艺优化技术研究现状与趋势(
19、J). 锻压装备与制造技术,2004（5）：14-18.4. 应富强，张更超，潘孝勇.三维有限元模拟技术在金属塑性成形中的应用(J). 锻压装备与制造技术,2003（5）：10-13.5.梁清香、张根全.有限元与MARC实现(M).北京：机械工业出版社,2003.6. 朱伟,张质良.有限元数值模拟的若干关键技术(J).计算机仿真.2004（5）：88-91.7王本一，石伟，刘庄.数值模拟技术在大型锻造生产中的应用(J).大型铸锻件.99(1):15-20.8. 马琳伟,孙乐民等.数值模拟在锻造成形中的应用（J）.锻压装备与制造技术,2003（6）：9-12.附：第一作者简介董海涛（1974-）,女 ，山西长治人，汉，在读硕士，工程师，主要研究方向：主要从事金属材料精密成型研究，电话：0351-3921398，e-mail: dht_5联系地址：山西太原中北大学材料科学与工程学院精密成形中心
