輥彎成型有限元模擬的軟件綜述

趙生蓮

摘 要： 文章詳細介紹了用于輥彎成型的有限元模擬軟件，比較了其在成型過程模擬應用中各自的優缺點，說明了通用CAE軟件得以廣泛應用而專用CAE軟件沒推廣的原因，并指出了CAE軟件未來的發展趨勢。

關鍵詞： 輥彎成型 有限元模擬 軟件

在冷彎型鋼企業生產成本的很大一部分耗費在成型輥的調整和產品的試生產階段。采用冷彎成型過程的計算機模擬與仿真技術，能在一定程度上對設計和生產中的問題進行預測，并提出相應的處理方法，這樣就可以比較合理地進行軋輥設計，有效減少生產調試時間，提高生產效率，減少原材料的耗費。

1.冷彎成型專用CAE軟件

專用軟件主要是指以CAE軟件為支承平臺，具有針對性、解決具體問題的實用軟件系統。用于冷彎成型的專用軟件軟件目前比較流行的有澳大利亞的CADROF、英國的ORTIC、我國韓志武開發的CFES（輥彎成型輥型設計專家系統），還有法國的M.Brunent的PROFIL，我國的徐樹成博士開發的平板軋制模擬程序EPFEP3，德國dataM公司的COPRA中增加的有限元仿真模塊COPRA.FEA即（已商業化），Duggal和Altan等人編制的RFPASS，Haritos等人開發的優化的網格生成器，韓國的SukmooHong開發的相應軟件等均屬于此類等。這些專用軟件大多系統地歸納了輥彎成型領域的理論成果、相關的標準規范及大量的實驗數據和經驗公式，大體上實現了設計、管理、生產的一體化，方便了用戶使用。

但是，這類軟件中的國產輥彎專用軟件零碎分散，功能單一，研制開發者也沒有積極推廣使用。而國外專用軟件價格昂貴，令我國眾多的中小企業望而卻步。就目前掌握的資料所知，只有德國Data.M公司開發的COPRA軟件在國內有企業使用，但用戶也不多，其他同類軟件未見報道有國內用戶使用的報道。

2.通用CAE軟件

通用CAE軟件主要由有限元軟件、優化設計軟件、計算流體軟件、電磁場計算軟件、最優控制軟件和其他專業性的計算軟件組成，下面對目前主流的通用CAE軟件進行一一介紹。

（1）MSC.MARC。繼1971年MARC推出的第一個版本MARCA1，MARC便成為全世界線性有限元技術的領導者，得到全世界和學術界的大力推崇和應用。許多現在廣泛應用的有限元技術就是開發工程師在MARC公司首先發展起來的，MARC公司始終領導全世界有限元技術的發展方向。MSC.MARC和德國COPRAROLLFORM相結合，可以對冷彎過程進行有限元模擬，其工作快速，結果可靠，是冷彎有限元模擬的最佳產品，不過由于其價格昂貴（一套需要5萬歐元），在國內還沒有單位和個人購買。國內材料加工業對于MSC.MARC的主要應用集中在中厚板軋制、板坯連鑄、連軋、模具應力分析等方面。

（2）HSK.ABAQUS。ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有廣泛的模擬性能，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。在材料加工行業里面：ABAQUS中剛體、接觸、顯式分析和隱式分析無縫集成，以及獨有的機械和機構耦合分析等功能為各種材料成型分析提供了強有力的武器。在國內，上海寶鋼利用朋ABAQUS對鋼鐵的主要成型過程進行模擬，效果很好。德國冷彎專業設計軟件PROFIL和ABAQUS可以無縫結合，其模擬的效果是最接近實際情況的。

（3）ANSYS。美國ANSYS公司成立于1970年，其致力于CAE技術的研究和發展，通過以CAE技術幫助企業優化設計流程。ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復雜問題。1996年，功能強大的ANSYS前后處理器與LS-DYNA合作，命名為ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最豐富，全球用戶最多的有限元顯式求解程序。Ansys/LS-DYNA特別適合求解各種二維、三維非線性結構的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，在工程應用領域被廣泛認可為最佳的分析軟件包，與實驗數據的多次對比，證實其計算結果的可靠性。

（4）AltairHypeForm。AltairHypeform是一個強大的有限元模擬工具，主要應用于金屬板料成形領域。應用AltairHyperForm，可以對各種概念性模具設計方案進行評估，最終得到優化結果。此軟件的優點有：精確計算出毛坯料外形尺寸，提高材料使用率；在產品開發初期，引進可行性設計準則，使產品性能提高；在虛擬條件下，觀察成形是否開裂與起皺，防止問題發生；HyperForm是一個強有力的工具，可以修改及驗證多種方案；工程師可以優化不同的結構特性，優化可以具有多種約束條件；最大限度地縮短產品周期。

（5）DYNAFORM。DYNAFORM是由美國ETA公司開發的用于板料成形模擬的專用軟件包，DYNAFORM可以預測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、化痕、回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設計提供幫助。其主要特點有集成操作環境，無需數據轉換，完備的前后處理功能，實現無文本編輯操作，所以操作在同一界面下進行。求解器是采用世界著名功能最強的LS-DYNA，是動態非線性顯示分析技術的創始和領導者，解決復雜的金屬成形問題；工藝化的分析過程，包括影響板材成形工藝的60多個因素。

（6）DEFORM。DEFORM是國際上最著名的2D/3D成形加工和熱處理工藝模擬分析軟件，其主要的功能有：進行冷、溫、熱的成形和熱傳導禍合分析；允許用戶自行定義材料數據庫、材料模型、壓力模型、破裂準則和其他函數；提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息：可進行大變形分析、殘余應力和回彈分析、粉末冶金成形分析；完整的成形設備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機械壓力成形；多變形體允許分析多個成形工件或禍合分析模具應力；可模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程：預測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量：可以分析各種材料晶向；可以輸入頂端淬火數據來預測最終產品的硬度分布。它是體積成形工藝有限元分析最好的軟件。目前，它已在世界各大汽車、航空、鋼鑼泌司，以及眾多的大學和科研單位得到了廣泛的應用，自進入中國以來，DYNAFORM已在長安汽車、南京汽車、上海寶鋼、中國一氣、上海匯眾汽車公司、洛陽一拖等知名企業得到成功應用。

由于通用CAE軟件普遍功能強大，穩定可靠，用戶選擇余地大.且產品競爭激烈，因而價格比輥彎專用軟件低得多，且絕大多數軟件都提供二次開發工具及非線性分續輥式彎曲成型機組加工成型的產品，因此在國內得以廣泛的使用，它將在一定時期內為冷彎成形的研究作出很大貢獻。

3.結語

文中通過對CAE軟件及其在冷彎成型中的應用的論述和介紹，得出如下結論：（1）CAE軟件在冷彎成形過程研究中起到了巨大作用，但進入實際的工業應用還有相當長的路要走；（2）直接利用現有的、比較成熟的有限元軟件進行冷彎成形過程的仿真比較現實和可行。

參考文獻：

[1]石京，王先進.國內外冷彎成形研究最新進展.軋鋼.1998，10（5）.

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[3]陳火紅.MARC有限元實例分析教程[M].北京：機械工業出版社，2002.

[4]MSC中國有限公司.MSC.Marc軟件技術報告，2000.