计算机模拟在金属成形行业的应用和发展现状

lyq1966 · 发表于 2005-6-1 08:56:00

计算机模拟在金属成形行业的应用和发展现状 

<H2><A>1 </A>引言 
</H2>
随着计算机性能和对产品质量要求的不断提高，计算机辅助工程（CAE）技术已被广泛地应用于金属成形过程的数值模拟。它可以校核和优化模具工艺设计和结构设计方案，减少模具设计和模具调试周期，降低生产成本，提高产品质量。
我国已加入WTO已经4年多了，汽车工业和模具制造业都将面临巨大的机遇和挑战。目前我国现有汽车制造厂家100多家，其中大型厂家有20几个，配套的模具制造公司更是非常多。因此，今后10年将是我国汽车工业和模具制造工业飞速发展时期，中国有可能成为新一个汽车生产大国。由于汽车工业的发展，产品更新换代频繁化，使模具设计与制造工作量急剧加大，对冲压成形性分析以及模具CAD/CAE/CAM现代化设计手段的需求量必然急剧增加，CAE技术在我国将会得到普遍重视和更广泛地应用，提高生产效率和国际市场竞争力。
金属成形CAE技术主要以有限元方法为主，它与传统的理论解析方法比较起来，在模拟复杂零件的成形与回弹过程时，具有很大的优势。它可以引入相应的力学和物理模型真实地反映成形与回弹过程的规律。实际上金属成形有限元数值模拟是一个非常复杂的问题，它涉及到变分原理和单元模型；材料的各向异性、应变强化、随动强化等物理模型；摩擦与润滑、拉深筋、压边力分布、毛坯形状、温度场变化等工艺条件的模型化；毛坯与模具间的界面接触判断与约束处理；以及所有这些模型的正确与有效实施。所有这些因素都直接影响有限元模拟的精度。 


已商品化并被广泛应用的板材冲压成形专用CAE软件主要有LS-DYNA3D、DYNAFORM、PAM-STAMP 2G、AUTOFORM等等。其中前3种都采用了动力显式积分算法模拟冲压成形过程，用隐式弹性有限元法计算回弹过程。由于动力显式算法是基于高速碰撞动力学原理建立起来的，因而难以真实地反映低于约0.5米/秒的实际压机冲头速度的影响。更重要的是这种方法计算应力场的精度低，难以准确地预测板材成形后的回弹问题，有时（PAM-STAMP 2G）甚至得到与实际情况完全相反的结果。因此，采用这种算法的商品化软件在实际应用时很少用于模拟回弹问题。AUTOFORM采用静力隐式算法，但为了提高模拟稳定性和速度，它采用了特殊的薄膜三角形加弯曲效应修正，再加上一些人为特殊处理，使得模拟精度很低，更无法准确计算回弹问题。AUTOFORM已经在最新版本4.0中开发了一种新的单元模型来提高数值模拟精度，但是模拟时间和模拟的稳定性还要在实际应用中检验。
金属体积成形数值模拟的商品化软件主要有DEFORM、AUTOFORGE、SUPERFORGE、SUPERFORM、QFORM3D、FORGE等，另外LS－DYNA也可以进行如挤压、锻造等体积成形过程的分析。DEFORM（Design Environment for Forming）是目前世界上公认的应用较为广泛，功能较强的模拟软件，由美国Battele Columbus实验室和俄亥俄州立大学精密成形工程中心共同开发的。DEFORM分为DEFORM2D和DEFORM3D，适用于热、冷、温成形，给出成形过程中材料的流动规律、模具填充情况、行程载荷曲线、模具和材料内部的应力应变场、金属微结构和缺陷的产生与发展，为指导试验提供依据。AUTOFORGE是采用90年代最先进有限元网格和求解技术，快速模拟各种冷热锻造、挤压、轧制以及多步锻造等体成型过程的工艺制造专用软件，实现对具有高度组合的非线性体成型过程的全自动数值模拟。AUTOFORGE除了可完成全2D或全3D的成型分析外，还可自动将2D分析与3D分析无缝连接，大大提高对先2D后3D的多步加工过程的分析效率。
这些商品化软件的售价非常昂贵，目前在我国只有少数几家大型汽车集团和模具公司有能力购买它们。
<H2><A>2 </A>理论研究状况 
</H2>
<A>板材成形数值模拟是一项很复杂的综合性技术，需要力学、塑性加工、材料、数学、计算机应用等研究领域人员相互配合，才能得到不断的发展。我国的研究学者在这方面做了一定工作，取得了一些成果。</A>
<H3>2.1 单元模型与网格划分</H3>
单元模型是金属成形数值模拟技术的基础，它直接影响到有限元方法的计算精度。由于板材一般都是比较薄的平板或壳体，冲压成形过程的变形属于平面应力状态。如果板材很薄时，可以不考虑横向剪切变形影响，这样可以减少计算量。根据板材变形的特点和实际工程计算的需求，已经构造出很多适合板材成形过程模拟的实用单元模型。体积成形的单元模型比较简单，主要采用线性的四面体单元和六面体单元，由于计算量和计算稳定性等问题一般很少采用高阶体单元，因此在体积成形数值模拟时，对单元模型的研究较少。
文献[1]~[3]基于Kirchhoff平板理论单元[4]构造出适于板材冲压成形模拟的空间板壳单元，有三角形（DKT）和四边形（DKQ）两种。它们具有低阶、简单、有效、位移协调的优点[4]，都成功地应用于板材成形过程数值模拟[5~8]和回弹过程模拟[3,8]，都得到了比较好的数值精度。文献[9]提出一种三维限制自由度单元模型。这种单元既没有膜单元不能考虑横向剪应力的遗憾，也不受壳单元对于大转角的限制，同时克服了体单元解决板壳结构问题时刚度矩阵奇异的缺点，比较适合于板材成形数值模拟。文献[10]应用一种改进的用面外位移考虑弯曲效应的三角形膜单元。这种单元简单、自由度低、无须“沙漏”控制等优点，并模拟了油底壳深拉延等冲压成形问题，得到了比较好的数值结果。文献[11]采用全Lagrange方法和Kirchhoff板壳理论三角形单元模拟了汽车油槽的成形过程。
在模拟较厚板材成形过程时，一般都采用可以考虑横向剪切变形的Hughes-liu单元[12~15]。这种单元是由三维体单元退化而来的，因此当板材很薄时，单元在数值积分方面比较难处理，它的实际应用也受到一定程度的限制。
网格划分是有限元法中一项重要技术。板壳单元是空间准三维单元，在单元局部坐标系下是二维单元，因此它主要在空间曲面上划分网格。国内在这方面的研究也比较多，但研究成果一般都是保密的，发表的学术论文并不多。文献[16]提出了一种针对裁剪参数曲面的有限元网格剖分方法。对单个裁剪参数曲面采用非约束边界的等参数映射法，各个裁剪参数曲面各自独立地网格剖分，再将它们合并为单元间无裂缝和覆盖的有限元网格。这种方法适合于需要大量裁剪参数曲面拼合的复杂曲面模型。文献[17]基于四叉树方法，提出了全四边形网格单元生成的法线法。这种方法克服了边界单元质量不好的缺点，对复杂边界适应性强，可用二维初始坯料的网格划分。文献[18]开发了基于STL文件的有限元模拟模具自动生成技术，提出了对实体数据模型进行自动诊断与修复的原则和方法，并自动生成具有三角形网格的冲压模具。网格加密技术可以有效地提高成形模拟的速度，文献[19]和[20]在这方面做了一些应用研究工作。
体积成形是一个大变形过程，工件的有限元网格变形很大，很容易产生畸变，导致有限元仿真无法进行或计算精度降低。因此，当有限元网格畸变到一定程度时必须进行网格再划分、生成新的质量好的网格，并把模拟过程中的物理信息和单元信息传递到新的网格上，使模拟过程继续进行。网格的重划技术是有限元数值模拟的关键技术，在体积成形中常采用的单元类型是六面体单元和四面体单元。四面体单元较容易全自动产生，但容易产生畸变，导致频繁的网格再划分，降低了仿真计算的精度。六面体单元可以减少网格再划分次数，能得到较准确的仿真结果，但实现可靠、高质量的六面体有限元网格自动划分是非常困难的，也是金属成形三维有限元仿真领域内的瓶颈。 


有限元法已经广泛应用于体积成形的数值模拟，但仍有其局限性，如有限塑性变形时网格畸变严重，需要对网格进行动态重划，但网格重划不仅耗时太多，而且严重影响计算精度。为避免网格划分和重新划分的困难，人们又提出一种新的方法——无网格法。无网格法的主要特征是用有限个节点去离散连续的变形体，无需单元网格，基本场变量的近似采用了基于节点的函数拟合，可以保证基本场变量在整个求解域内连续，从而提高了体积成形的计算精度和求解效率。这种方法在LS-DYNA3D 970版本中已经实现，但是目前还有很多问题需要进一步研究，而且能解决的问题也比较简单。 


<H3><A>2.2 </A>本构方程与屈服函数</H3>
在现有商品化板材成形软件中，一般都采用传统的经典流动本构理论。实验表明当金属材料失稳以后，这种本构方程所描述的应力变化与实际情况有一定差距，不能反映材料失稳后的塑性局部化现象。因此，国外的研究人员开发了很多非经典角点本构理论。国内在这方面的研究比较落后，只有文献[24]和文献[25]做了相关研究。
金属薄板在预加工和轧制过程中会产生明显的各向异性，这种结构上的各向异性对其冲压成形和回弹规律都有显著的影响。这方面的数值模拟研究主要是引入Hill二次方屈服准则[21]、Barlat-Lian非二次方屈服准则[22]和Barlat六参量屈服准则[23]等。文献[5]~[7]采用Hill和Barlat-Lian屈服准则模拟了板材冲压成形过程中制耳的产生、发展和形成过程；讨论了板材各向异性参数和屈服函数指数与金属塑性流动规律的关系和对板材成形极限的影响，给出了一些有利于提高板材成形极限和产品质量的参考结论。文献[8]采用Barlat-Lian屈服准则模拟了板材的各向异性对U型弯曲拉深成形后回弹量的影响规律，得到了此类开口冲压件的卸载回弹与面内各向异性特性的关系，以及相应控制回弹的方法。
<H3><A>2.3 </A>工艺参数及约束处理</H3>
拉深筋、摩擦和压边力是板材成形过程中非常关键的工艺参数，有时它们对冲压件的可成形性起着至关重要的作用。有限元数值模拟时要尽量反映成形过程中的真实工艺情况，这里包括两个方面，首先是工艺参数的模型化，有了一个真实有效的数学模型才能保证数值模拟的正确；其次，这些模型如何正确地引入到有限元方法中，真实地反映这些工艺参数的作用效果。这方面国内的学者作了大量的研究工作，提出了一些实用的方法。
拉深筋在工艺设计中是一个最重要的工艺参数。数值模拟过程中为了减少计算量，一般都采用等效拉深筋模型，最常用的平面应变模型。除了很多有效的解析模型外，有限元模拟方法也可以比较精确地计算这些模型。文献[26]~[31]都采用有限元模拟方法建立等效拉深筋模型，实际计算结果表明，这种方法的计算精度比较高，而且还可以考虑更多材料因素、工艺因素等对拉深筋阻力的影响。文献[32]~[35] 将等效拉深筋模型引入板材成形有限元程序中，模拟了它对起皱、破裂等成形缺陷的影响，以及对拉深筋阻力进行优化。
压边力也是一个重要的工艺参数，成形过程中压边力的控制也是国内学者的研究内容之一。文献[36]考虑压边力在成形过程中是一个变化的量，数值结果表明，变压边力拉深成形技术能够使恒定压边力条件下拉深失效的零件成功拉深成形，有效地提高板材的成形性能。文献[37]采用动力显式算法模拟了方盒在不同压边力情况下起皱情况。文献[38]采用DYNAFORM软件模拟均布压边力和多点位控制压边力对成形的影响。文献[39]中应用优化方法优化压边力大小，有效地减少和防止拉裂和起皱现象的发生。
金属成形过程的数值模拟中一般都采用库仑摩擦定律，主要原因是它在有限元中比较容易处理。文献[40]采用库仑摩擦定律处理成形过程中的板材与模具间的摩擦问题。
文献[41]针对动力显式算法提出了一种新的接触界面计算方法 ,并应用非线性摩擦定律来计算作用在工件上的摩擦力。
<H3><A>2.4 </A>接触搜索与界面约束</H3>
接触搜索与界面约束算法是数值模拟方法中非常的关键一步，它直接关系到整个成形过程模拟的数值稳定性和计算精度。这些方法都是数值技巧方面的处理，一般不涉及理论方法，因此有一些关键技术都是保密的，重复开发现象比较严重。接触搜索方法主要要求搜索的速度和判断的精度，既快又准，尽量不要有漏点。
文献[42]和[43]是以网格描述模具曲面，提出了接触特征空间的概念，建立了接触特征空间和模具曲面网格的对应关系。利用预接触特征空间的下限点和板材的有限元节点坐标值大小对其进行排序，可以更快的找出与模具表面相接触的板料节点，再根据已接触板料节点运动方向进行下一步的接触判断。文献[44]和[45]是以NURBS曲面描述模具曲面，提出了特征三角形概念，建立特征三角形上的点和曲面片上点的对应关系，通过迭代方法求解有限元节点与曲面的接触情况。这种方法在模具描述精度和判断精度方面都比网格法要高的多，但是它的搜索速度和判断效率却比较低，只适合大增量步长的静力算法。
界面约束处理方面，文献[40]和[41]提出了一种界面滑动约束处理方法。这种方法避免了静力有限元法接触力约束方程造成有限元方程组非对称性，采用界面约束方程代入方法，保证约束后的有限元方程组的对称性，为求解大规律工程问题提供了一种可能的方法。动力显式算法中处理接触问题时主要采用罚函数法，将有限元节点穿透量距离按比例转换成接触力，这种方法在具体实施时比较简单，相对于拉格朗日乘子法，它不增加求解系统的自由度，具有比较高的求解效率，文献[46]和[47]都是采用这种方法处理接触问题。
<H3><A>2.5 </A>冲压成形有限元算法</H3>
有限元算法是板材成形数值模拟CAE技术的核心，主要分弹塑性静力隐式算法、静力显式（半显式）算法、动力显式算法。由于冲压过程是冷加工，板材变形是弹塑性的，因此一般不采用刚塑性有限元法。国内学者在这个方向的研究论文比较多，各种算法都涉及到了。
从理论角度讲，弹塑性静力隐式算法的模拟精度是最高的。但是成形过程中板材变形是十分复杂的，经常伴随着塑性失稳、起皱、接触与脱离等现象，造成有限元方程组迭代发散，使模拟失败。因此这种方法很难应用到实际工程中分析大规模问题。文献[48]~[50]采用Updated Lagrange（UL）方法模拟了板材多点成形及其回弹过程。文献[51]采用Total Lagrange（TL）法和薄膜三角形单元建立了板材冲压成形模拟方法。文献[52]和[53]采用UL法开发了金属板材成形的三维弹塑性大变形有限元模拟系统。从这些文献中所模拟的算例可以反映静力隐式法目前还只能模拟形状简单、规模小的成形问题。
静力显式算法主要是为了克服静力隐式算法的缺点而发展起来的一种成形模拟方法。由于每个增量步内不进行迭代平衡计算，必然会产生比较大的应力漂移现象，这种应力漂移在每个增量步内积累起来会产生很大的误差，有时还会造成求解失败。为了提高模拟精度，要采取很多措施避免这种现象的发生，例如，采用径向返回法、自修正平衡法、控制有效增量步长等方法。文献[1]~[3]、[5]~[8]、[13]、[40]、[54]~[59]都是采用这种算法，它们所采用的算例相对于静力隐式算法要复杂得多，有些还是实际汽车覆盖件，并且已经发展成可以工业化应用的软件系统。
动力显式算法是最成熟的方法之一，国外已经有很多商品化软件，并在实际工程分析中发挥着重要作用，国内在这种算法方面也做了很多工作。文献[47]、[60]~[66]都是关于这种算法的开发和研究工作。动力显式算法虽然已经广泛地应用于板材成形过程分析，但是这种算法有比较多的理论缺陷，也直接影响了它的模拟精度。文献[67]探讨了动力显式算法中惯性效应对板材数值模拟的影响，提出了合理选择模具运动速度的方法。文献[68]介绍了提高板料成形有限元分析计算效率的几种方法。文献[69]通过实验研究了虚拟速度对板料成形模拟的影响，得到了虚拟速度的合理取值范围。文献[70]应用径向返回法避免动力显式算法求解过程中出现的应力漂移现象，提高了数值模拟精度。
有限元逆算法是一种静力隐式算法，也叫一步成形有限元法。与传统的静力隐式增量法比较，它只考虑初始坯料和最终冲压件两个状态，不考虑中间变形情况，将加载变形过程假设为简单比例加载过程，采用全量形变本构理论。因此，这种算法模拟应变路径变化很大的单元区域时，会产生较大的误差。但是由于它的计算速度非常快，可以在很短的时间内完成计算（10000个节点5分钟左右），因此这种算法也逐渐被重视起来。因外已经有商品化软件推出，例如，AUTOFORM中的One-step模块、Fast Form等。国内在这种算法的研究和开发方面起步比较晚，文献[71]~[76]都是这方面的研究和开发，采用三角形单元预测冲压件的毛坯形状和应变分布。文献[77]进一步引入DKT三角形弯曲单元，考虑弯曲效应对成形过程的影响，提高的逆算法的模拟精度。

图1 汽车翼子板拉深成形模拟 
<H3><A>2.6 </A>有限元方程组求解</H3>
静力有限元法最后都要求解一个庞大的线性方程组。对于一个中等规模的模拟问题来说，方程组的系数矩阵是50000阶左右，而且在整体成形模拟过程中，要求解几百次或上千次，因此采用静力有限元法模拟冲压成形过程的计算量是非常大的，按现有计算机的速度需要十几个小时才能完成计算。如果是更大规模的模拟问题，求解时间还会成倍增加。这也是静力有限元法很难应用于实际问题模拟的另一个重要原因。
为了解决这个问题，文献[78]开发基于双分解求逆方法的有限元线性方程组求解方法，相对于传统的LDLT方法求解效率提高了数倍，尤其对于大规模求解问题来说，求解效率提高的更多。文献[79]又在此基础上开发了一种改进的2n因子乘积形式的逆矩阵求解算法，比双分解求逆方法又快了几倍，为求解更大规律的板材冲压成形问题奠定了基础。
为了提高计算效率，计算机并行技术已经广泛地应用到实际模拟中。动力显式算法在这方面很容易实现，静力算法就要困难许多，针对不同类型的并行计算机，必须在相关专业人员的配合下，重新改写方程组求解程序。
<H3><A>2.7 </A>有限元前后处理</H3>
板材成形有限元前后处理中也包括一定的技术含量，例如前处理中的各种数据格式转换、曲面的编辑、有限元网格的划分等，后处理中真实的图形光照效果和物理分布显示等。由于这些工作多属于理论性不强的技术性开发应用，很多都是技术保密的，因此发表的学术论文不多。国内在这方面的开发工作相对比较落后，而且由于相互保密，低档次的重复性工作非常多。
前后处理软件的开发主要采用微软的VC＋＋语言。文献[80]开发了蒙皮拉形模拟前置处理软件。文献[81]和[82]采用面向对象技术和Open GL图形平台开发了板料成形有限元后处理软件。文献[83]提出了一种简单实用的基于线性插值的等值线生成算法。文献[84]基于Auto CAD软件，利用接口技术，开发了一个交互式有限元模拟板料成形的前后处理模块。
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lyq1966 · 发表于 2005-6-1 08:59:00

<H3><A>2.8 </A>成形缺陷预测</H3>
起皱、破裂、回弹现象是板材成形过程中的主要成形缺陷，它们会严重影响冲压件质量。为了克服和避免这些缺陷发生，传统方法要依靠技术人员的经验进行实际模具调试。如果冲压件结构复杂、出现的问题比较多，就要花很长时间进行调试。板材成形CAE技术可以比较好地解决这个问题，它在计算机上虚拟成形过程，通过调整工艺参数和工艺补充设计来避免这些缺陷的发生，最终可以提供一个合理的优化的工艺设计方案，有效地缩短模具设计制造周期。
这方面一直是数值模拟研究的热点，国内学者发表的文献也比较多。文献[13]、[53]、[57]、[59]、[85]~[88]等文献采用静力有限元法模拟各种冲压件的起皱或破裂产生、发展的过程，为模具调试提供一种虚拟仿真方法。文献[40]和[59]还采用空单元技术模拟方盒破裂过程，更真实地反映破裂产生、演化、成形的整体过程。文献[89]模拟了板材在塑性阶段中的屈曲现象。
回弹预测是板材成形CAE技术中最难的问题之一，困难主要体现在模拟精度方面。现有的商业软件中都有模拟回弹的功能，但计算精度的离散度非常大，还无法有效地应用到实际问题分析。国内一些高校的科研人员在这方面也做了一些工作，其中部分工作已应用到工程实际问题模拟。文献[90]~[92]建立了金属成形过程变分原理，并将其应用于实际回弹分析，为回弹数值模拟方法奠定一种理论基础。文献[3]、[8]、[93]~[95]采用静力算法模拟成形过程和卸载回弹过程，其中，文献[3]模拟了卫星天线的冲压成形、卸载回弹和切边回弹整个过程，而且与实验结果吻合的比较好。文献[8]模拟了板材各向异性特性对回弹规律的影响，并针对具体问题找出了一些控制回弹量的方法。文献[93]模拟了厚钣金件压弯翻边与回弹过程，并与实验结果进行了比较。文献[96]是用动力显式算法模拟成形和回弹过程，采用有模回弹法，模拟了V形弯曲的回弹过程。
文献[97]采用MSC/DYIRAN商业软件模拟回弹问题，并提出了“位移描述─节点修正”法，反向补偿模具网格节点值，通过反复计算迭代方法获得理想零件形状。文献[98]采用DYNAFORM模拟回弹，讨论了网格尺寸对回弹量模拟的影响。文献[99]~[104]应用各种商业软件做了一些应用分析和讨论了一些其它因素对回弹模拟的影响。
<H3><A>2.9 </A>坯料形状预测</H3>
工艺设计和模具设计过程中经常要预先确定坯料的形状，尤其对于一些以翻边成形为主的冲压件来说，要求坯料形状的精度很高。传统方法一般按截面展开方法确定坯料形状，这种方法精度不高，只能再通过实际调模阶段反复试模来确定理想的坯料形状，这样就需要比较长调模时间。
板材成形CAE技术可以快速准确地确定坯料形状，主要采用有限元逆算法。文献[71]~[77]都是关于有限元逆算法的研究和开发，这些算法都可以准确地预测坯料形状。当然也有用增量有限元法结合灵敏度优化方法[105]预测坯料形状，但是这种方法的计算时间太长，还无法实际应用。
工艺参数对坯料形状有比较明显的影响，文献[106]和[107]提出了利用反向方法给合等效拉深筋进行坯料设计的思想，比较了拉深筋对坯料形状的影响。

图2 汽车地板产品成形性分析 
<H3><A>2.10 </A>多工序成形</H3>
在冲压成形生产中，有些形状复杂的零件需要多次拉深成形。在数值模拟过程中同样也要分多个计算步分别模拟每次拉深成形过程，在现有商业软件中都具有这个模拟功能。文献[108]研究了多工步成形模拟过程中变形历史信息传递、板料与模具干涉等问题。文献[109]研究了多次拉深成形模拟中的几何建模、网格划分、材料和边界条件处理等问题。文献[110]采用动力显式MSC/DYTRAN软件进行了板料拉深二次成形模拟。
<H3>2.11 特殊成形过程数值模拟</H3>
板材成形除了通过模具冲压成形外，还有其它很多方法，例如，激光成形、液压成形、粘介质成形、无模分层成形（数字化渐进成形）、多点成形、微细成形等等。这些成形过程数值模拟的基本方法都是采用弹塑性大变形有限元法，只是在有限元边界条件约束中，由于每种成形方法的工艺条件不同，要根据具体的工艺条件进行约束处理。
文献[111]~[114]是关于激光弯曲成形数值模拟方面的研究。与冲压工艺数值模拟比较，它不需要模具，通过温度场的变化成形，因此数值模拟过程中要反映由于温度变化引起的塑性变形。文献[12]、[48]~[50]、[94]、[115]~[117]都是关于无模多点成形数值模拟方面的研究，这种工艺的数值与模具冲压成形方法没有本质区别，要给出模具模型，只不过模具的形状是由很多个小冲头组成的。液压成形数值模拟可以采用弹塑性有限元法或刚塑性有限元法。在常温下成形时就必须用弹塑性有限元法，因为此时回弹是不可忽略的因素。在高温下或超塑性成形时，就可以采用刚塑性有限元法，而且刚塑性有限元法也非常适合模拟这种成形过程。文献[118]~[123]都是采用刚塑性有限元法模拟胀形成形过程的。
关于其它成形工艺的数值模拟方法国内研究的比较少，发表的学术论文也很少。
<H2 ><A>3 </A>软件开发状况</H2>
通过国家自然基金、国家九五攻关、国家十五攻关、国家科委、国家863计划等项目或部门的大力支助下，经过十几年的共同努力，国内在金属成形数值模拟领域的基础研究和软件开发方面都取得长足的进步，已有部分高校开发出具有独立知识产权、达到工业化应用水平的模拟软件。它们分别是华中科技大学塑性成形模拟与模具技术国家重点实验室开发的FASTAMP系统，吉林大学汽车覆盖件成形技术研究所开发的KMAS系统、北京航空航天大学机械工程及自动化学院飞行制造工程系开发的SheetForm系统，湖南大学汽车学院开发的CADEM-II系统，山东大学模具工程技术研究中心开发的体积成形模拟软件CASFORM系统等。
FASTAMP系统经过十几年的研究开发和积累，已经完全商品化，在国内多家知名企业应用，解决了很多实际工程问题。FASTAMP系统具有优秀的前后处理系统，包括兼容性极高的CAD数据接口，质量和速度具佳的曲面网格剖分器，丰富的点/线/曲面/单元编辑功能，各种物理量显示，直观的FLD/WLD，帮助用户进行工艺分析，给用户最大的应用和发挥空间。它集动力显式算法[33,37,46,64,65,67]、静力隐式算法[51]、逆算法[70,71,73,74,76]于一体的板材冲压成形模拟系统，含有弹塑性、粘塑性、晶体塑性、各向异性屈服理论等材料模型。具有独立的前后处理系统[81,82]，可以模拟起皱、破裂、回弹等成形缺陷。逆算法可以应用于模具工艺设计阶段，进行精确的坯料形状模拟、工艺参数优化、粗略的成形性预分析等。是一个真正的冲压工艺辅助设计软件，它面向产品设计、材料选择以及工艺设计技术人员，将产品设计、材料选择以及工艺设计紧密联系起来。
KMAS系统经过近十年的研究开发所完成的汽车覆盖件成形模拟与模具设计系统。它含有动力显式算法[28]、静力显式算法[1,3,40,85]和逆算法。可以实现复杂冲压件从坯料夹持、压料面约束、拉深筋设置、冲压加载、卸载回弹及切边回弹[3]的全过程模拟，而且精度很高。通过独特的数学模型和算法对金属薄板的弹性及塑性变形过程进行定量分析[40]，准确预示出破裂、起皱、鼓动、回弹等成形缺陷[57,59,85,93,124]。具有丰富的单元模型[1,3,10,13]、合理的材料本构模型[24,25]、准确的各向异性屈服准则[5~8]，以及完善的前后处理系统。已经完成了多个实际工程问题的分析[3,93,124]，为提高模具设计制造效率提供了一种有力的计算机虚拟分析手段。
SheetForm系统与第一汽车集团公司进行了长期的合作，研究开发了一套静力显式算法[14,42,43,54,56]成形模拟软件。它集CAD模型输入、网格剖分[16,17]等前处理技术、分析计算和后处理于一体的专门模拟系统。可以模拟弯曲效应与拉深成形，模拟失稳起皱、材料破裂[56,86,95]，可以进行多工步成形模拟。SheetForm系统的特点是前处理功能较强。
CADEM-II系统是一套动力显式算法[47]成形模拟软件。这套系统的特点是，单元采用交叉降阶积分法，消除了国内外仿真算法常用的人为沙漏控制参数，从理论和算法上保证了冲压件大变形计算的可靠性。采用独特的基于虚拟接触块的一体化全自动接触搜寻法，局部质量密度因子法和非线性摩擦定律[41]，使冲压计算中的接触边界条件计算在保证精度的前提下提高了速度。该软件已经移植到上海超级计算中心的“神威I”并行机上，为分析大规律工程问题提供了一种途径。
CASFORM 是国内开发较少的体积成形模拟软件，主要由前处理模块、有限元分析模块、后处理模块、有限元网格生成模块和网格再划分及数据传递模块以及材料数据库和模拟数据库等构成。该软件能够分析各种体积成形工艺, 包括锻造、挤压、拉拔等, 能够预测缺陷的生成, 验证和优化工艺/模具设计方案,该软件既能模拟等温成形过程, 也可以模拟非等温成形过程, 既可进行单工位成形分析, 也可进行多工位成形分析。该软件界面友好, 使用方便, 可靠性和自动化程度高, 是模具和工艺设计方案验证和优化的有力工具。
除此之外，国内的一些其它高校也进行了这方面的软件开发工作[12,27,49,53,61,88,96,115,116]。
<H2 ><A>4 </A>实际应用状况</H2>
在应用板材成形CAE技术解决实际工程问题方面，国内的水平还相当落后。其实国内很多汽车集团和大型模具公司都花重金购买了国外的软件，例如，第一汽车集团购买过OPTRIS、LS-DYNA3D和DYNAFORM，第二汽车集团购买了AUTOFORM，跃进汽车集团南京模具装备有限公司有DYNAFORM和AUTOFORM，五粮液集团普什汽车模具中心有DYNAFORM等等。但是，这些软件在这些集团或公司中远远没有发挥出软件本身的价值。这里原因有很多，其中主要原因有以下几个方面。
1、体制管理落后
大型汽车集团目前依然延续着老的管理方式，产品设计、工艺设计、模具设计、模具加工与调试等各部门相互独立，有了模拟软件后又设立了一个单独的分析部门。这种分工在计划经济和使用传统方法制造模具的过程中发挥了重要作用。但是在要求缩短周期、提高生产效率标准下，这种独立的分工管理方式就显得落后了，而且后设立的分析部门也很难融合到传统的部门中去，很难有效地发挥CAE技术的作用。
2、生产管理模式落后
在国外大型汽车集团中，CAE技术已经作为生产流程中的一个规范，每个零件都要做必要的成形性分析或其它的CAE模拟，尽量将成形问题在模具结构之前解决。这样可以大幅度缩短模具制造周期，提高模具质量。在国内的大型汽车集团或模具公司中，模拟软件只有少数几个人可以接触和使用，它们的应用水平也就局限于这几个人的使用水平。因此，要把CAE技术作为生产流程中的一个规范还不太现实。
3、观念落后
由于生产任务需要，工程技术人员常常采用自己熟练的传统方法设计制造模具，使CAE技术很难应用到实际生产中解决模具制造过程中出现的难题。
4、人员素质较低
CAE技术是先进的虚拟制造方法，是模具现代化设计制造过程中不可缺少的先进手段。要熟练地运用这种手段解决实际生产中的困难，首先必须掌握一定的理论基础知识，包括有限元方法、塑性成形理论等等。掌握了这些理论基础后，还要在实际分析中积累模拟经验，当经验积累到一定程度时，就可以发挥CAE技术的优势，熟练地解决实际生产中出现的困难。如果使用人员不能较好地掌握和熟练使用CAE软件，模拟结果的精度会受到很大的影响，与实验结果有较大的差距，就会给人造成模拟软件计算不准的印象，使CAE技术很难推广使用。
国内的部分高校在软件应用方面也做了一些实际工程分析和应用探索工作。文献[3]、[93]、[124]应用KMAS系统解决了几个冲压成形过程中的难题，为厂家取得了良好的经济效益，也是为数不多的几个成功应用例子。文献[125]和[126]应用VFORM系统模拟了汽车前照灯矩形反光镜拉深成形过程，并分析了工艺参数对板材成形性能的影响。
为了推广CAE软件的应用，扩大中国市场占有率，国外的软件公司对国内某些高校和研究机构推出了各种优惠策略，免费提供（同时要承担一定义务）使用或以很低的价格出售。例如，AUTOFORM软件免费提供给华中科技大学、上海交通大学、中国科学院金属研究所使用。DYNAFORM软件免费提供给华中科技大学、上海交通大学、中国科学院金属研究所等。山东大学和重庆工学院也拥有DYNAFORM软件。清华大学、上海交通大学、中国科学院金属研究所、江苏大学等院校拥有LS-DYNA3D软件。这样，国内的高校利用这些软件做了一些应用探索工作。文献[127]~[133]都是使用DYNAFORM软件应用研究工作，文献[134]~[141]都是使用LS-DYNA3D软件的应用研究工作，这些应用研究工作为更好地使用和发挥软件的价值提供了很好的参考。
<H2 >5 总结与展望</H2>
金属成形数值模拟技术的研究和开发工作经过各种国家重点项目的支持及以科研人员的共同努力下，在基础理论、模拟算法及软件开发等方面得到了实质性的进步，缩小了与世界领先水平的差距，有个别成果已经达到了世界先进水平。随着工业水平的提高，对数值模拟技术要求的标准也会不断提高，这就要求科研人员要继续努力，加强基础研究、完善现有软件、开发新的算法和软件，提高软件的模拟精度、分析规模、易用性和实用性。
与国外比较，国内在该研究方向企业投入的资金太少，而且过于分散，也没有形成一个相互协作的研究群体。因此，缺乏信息交流，低水平重复性研究非常多，造成比较大的资源浪费。其实在这个研究方向之中，国内在各个环节都有出色的人才，缺乏的是一个优秀的组织者和必要的资金。这笔资金不能由国家完全提供，其中大部分应该由企业提供资助。在软件应用方面，要改变现有落后状况，必须由企业和学校研究机构共同努力，企业管理者要转变观念，加强这方面的投资。形成企业提供资助，学校培养人才的良性循环模式。这样学校才能培养出高质量的专业人才，企业才会有不断的新鲜血液输入，才能制造出高质量的模具，产品才会有市场竞争力。
目前金属成形数值模拟软件还是一个比较单纯的成形过程仿真软件，仅仅是一个工艺校核工具。随着产品质量和产生周期要求的不断提高，对CAE软件也提出了更高的要求，要求数值模拟软件具有集成化、智能化、高速化的特点：
l 集成化
CAE软件将不一个单独的系统，它应该与CAD软件集成，与KBE（Knowledge Based Engineering）集成，这种集成应该是无缝的，不是现在所说的CAD/CAE/CAM一体化系统。这种集成的优点是设计与模拟可以同步进行，例如在产品设计阶段就可以进行成形缺陷分析，提高产品设计的可制造性；对于工艺设计人员来说，可以在工艺设计之前和设计过程中进行数值模拟，分析产品设计存在的潜在缺陷，根据模拟结果有目的地进行工艺设计。这种集成化思想可以减少产品设计和工艺设计对传统经验的依赖性，将设计与分析有机地结合起来，发挥CAE软件的最大作用。
l 智能化
目前金属成形CAE软件都不具有智能化，而且对用户的要求较高，需要掌握一定的基础理论知识才能应用CAE软件解决实际问题，智能化从一定程度上可以减少对用户的要求。智能化主要包括CAE软件的自动优化功能、CAE软件与KBE相关联，这样可以在知识驱动下进行产品优化设计和工艺优化设计，充分利用已有的知识和经验，最智能、最快速、最准确地得到优化结果，大幅度减少优化设计的模拟时间。
l 高速化
金属成形数值模拟的计算时间都比较长，从一定程度上限制了CAE软件的应用。随着人们对模拟问题规模和复杂程度要求的不断提高，现有CAE软件的计算时间越来越长，这促使软件开发人员采取必要的方法提高数值模拟速度。采用大规模并行计算机是最简单可行的方法，但这种方法的硬件投资太大，对于一般企业来说不能接受，因此开发计算速度更快的模拟算法也是将来发展方向之一。

lyq1966 · 发表于 2005-6-1 09:07:00

参考文献太多了, 就不贴了.

zqvip · 发表于 2005-6-1 09:18:00

好的文章也非常有参考價值﹐謝謝lyq1966的奉送

DINGJIANSHE · 发表于 2011-5-26 13:35:31

你好，看到你的帖子，知道你对金属CAE很有研究，能否提供一些deform 或Qform关于旋转模具例如楔横轧模拟的一些资料和教材给我，不胜感激。QQ:584678707

二等阳光 · 发表于 2011-5-26 13:41:20

谢谢楼主，好资料。

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