金屬塑性體積成形模擬仿真實驗

俞彥勤

摘? 要：介紹了金屬塑性體積成形模擬技術的基本原理，分析了基于DEFORM-3D金屬塑性體積成形模擬仿真的流程。以金屬成形基本工藝鐓粗為例，敘述了金屬塑性體積成形模擬仿真的具體步驟，包括模擬項目設置、對象操作設置、網格劃分、模具設置、對象接觸定位、創建數據庫、模擬解算以及后處理操作。其分析結果可供金屬塑性體積成形工藝制訂及模具設計時參考與借鑒。

關鍵詞：金屬塑性成形;有限元法;模擬;鐓粗

中圖分類號：G301 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）36-0015-03

Abstract： In this paper， the basic principle of metal plastic volume forming simulation technology is introduced， and the simulation flow of metal plastic volume forming based on DEFORM-3D is analyzed. Taking the upsetting of the basic metal forming process as an example， the concrete steps of metal plastic volume forming simulation are described， including simulation project settings， object operation settings， mesh division， mold settings， object contact positioning， database creation， simulation solution and post-processing operations. The analysis results can be used as a reference for the formulation of metal plastic volume forming process and die design.

Keywords： metal plastic forming; finite element method; simulation; upsetting

金屬塑性體積成形是通過模具對原材料進行壓力加工，以獲取所需工件形狀的技術，由于其制作高效、力學性能優而廣泛應用于汽車、航空、機械電子等工業領域，在現代制造業中具有不可替代的作用。金屬塑性體積成形過程，通常是在“高溫、高壓力、環境嚴酷”的條件下進行，由于模具與工件之間的摩擦現象、材料溫度、微觀組織變化及其對制件影響等都是十分復雜的問題，這使得塑性體積成形工藝及其模具設計缺乏系統的設計理論，主要依據技術人員長期積累的經驗，因而造成人力、財力及時間的浪費。隨著計算機技術的飛速發展，通過計算機模擬仿真技術，人們以較小的花費、快速找到其最優設計方案。

1 模擬仿真的基本原理

塑性力學的基本方程中包括15個未知量，且是高階偏微分方程，一般很難得到精確的解析解，而采用有限元法對金塑成形過程數值模擬成為可能。熱態下的金屬塑性體積成形過程模擬是基于剛塑性有限元理論，其基礎是Markov變分原理和虛功原理，并先對塑性體積不變的約束條件進行處理。Markov變分原理表述為：在所有滿足應變率-速度關系、體積不變條件和速度邊界條件的動可容速度場中，真實速度場使勢能泛函為極小。為了滿足塑性變形體積不變條件，采用Lagrange乘子法或罰函數法來修改泛函，以消除體積不變的約束，這也是一些商用軟件（如DEFORM）軟件的核心算法。

2 金屬塑性體積成形模擬流程

本項目采用DEFORM-3D軟件，對金屬塑性體積成形工藝進行計算機模擬，其成形過程模擬流程如圖1所示。

DEFORM-3D軟件模塊結構由前處理器、模擬處理器和后處理器三大模塊組成。前處理器包括數據輸入、網格的自動劃分及再劃分、數據傳遞三個子模塊，其中數據輸入模塊用于輸入速度場、溫度場、邊界條件、沖頭行程、摩擦系數等初始數據。模擬處理器：DEFORM軟件運行時，先通過有限元離散化，將平衡方程、本構關系和邊界條件轉化為非線性方程組，再通過直接迭代法和Newton-Raphson法進行求解，并將求解結果以二進制的形式進行保存，用戶可在后處理器中獲取模擬結果。后處理器：得出有限元計算分析結果，如應力場、應變場、等效應力、等效應變、速度場、溫度場、壓力行程曲線等。

3 模擬實例

本項目以金屬體積成形中的基本工藝-自由鐓粗為例來敘述DEFORM-3D軟件的模擬仿真的具體步驟。

3.1 前處理

（1）模擬項目設置：打開DEFORM-3D軟件，點擊“文件（file）”，在下拉菜單中選擇“建立新的模擬項目”，問題設定類型為“成形（Forming）”，單位設置為國際單位制“公制（SI）”，指定模擬文件存放位置，給出模擬項目名稱“鐓粗（upset）”。以上設置完成后，軟件自動進入前處理模塊。

（2）操作設置：選擇物理單位為“公制（SI）”，命名操作名為（Operation 1），工藝類型為“熱鍛（Hot forging）”，溫度計算只考慮坯料的非絕熱溫度計算，坯料形狀復雜系數取“適中（Moderate）”，工件形狀設置為“零件整體（Whole? part）”，對象數量為3，即：坯料（Workpiece）、上模（Top die）、下模（Bottom die）;坯料 （Workpiece）屬性為“塑性體”，加熱溫度“始鍛溫度1200℃”，材料選為25號鋼，坯料幾何形狀可選“導入坯料幾何形狀（Import geometry）”，對于簡單坯料形狀，DEFORM-3D軟件也可直接構造幾何體，即選擇“定義基本幾何形狀（Define Primitive geometry）”。本例采用“定義基本幾何形狀（Define Primitive geometry）”，設置坯料尺寸為Φ15mm×50mm和Φ15mm×30mm兩種毛坯。