数值模拟技术在锻造成形中的应用

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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，ApplicationofNumericalSimulationinM

2、etalForgingDONGHai-tao1,ZHANGZhi-min1，SONGZhi-hai2(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,NorthUniversityofChina,TaiYuan030051,China；2.ZhongYueTinplateIndustrialCO.,LTD,ZhongShan528437,china）Abstract:Theconditionsofmetalflowwerecomplicatedandtherearein

3、fluentialfactorsinmetalforging.FEMisaneffectivenumericalsimulationmethod.IthasbeenintroducedthetheoryofFEM,thekeytechniqueofFEMsimulationandthemethodofFEMsimulationinmetalforging,ofwhichthepresentstateandthefuturetendencyreviewed.Keywords:numericalsimul

4、ation；metalforging;FEMsimulation1.引言锻造工业一直是汽车、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

5、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

6、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

7、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，为模锻工艺的制定和最终模具的设计提供了一定的指导意义。[3]43.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，其理论基础是PrandIt-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

8、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