有限元模拟在金属塑性成形中的应用

有限元模拟在金属塑性成形中的应用上海交通大学翟福宝林新波张质良夏萼辉摘要本文系统介绍了有限元法的发展现状和关键技术，结合实例说明了有限元模拟技术在塑性成形领域的具体应用，并对其存在的问题和发展方向提出了自己的见解。关键词有限元金属塑性成形模拟分类号’引言金属塑性加工的变形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。这时既有材料非线性，又有几何非线性，再加上复杂的边界接触条件的非线性，这些因素使其变形机理非常复杂，难以用准确的数学关系式来进行描述。随着金属塑性成形技术的日益发展，人们对其在成形过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。有限元法作为一种有效的数值计算方法已经被广泛应用于金属成形过程的数值模拟方面。=有限元模拟在塑性成形领域的应用=D关键技术综述金属成形过程的有限元数值模拟被用于求解金属变形过程的应力、应变、温度等的分布规律，进行模具受力分析，及预测金属的成形缺陷。根据金属材料的本构方程的不同，可将其分为两大类。（’）弹塑性有限元法［’］弹塑性有限元法考虑包括弹性变形的金属变形的全过程，它以F,7-/1.G65)5本构方程为基础。在分析金属成形问题时，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、应变分布规律和几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题，计算残余应力。因此，弹塑性有限元法被用于弹性VV变形无法忽略的成形过程模拟。但弹塑性有限元法要以增量方式加载，尤其在大变形弹塑性问题中，由于要采用H7C,7-C)或=+1),描述法之一来描述有限元列式，所以需要花费较长的计算时间，效率较低。（!）刚塑性有限元法［!］刚塑性有限元法忽略了金属变形中的弹性效应，以速度场为基本量，形成有限元列式。这种类型主要有刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。刚塑性有限元法虽然无法考虑弹性变形问题和残余应力问题，但计算程序大大简化。在弹性变形较小甚至可以忽略时，采用刚塑性有限元法可达到较高的计算效率。有限元建模过程是为了满足有限元求解的要求而对实际模型的合理处理，通常要对实际模型进行一定的简化，但要求模型应能正确反映实际条件。有限元模型的建立主要包括以下关键技术。=DD几何模型的建立实现进行有限元计算相关的变形体和刚体的几何造型。为了进一步网格划分的方便和避免奇异点的产生，通常对模型进行适当的简化处理。现存的有限元分析软件其造型功能都很有限，所以，对复杂对象的几何建模多借助于专用的IJK软件。然后，通过一定的图形标准（如L&=E、E%=F等），实现IJK和IJ=系统间的数据转换。=DD=网格的划分与重划分由于有限元分析中网格质量的好坏直接影响到求解的效率和精度，在网格划分上多做些工作是值得的。在金属成形过程中，材料在流动时极易使相应的单元形状产生过度变形导致畸变。而有限元分析结果的精度对单元形态极为敏感。这就要求软件具有良好的网格自动划分和重划分功能。通过网格重划分可以生成新网格，并将旧网格上的单元量和节点量映射到新网格上，继续后续分析。!!!#材料模型的建立用于输入成形材料的变形特性。常用的材料模型有弹塑性、刚塑性、热弹塑性、热刚塑性等。主要参数有材料的弹性模量、泊松比、比热容、热导率、屈服应力以及材料的硬化描述等。!!!$接触和摩擦问题接触模型提供有关接触体（变形体和刚体）的运动及接触方式、接触探测参数定义的信息。摩擦问题对金属的流动具有显著的影响。目前，应用较成熟的摩擦模型有经典的和修正的#$%#&’摩擦、剪切摩擦以及轧制摩擦等。!!!发展现状及应用实例近几年来，有限元模拟技术无论在板料成形（()**+,#-&./0）方面，还是在体积成形（1$%2,#-&3./0）方面，均取得了很大的进展。该技术在指导模具设计和工艺优化方面得到了很好的利用。随着计算速度的提高和有限元算法的不断完善，有限元模拟将会越来越多地被应用于工程实际之中。在有限元软件领域，涌现出一批比较成熟的商用软件如456／7896:;=、74:;=5=7、=(／=6、69(8(、6?5;:;=、616@?6(、96(569、A6=B(56=A、;1?(5、(C445B7、D56(B7等。近年来，有限元软件行业竞争激烈，各种专用软件相继出现，软件逐渐向专业化、并行性和智能化的方向发展。运用商业软件完成的几个金属成形实例，分析如下：（E）筒形件错距旋压有限元模拟图E旋轮接触受力分布该实例利用=(／=6实现。通过三维弹塑性有限元模拟，研究了筒形件错距旋压的变形机理。并通过基于=6后处理的二次开发，结合人工智能技术，实现了错距旋压的工艺参数优化。图E为三旋轮接触受力分布，图F为旋轮F的受力曲线。（F）径向温挤压过程有限元模拟该实例在74:;=5=7上实现。通过模拟，分析了材料的温挤压流动规律，结果如实反映了充