金属塑性体积成形模拟仿真实验

材料进行压力加工，以获取所需工件形状的技术，由于其制作高效、力学性能优而广泛应用于汽车、航空、机械电子等工业领域，在现代制造业中具有不可替代的作用。金属塑性体积成形过程，通常是在“高温、高压力、环境严酷”的条件下进行，由于模具与工件之间的摩擦现象、材料温度、微观组织变化及其对制件影响等都是十分复杂的问题，这使得塑性体积成形工艺及其模具设计缺乏系统的设计理论，主要依据技术人员长期积累的經验，因而造成人力、财力及时间的浪费。随着计算机技术的飞速发展，通过计算机模拟仿真技术，人们以较小的花费、快速找到其最优设计方案。

1 模拟仿真的基本原理

塑性力学的基本方程中包括15个未知量，且是高阶偏微分方程，一般很难得到精确的解析解，而采用有限元法对金塑成形过程数值模拟成为可能。热态下的金属塑性体积成形过程模拟是基于刚塑性有限元理论，其基础是Markov变分原理和虚功原理，并先对塑性体积不变的约束条件进行处理。Markov变分原理表述为：在所有满足应变率-速度关系、体积不变条件和速度边界条件的动可容速度场中，真实速度场使势能泛函为极小。为了满足塑性变形体积不变条件，采用Lagrange乘子法或罚函数法来修改泛函，以消除体积不变的约束，这也是一些商用软件（如DEFORM）软件的核心算法。

2 金属塑性体积成形模拟流程

本项目采用DEFORM-3D软件，对金属塑性体积成形工艺进行计算机模拟，其成形过程模拟流程如图1所示。

DEFORM-3D软件模块结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。前处理器包括数据输入、网格的自动划分及再划分、数据传递三个子模块，其中数据输入模块用于输入速度场、温度场、边界条件、冲头行程、摩擦系数等初始数据。模拟处理器：DEFORM软件运行时，先通过有限元离散化，将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线性方程组，再通过直接迭代法和Newton-Raphson法进行求解，并将求解结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取模拟结果。后处理器：得出有限元计算分析结果，如应力场、应变场、等效应力、等效应变、速度场、温度场、压力行程曲线等。

3 模拟实例

本项目以金属体积成形中的基本工艺-自由镦粗为例来叙述DEFORM-3D软件的模拟仿真的具体步骤。

3.1 前处理

（1）模拟项目设置：打开DEFORM-3D软件，点击“文件（file）”，在下拉菜单中选择“建立新的模拟项目”，问题设定类型为“成形（Forming）”，单位设置为国际单位制“公制（SI）”，指定模拟文件存放位置，给出模拟项目名称“镦粗（upset）”。以上设置完成后，软件自动进入前处理模块。

（2）操作设置：选择物理单位为“公制（SI）”，命名操作名为（Operation 1），工艺类型为“热锻（Hot forging）”，温度计算只考虑坯料的非绝热温度计算，坯料形状复杂系数取“适中（Moderate）”，工件形状设置为“零件整体（Whole  part）”，对象数量为3，即：坯料（Workpiece）、上模（Top die）、下模（Bottom die）;坯料 （Workpiece）属性为“塑性体”，加热温度“始锻温度1200℃”，材料选为25号钢，坯料几何形状可选“导入坯料几何形状（Import geometry）”，对于简单坯料形状，DEFORM-3D软件也可直接构造几何体，即选择“定义基本几何形状（Define Primitive geometry）”。本例采用“定义基本几何形状（Define Primitive geometry）”，设置坯料尺寸为Φ15mm×50mm和Φ15mm×30mm两种毛坯。

（3）网格划分：通过输入一定单元数量（如20000），系统可预览坯料网格划分的情况，如无网格缺陷，即可确定生成坯料网格，网格单元数量越大，模拟越精细，但计算工作量越大。

（4）模具设置：采用上述“定义基本几何形状（Define Primitive geometry）”的方法，来确定上模（Top die）、下模（Bottom die）的几何形状，并将上模定为主模具（即运动的模具），确定运动方向为-Z向，运动速度设置为液压机速度常数50mm/sec，并将上、下模具均设置为刚体，预热温度为150℃。

（5）对象接触定位：坯料与模具相接触的面之间的摩擦系数取0.3;热传导系数为5W/（m2·k）;运动模具行程设置为30mm;模拟步数取100，每10步进行数据存储，总步数决定了模拟的总时间和行程，可以用时间或每步行程表示步长;存储步长决定多少步存储一次，太密则文件太大。通过手动或自动方式对坯料、上模、下模进行“定位（position）”。

（6）创建数据库：完成以上设置后，检查数据（Check data），如果设置无误，软件系统信息栏显示“能够创建数据库（Datebase can be generated）”，点击“创建数据库（Generate database）”，系统生成模拟数据库，有限元分析引擎把模拟计算的结果写在数据库文件中，此时材料属性、运动控制参数等被写入该文件。保存设置文件，完成前处理操作。

3.2 模拟解算

（1）开启模拟（switch to simulate）。

（2）运行模拟程序（run similation），根据所使用的计算机系统，选定运算计算机系统运算位数（32位或64位）。

（3）模拟监测：模拟解算是在后台运行，打开模拟图形系统（Simulation  Graphics），可以监测后台模拟运算的进程，如图2所示。

3.3 后处理操作

（1）在DEFORM-3D系统窗口中点选“Deform-3D post”，进入后处理界面，点击播放按钮可观察模具运动和工件的成形过程，还可根据用户需要，以不同方式来显示工件的变形过程。

（2）通过点击概要或图表工具，进行应力、应变、位移行程、速度、等工艺参数的变化趋势分析与数值确定。图3为本项目在第50步时，得到的模拟参数分布色比图，图中从左到右分别为：等效应力分布图、等效应变分布图、最大主应力图、温度变化分布图。

（3）塑性成形工艺计算机模拟的一个重要的作用就是可以计算载荷随着行程的变化趋势和数值。图4为镦粗变形过程的行程（Stroke）/mm——载荷（Load）/N曲线，图中清楚的显示了圆柱体自由镦粗变形过程载荷随行程变化的模拟数值及载荷的变化趋势。

（4）通过概要工具，可选择任一模拟步数对应的有限元网络，等效应力、等效应变以及制件破坏程度的等高线和等色图。还可以列点跟踪，因需抽取点的数据，以便描述金属质点的流动轨迹。DEFORM-3D允许剖分对象，以查看切面上不同的特征变量。

4 结束语

（1）DEFORM-3D軟件对于形状较简单的模具可以直接生成其几何形状，而对于复杂形状的模具需在其它三维CAD软件中造型，并以STL格式的数据导入模拟软件。

（2）本项目进行的圆柱体自由镦粗模拟仿真结果，与实际工况中圆柱体的镦粗很好的吻合，即当圆柱体高度与其直径比大于3时，圆柱体变形过程产生双鼓型;当圆柱体高度与其直径比小于3时，则其变形过程产生单鼓型。

（3）前处理过程占模拟仿真整个工作量的80%，其设置的正确与否直接影响到模拟仿真的成败。应尽可能将物理工艺实验与计算机模拟仿真实验相结合，以保证模拟结果及数据的真实可靠性。

（4）DEFORM-3D软件除进行金属成形过程模拟外，还能对金属热成形过程中工件与模具的热传导特性进行模拟仿真。

（5）金属塑性成形过程的数值模拟技术，是模具设计智能化的关键技术之一，也是先进制造业的热点与前沿。

参考文献：

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