玻璃成形工藝數(shù)值模擬工具DEFORM及其應(yīng)用

晏建軍

一、玻璃成形工藝的工業(yè)需求

以汽車用玻璃為主的玻璃成形工藝包括落模成形、熱彎成形、模壓成形、輥壓成形及玻璃面板熱加等。這些工藝過程中，具有熱粘彈塑性特性的玻璃在高溫接近軟化狀態(tài)下進(jìn)行成形，重力也將對其成形結(jié)果產(chǎn)生影響。與其他工業(yè)產(chǎn)品成形類似，玻璃的成形在成形工藝及模具設(shè)計(jì)不合理的情況下，仍然會產(chǎn)生成形缺陷，如貼膜不緊、形狀未完全成形和表面裂紋等。目前國內(nèi)企業(yè)在面臨這些問題時(shí)大多采用試錯(cuò)法，也就是完全憑工程師經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行大量的實(shí)際試驗(yàn)，這種方法的弊端在于對工程師經(jīng)驗(yàn)依賴性大，經(jīng)驗(yàn)又難以快速進(jìn)行有效的積累和傳承，多次試驗(yàn)使得產(chǎn)品的生產(chǎn)周期長，成本增加，質(zhì)量不高。因此，企業(yè)需要一種有效地工具來面臨挑戰(zhàn)，專業(yè)材料成形工藝數(shù)值模擬工具 DEFORM可以應(yīng)對這些難題。

二、材料成形工藝數(shù)值模擬工具 DEFORM

DEFORM源自塑性有限元程序 ALPID（Analysis ofLarge Plastic Incremental Deformation）。在 20世紀(jì) 80年代初期，美國 Battelle研究室在美國空軍基金的資助下開發(fā)了用于塑性加工過程模擬的有限元程序 ALPID，后來開發(fā)人員對程序進(jìn)行了逐漸完善，并采用 Motif界面設(shè)計(jì)工具，將程序發(fā)展成為商品化的軟件 DEFORM（DesignEnvironment for Forming）。經(jīng)過 30余年的發(fā)展，DEFORM已經(jīng)成為材料成形領(lǐng)域著名的工藝數(shù)值模擬軟件。

DEFORM是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用來分析變形、傳熱和熱處理之間復(fù)雜的相互作用，常被用于分析金屬、玻璃及聚合物的成形現(xiàn)象。系統(tǒng)具有剛粘塑性及粘彈塑性算法，并同時(shí)耦合熱分析，其有限單元采用 Lagrangian算法并通過單元自適應(yīng)進(jìn)行大變形計(jì)算。如圖 1所示，各種現(xiàn)象之間相互耦合。這些耦合效應(yīng)將包括：由于塑性變形功引起的升溫、加熱軟化、溫度控制、熱損耗、塑性和應(yīng)變應(yīng)力對材料的影響等，對于玻璃成形的熱固耦合及溫度場分析具有很強(qiáng)的計(jì)算能力。

圖1 DEFORM技術(shù)體系

三、DEFORM玻璃成形工藝的工業(yè)應(yīng)用

1.DEFORM玻璃成形的技術(shù)特點(diǎn)

玻璃成形的基本理論涉及傳熱、流動(dòng)及變化的邊界條件，玻璃材料在成形過程將產(chǎn)生高的應(yīng)變率、溫度的不斷變化及高的材料非線性問題。成形過程中，發(fā)生玻璃的自然散熱、玻璃與模具的熱傳導(dǎo)等現(xiàn)象。因此，非線性模擬程序必須包括玻璃材料在熱狀態(tài)下的材料流動(dòng)性能、溫度邊界的計(jì)算能力及熱應(yīng)力計(jì)算。

DEFORM具有常用玻璃的成形流動(dòng)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，該流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)涉及不同溫度、不同應(yīng)變率條件下的多種應(yīng)力應(yīng)變曲線，常用的溫度范圍為 20～1250℃，應(yīng)變率范圍為

0.0001～100，因此可以分析復(fù)雜大變形的玻璃成形問題，如模壓成形和輥壓成形等。另外，如果有特殊的玻璃材料流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)，也可通過自定義模式直接輸入到材料庫中進(jìn)行分析計(jì)算。

2.玻璃落模成形分析

玻璃落模成形分析一般在將玻璃加熱到 500℃以上，玻璃材料呈軟化狀態(tài)，在重力作用下產(chǎn)生彎曲并貼合模具表面形成一定形狀的產(chǎn)品。通過對玻璃落模成形過程的數(shù)值模擬計(jì)算，預(yù)測不同溫度及模面設(shè)計(jì)條件下玻璃的成形結(jié)果，預(yù)測貼合間隙等缺陷，優(yōu)化工藝參數(shù)，如圖 2、圖 3所示。

圖2玻璃落模成形過程及應(yīng)變分布云圖

圖3貼模成形不足的缺陷預(yù)測

3.玻璃模壓成形分析

DEFORM玻璃成形數(shù)值模擬能夠分析玻璃模壓成形過程中的物理現(xiàn)象，這些現(xiàn)象是實(shí)驗(yàn)很難預(yù)測的，如圖 4～ 6所示。DEFORM玻璃模壓成形需要考慮的要點(diǎn)如下。

圖4玻璃模壓成形材料流動(dòng)分析

圖5成形溫度分布等值線

圖6模壓成形等效應(yīng)力云圖

（1）金屬模內(nèi)的形狀尺寸變化。玻璃產(chǎn)品形狀尺寸與上下模的閉合間隙相關(guān)，而模具在冷熱狀態(tài)下的尺寸可能產(chǎn)生變化。可以通過 CAD建立模具冷溫下的形狀，通過金屬熱膨脹的熱計(jì)算獲得模具的溫度分布及熱變形。

（2）模壓過程的玻璃材料流動(dòng)行為。在設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)下玻璃是否完全填充模具型腔是模壓成形的重要因素，成形過程中，有些地方可能因流動(dòng)特性而更快地填充，而其他地方有可能無法完全充型。

（3）材料充型過程和停留過程中玻璃材料的溫度分布情況。玻璃需在可控速率下進(jìn)行冷卻，以避免玻璃因熱損耗而產(chǎn)生畸變，過快的冷卻速率將產(chǎn)生不理想的熱應(yīng)力現(xiàn)象。

（4）模具的溫度分布。過冷的模具表面可能造成玻璃產(chǎn)品的局部應(yīng)力而產(chǎn)生擴(kuò)展性裂紋，過熱的模具表面可能造成玻璃粘在模具表面上。

（5）玻璃應(yīng)力。與模具接觸位置的玻璃在成形和停留過程中會產(chǎn)生較為明顯的熱變化。在某些部位可能達(dá)到其流動(dòng)溫度點(diǎn)以下，因此粘性和結(jié)構(gòu)松弛現(xiàn)象成為玻璃應(yīng)力計(jì)算的重要影響因素。

（6）重力影響。因模壓前期重力作用造成的玻璃變形將在計(jì)算中予以考慮。

4.玻璃輥壓成形分析

DEFORM具有專業(yè)的輥壓成形分析模板，采用流程化操作方式，可以參數(shù)化建立玻璃輥壓模型，并采用全六面體單元進(jìn)行計(jì)算，預(yù)測輥壓成形形狀及缺陷，優(yōu)化輥壓工藝參數(shù)，如圖 7所示。

5.玻璃加熱分析

汽車玻璃的加熱，通過在玻璃表面刷電阻絲并通過電流加熱玻璃。其中電阻絲的尺寸及分布方式對玻璃的加熱溫度分布有很大影響。DEFORM可通過熱計(jì)算功能分析玻璃溫度場分布，優(yōu)化電阻絲參數(shù)及分布設(shè)計(jì)，如圖8所示。