材料热加工工艺模拟的研究现状及技术发展趋势——房贵如
车等也有同样的情况。这样,对板料成形计算机仿真商品软件就必将有一个较大的需求市场。从目前国外情况看,与CADCAM软件不同,由于该仿真软件的专业性强、难以掌握和售价高,较多用户并不购买软件,而是接受其技术服务,这样就相应出现了服务市场。在我国这种情况会更突出。4 存在问题与今后发展趋向
现有的钣料冲压成形仿真软件主要采用动态显式方法与静态隐式方法,前者存在为了缩短运行时间将冲压速度提高100倍带来不真实结果的问题。后者存在难于克服的收敛问题。关于质量比较,计算机仿真给出了相当好的结果,但是与实际试验相比,应力分布的绝对值不是很准确的,这导致回弹计算结果与实际有较大的出入。在改进拉深模开发过程中的下一步工作将是把回弹和加载补偿修正结合进来。在短期内,从实验数据导出用于回弹的设计规则将被结合进入设计系统。易于使用的有限元造型工具将对外载荷提高补偿。不久,由美国NISTATP国家研究院进行的回弹可预测项目将可能研究开发出回弹分析模型。据日本塑性技术学会报道,在日本,计算机仿真正接近实际应用,许多研究者的兴趣在引入人工智能于弯曲和拉深回弹的应用。用于开发这些技术的有用的数据库的建立是必不可少的,并建议采用回溯法决定拉深件的优化坯料形状。
由于不同的工业各有它自己的应用仿真软件的目的,包括预测起皱、表面偏差、破裂极限条件的研究、坯料形状的确定、回弹的预测、板厚与残余应力的计算。仿真要满足这多种要求是相当困难的。目前有限元程序的能力仍受是现实,所以一个用户想要在合理的时间与成本内获得合理的信息,必需仿真的目的到一个或两个特别的项目和优化用于该项目的程序及模型。
为了帮助设计决策、零件和工具的修改,仿真可以5个阶段有效地执行:①粗略估计新设计的冲压成形件是否能被成形;②原型工具设计;③生产工具设计;④试验阶段;⑤系统生产试验。
假设有限元模拟是足够强大有效得以预测所有的成形缺陷和提供最优的冲压工具和条件,就可完全消除上述5个阶段中的第②阶段和减少甚至取消试验和修改工序的数目,因此过程或许将被戏剧地缩短成只剩下第①与③阶段。这是在钣金成形工业里有限元模拟系统的最理想的状态。5 建议
在熟练应用、剖析、借鉴引进技术,最大限度地消化、吸收其长处和有关国外先进适用的理论与实
际研究成果基础上,不失时机地走自己的技术创新
之路,依靠扶持,产学研结合,集中有限财力与人力,加速研究开发具有我国自主版权、适合我国国情的板料冲压成形过程的计算机仿真软件。
施法中 北京市 100083 北京航空航天大学飞行器制造系教授
材料热加工工艺模拟的研究现状及技术发展趋势房贵如1 开展热加工工艺模拟研究的重大意义
(1)使热加工由定性→定量;“技艺”→“科学”
热加工兼有成形、改性两个功能高温、动态、瞬时,难于观察、测试多因素、强耦合、非线性、非稳态,难以用理论定量
模拟过程,预测结果,优化设计(2)具有重要应用背景及重大效益
力保关键大件一次制造成功
力保大批生产毛坯件一次试模成功 修改模具→修改图纸→修改构思
快速改进并优化工艺设计,适应柔性生产(3)快速、拟实、分布式设计制造的技术基础(4)多学科交叉,开拓新兴工程技术学科2 热加工工艺模拟的研究历程
1962年,开始于铸造过程(丹麦)
60年代末期,美国NSF资助铸造项目70年代,工业发达国家相继开展铸造→锻压、注塑、焊接、热处理
1981年开始,每两年召开一届国际会议(铸造+焊接),锻压、热处理亦定期召开国际会议
热加工各专业最热门的研究热点及技术前沿3 热加工工艺模拟的技术发展趋势3.1 宏观→中观→微观
宏观(m):形状、尺寸、轮廓、宏观缺陷微观:(Λ性能、微观缺陷m):组织、3.2 单一分散→耦合集成
(1)多种物理场耦合流场∴温度场温度场∴应力应变场应力应变场∴位移场温度场∴组织场应力应变场∴组织场(2)铸、锻、焊、热多专业集成
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中国机械工程1998年第9卷第11期
3.3 共性、通用→特性、专用
特种热加工工艺
缺陷机理及消除
3.4 重视提高模拟精度和速度的基础性研究
基础理论及缺陷形成机理与判据新数理模型新算法前后处理
精确的基础数据
3.5 重视物理模拟及精确测试技术
(1)应用高新技术,设计新型物理模拟方法
CCD摄像过程连续观察乙二烃结晶过程冲压件表面大应变量的激光测量系统(2)数值模拟与物理模拟(含实验验证)之间的关系
合理确定两者的应用比例:模锻80%;管件液压成形50%;切削30%
扬长避短,发挥两者的不同特长
高度重视基础数据的测试技术热物性、高温力性、几何、本构、接触、摩擦、界面间隙、气体析出、结晶潜热等
3.6 在并行环境下,与生产系统其它技术集成
(1)与产品、模具CADCAECAM系统集成
(2)与零件自动化加工系统集成(3)与零件的安全可靠性能评估集成3.7 以商业软件为基础,改进研究与普及应用相
“金属材料热成形过程动态模拟和组织性能质
量的优化控制”。4.1 研究内容
金属材料成形基础理论及缺陷形成机理的研究;
金属材料热成形过程的宏观动态模拟;
金属材料热成形过程的微观组织演化动态模拟及质量预测;
金属材料热成形工艺性的物理模拟的精确评价技术;
并行工程环境下的金属材料热成形模拟仿真及虚拟制造成形基础性研究;
复杂型腔模具中非牛顿流体的三维流动与传热过程动态模拟。4.2 承担单位
机械科学研究院北京机电研究所沈阳铸造研究所哈尔滨焊接研究所清华大学郑州工业大学
先进现代设计研究室制造精密塑性成形研究室技术高效清洁节能热处理研究室研究精密优质铸件成形研究室中心优质高效焊接研究室
4.3 研究方案及技术路线
结合
(1)已形成一批热加工工艺模拟商业软件
以材料成形理论及缺陷形成机理分析为基础采用数值模拟和物理模拟相结合的方法各种物理场的耦合;建立过程多种物理
两种模拟结果的对比量的定量关系动态模拟材料的热成形过程;预测组织、性能及质量;优化工艺设计;
在并行环境下,与产品CADCAM集成;推进材料成形理论的发展与创新。5 几点建议
(1)加强模拟软件商品化工作
国内已形成一些准商品化软件
采取多种方式加快软件商品化选用软件平台,避免低水平重复
(2)大力普及成熟的热加工工艺模拟技术(3)重视物理模拟及测试技术,提高数值模拟精度
(4)集中优势力量,瞄准有限目标,攀登世界前
铸造:MAGMA、PROCAST、SIMULOR、SOLDIA、SOLSTAR、AFS3D
锻造:DEFORM、AUTOFORGE、SUPER2FORGE
冲压:DYNA3D、PAM—STAMP、ANSYS注塑:C—MOLD、MOLDFLOW焊接:ABAQUS(2)已在铸造、锻压行业得到较广泛应用
(3)数值模拟逐步成为新工艺开发的重要手段(4)建立软件平台,进行改进提高研究对某些技术问题进行理论研究为解决具体问题插入自编软件模块理论分析补偿法、实验补偿法,提高模拟精度增加软件功能,实现软件升级4 攀登预选项目(攀登B)
沿
(5)多渠道资助热加工工艺模拟技术研究
房贵如 北京市 100044 机械科学研究院副院长、研究员级高工
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