数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用

《材加专业前沿讲座》前沿调研报告数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用
学院：机械工程学院
班级：xxxxx
姓名：南京小诸葛
学号：xxxxx
目录
一、摘要 (1)
二、正文 (1)
2.1数值模拟技术 (1)
2.1.1数值模拟技术简介 (1)
2.1.2数值模拟技术的优势 (1)
2.1.3有限元法发展历史 (2)
2.1.4有限元法的发展现状 (2)
2.1.5有限元法在机械中的应用 (2)
2.2数值模拟技术在金属塑性成形中的应用 (2)
2.3数值模拟技术的应用举例 (3)
三、参考文献 (4)
一、摘要
在本次材加专业学科前沿体验课金淼老师关于数值模拟技术及其在金属塑形成型中的应用，我学到了很多先进前沿的知识。

数值模拟技术是一项新型的求解数学模型的方法，尤其是数值法中的有限元法，在机械行业运用广泛，在金属塑性成形过程中更是有着很大的实用价值，是一项值得我们认真研究的科学处理方法。

关键字：数值模拟塑性成形有限元法
二、正文
在材加专业学科前沿体验课中，我们都听了很多老师在不同方面的专业知识的讲座，但让我留下最深印象的就是金淼老师讲授的“数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用”的讲座。

数值模拟技术是一种新型的模拟分析的技术，在现实生产应用十分广泛，对我们专业的未来生产生活中的应用也是颇有价值，所以我对数值模拟技术做了下面的前沿调研报告。

该调研报告分为三个部分来讲：首先讲什么是数值模拟技术，然后讲数值模拟技术在金属塑性成形中的应用，最后会列举一个数值模拟技术实际生产中的例子。

2.1数值模拟技术
2.1.1数值模拟技术简介
求解数学模型通常有两种方法：一种是解析法，它通过严格的数学推导求出问题的精确解，或称解析解；另一种是数值法，它通过一定的算法和程序，利用计算机计算出问题的近似解，又称数值解。

常见的数值法有差分法，变分法和有限元法等。

我们接下来主要讲解集成差分法和变分法二者数值模拟优点的有限元法。

有限元法是求解各种复杂数理方程的一种数值计算方法，是弹性/塑性理论、计算数学、计算机软硬件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。

2.1.2数值模拟技术的优势
近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下，数值模拟技术在国防、航空航天、交通运输、电力、机械、工程建筑等领域得到了广泛的应用，从结构合理性设计到结构承载能力和工件寿命预测、从结构的稳定性到工件开裂预测等，各个领域都渗透者数值模拟技术的身影。

例如，分析叶片成形过程，研究其缺陷产生原因，以期为实际锻造过程作知道，有效地改进叶片成型质量；模拟不同形状工件、不同变形条件下缺陷产生的过程，以便能更好地了解缺陷的成因及改进措施等。

数值模拟以其低成本、高价值的优势成为越来越普通的工程计算和科学研究的手段，被越来越多的科研人员所接受和使用。

因此，数值模拟技术也是降低制造成本、缩短研发周期、搞笑而实用地预测研究缺陷的方法和手段。

数值模拟技术已从一个单纯的分析工具转变为一种设计手段，成为快速发展的一个相对独立的科学领域，在理论和应用方面都具有学科的特色。

其优势主要体现在：①有效缩短新产品的开发研究周期，大幅度降低产品研发成本；②以精确的分析结果为知道，制造出高质量的产品；③快速进行方案设计和改进，增加产品和工程的可靠性；④精确预测产品性能；⑤实现优化设计，降低材料的消耗和成本；⑥预先发现产品制造或工程设施中可能潜在的问题，减少经济损失和时
间消耗；⑦进行试过分析，查找事故发生的可能原因；⑧对实验方案进行仿真，选择最优方案及参数，同时缩短实验时间，减小财力消耗等。

2.1.3有限元法的发展历史
1956年美国科学家Turner,Clough等人在分析飞机结构时，将刚架位移法推广到弹性力学平面问题，第一次给出用三角形单元求平面应力问题的正确解答。

1960年Clough进一步处理了平面问题，并第一次提出“有限单元法”的名称，并取得了一系列成果。

60-70年代，有限元的巨大成就引起了数学界的注意，对于有限元离散化误差，收敛性，稳定性等方面的研究巩固了有限元的数学基础。

70年代有限元发展异常迅速，从“位移法”开始已经发展成内容十分广泛的计算力学学科，仅分析方法而论，可分为：位移元，杂交元，混合元，边界元，样条元和半解析法等；就分析对象而言，已由固体力学分析，发展为流体，传导，塑性，粘弹性等，近年来，每年发表有关有限元的论文数以千计。

2.1.4有限元法的应用现状
由于该法具有灵活、快速和有效的特点，使得其发展非常迅速，很快成为许多科学技术领域和实际工程问题中广泛应用的方法。

应用领域涉及机械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、汽车、石油以及生物工程等等任何涉及场的问题。

目前，国际上有90％的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。

实际上有限元分析已成为替代大量实物实验的数值化“虚拟试验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。

2.1.5有限元法在机械中的应用
（1）静力学分析，即求解所受的外载荷不随时间变化或随时间变化缓慢的机械系统平衡问题；
（2）模态分析，即求解关于系统的某种特征值或稳定值的问题；振动领域（3）瞬态动力学分析，即求解所受的外载荷随时间变化的动力学响应问题；
（4）非结构力学分析，主要有机械系统的热传导（温度场）、噪声分析与控制以及结构、热、噪声等多场耦合分析；
在机械结构分析的软件方面，最早的是美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统，该系统发展到现在已有几十个版本。

此外比较知名的有限元软件包括德国ASKA、英国PAFEC、法国SYSTUS、FORGE,美国ABAQUS、ADINA、ANSYS、COSMOS、MARC、DEFORM。

2.2数值模拟技术在金属塑性成形中的应用
金属塑性加工成型是现代制造业中金属加工的重要方法之一，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。

数值模拟已经被广泛应用于金属成形过程。

产品质量的提高与成型过程的控制息息相关，二者也是塑性成形领域一直关注和面临的难题。

在生产过程中，由于工艺设计不合理常常会产生各种缺陷。

金属塑性成形过程中的缺陷主要分为表面缺陷和内部缺陷两大类，常见的有表面折
叠、起皱、缩孔、裂纹、填充不足、外部开裂和内部开裂等。

缺陷的存在会严重影响到制件的后续加工和使用质量，甚至导致产品的报废、从而造成巨大的经济损失。

因此，通过数值模拟技术进行缺陷预测以制定缺陷防止措施，可节省大量人力、物力和财力，从而降低成本、缩短研发周围，对工业生产具有重要价值。

近年来，研究预测金属塑性成形过程缺陷的方法很多，主要有主应力法、上限法和有限元数值模拟方法。

主应力法和上限法需要进行大量的人工计算，而且无法考虑应力—应变历史。

有限元数值模拟方法克服了以上2中方法的缺点，可直观地从模拟结果看出产品表面缺陷，也可根据应力、应变和密度等场量的变化历史来分析产品内部和表面缺陷，是目前应用最广泛的一种缺陷预测方法。

2.3数值模拟技术的应用举例
薄板冲压数值模拟技术在汽车覆盖件制造中的应用
汽车覆盖件是汽车产品最重要的组成部件之一，一般是通过大型模具采用冲压工艺加工制造而成。

车身覆盖件要求表面平滑，不允许有皱纹、划伤、拉毛等表面缺陷，要求具有足够的刚性和尺寸稳定性。

这些都与加工过程中的板壳力学问题息息相关，而成形过程中的力学问题非常复杂，只有采用数值技术才能使问题得到简化。

汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。

然而板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂，是一个集几何非线性、材料非线性、接触非线性于一体的强非线性问题，用传统的解析方法很难求解。

塑性成形理论经过100多年的发展，已相当成熟。

随着计算机应用技术的普及，板料塑性成形过程用有限元方法进行数值模拟已成为一项有效解决该问题的高新技术。

汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3mm 以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的50%以上。

汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。

在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉伸件那样用拉伸系数来判断和计算它的拉伸次数和拉伸可能性，且需要的拉延力和压料力都较大，各工序的模具依赖性大，模具的调整工作量也大。

汽车覆盖件成形过程中板料上的应力应变分布情况非常复杂，成形质量影响因素较多。

从变形方式看，板料的成形是拉延、翻边、胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。

对一个给定的零件来说，一套合理的模具和工艺方案的确定，不仅要靠实践经验和理论计算，还往往离不开反复地试模和修模。

因此汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材料的协调变形问题，既要避免局部区域过分变薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件上留下滑移线，还要将零件的回弹量控制在允许的范围内。

目前，板料冲压过程的计算机分析与仿真技术（非线性有限元分析技术）已能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题，如计算金属的流动、应力应变、板厚、模具受力、残余应力等，预测可能的缺陷及失效形式，如起皱、破裂、回弹等。

在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数和模具结构，缩短模具的设计制造周期，降低产品生产成本，提高模具和冲压件产品品质。

三、参考文献
[1]朱艳春，曾卫东，冯菲，孙宇，周义刚.[期刊论文]数值模拟技术及其在塑性成形缺陷预测中的作用.2010.12。