辊弯成型有限元模拟的软件综述

赵生莲

摘 要： 文章详细介绍了用于辊弯成型的有限元模拟软件，比较了其在成型过程模拟应用中各自的优缺点，说明了通用CAE软件得以广泛应用而专用CAE软件没推广的原因，并指出了CAE软件未来的发展趋势。

关键词： 辊弯成型 有限元模拟 软件

在冷弯型钢企业生产成本的很大一部分耗费在成型辊的调整和产品的试生产阶段。采用冷弯成型过程的计算机模拟与仿真技术，能在一定程度上对设计和生产中的问题进行预测，并提出相应的处理方法，这样就可以比较合理地进行轧辊设计，有效减少生产调试时间，提高生产效率，减少原材料的耗费。

1.冷弯成型专用CAE软件

专用软件主要是指以CAE软件为支承平台，具有针对性、解决具体问题的实用软件系统。用于冷弯成型的专用软件软件目前比较流行的有澳大利亚的CADROF、英国的ORTIC、我国韩志武开发的CFES（辊弯成型辊型设计专家系统），还有法国的M.Brunent的PROFIL，我国的徐树成博士开发的平板轧制模拟程序EPFEP3，德国dataM公司的COPRA中增加的有限元仿真模块COPRA.FEA即（已商业化），Duggal和Altan等人编制的RFPASS，Haritos等人开发的优化的网格生成器，韩国的SukmooHong开发的相应软件等均属于此类等。这些专用软件大多系统地归纳了辊弯成型领域的理论成果、相关的标准规范及大量的实验数据和经验公式，大体上实现了设计、管理、生产的一体化，方便了用户使用。

但是，这类软件中的国产辊弯专用软件零碎分散，功能单一，研制开发者也没有积极推广使用。而国外专用软件价格昂贵，令我国众多的中小企业望而却步。就目前掌握的资料所知，只有德国Data.M公司开发的COPRA软件在国内有企业使用，但用户也不多，其他同类软件未见报道有国内用户使用的报道。

2.通用CAE软件

通用CAE软件主要由有限元软件、优化设计软件、计算流体软件、电磁场计算软件、最优控制软件和其他专业性的计算软件组成，下面对目前主流的通用CAE软件进行一一介绍。

（1）MSC.MARC。继1971年MARC推出的第一个版本MARCA1，MARC便成为全世界线性有限元技术的领导者，得到全世界和学术界的大力推崇和应用。许多现在广泛应用的有限元技术就是开发工程师在MARC公司首先发展起来的，MARC公司始终领导全世界有限元技术的发展方向。MSC.MARC和德国COPRAROLLFORM相结合，可以对冷弯过程进行有限元模拟，其工作快速，结果可靠，是冷弯有限元模拟的最佳产品，不过由于其价格昂贵（一套需要5万欧元），在国内还没有单位和个人购买。国内材料加工业对于MSC.MARC的主要应用集中在中厚板轧制、板坯连铸、连轧、模具应力分析等方面。

（2）HSK.ABAQUS。ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有广泛的模拟性能，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。在材料加工行业里面：ABAQUS中刚体、接触、显式分析和隐式分析无缝集成，以及独有的机械和机构耦合分析等功能为各种材料成型分析提供了强有力的武器。在国内，上海宝钢利用朋ABAQUS对钢铁的主要成型过程进行模拟，效果很好。德国冷弯专业设计软件PROFIL和ABAQUS可以无缝结合，其模拟的效果是最接近实际情况的。

（3）ANSYS。美国ANSYS公司成立于1970年，其致力于CAE技术的研究和发展，通过以CAE技术帮助企业优化设计流程。ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题。1996年，功能强大的ANSYS前后处理器与LS-DYNA合作，命名为ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。Ansys/LS-DYNA特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包，与实验数据的多次对比，证实其计算结果的可靠性。

（4）AltairHypeForm。AltairHypeform是一个强大的有限元模拟工具，主要应用于金属板料成形领域。应用AltairHyperForm，可以对各种概念性模具设计方案进行评估，最终得到优化结果。此软件的优点有：精确计算出毛坯料外形尺寸，提高材料使用率；在产品开发初期，引进可行性设计准则，使产品性能提高；在虚拟条件下，观察成形是否开裂与起皱，防止问题发生；HyperForm是一个强有力的工具，可以修改及验证多种方案；工程师可以优化不同的结构特性，优化可以具有多种约束条件；最大限度地缩短产品周期。

（5）DYNAFORM。DYNAFORM是由美国ETA公司开发的用于板料成形模拟的专用软件包，DYNAFORM可以预测成形过程中板料的破裂、起皱、减薄、化痕、回弹，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。其主要特点有集成操作环境，无需数据转换，完备的前后处理功能，实现无文本编辑操作，所以操作在同一界面下进行。求解器是采用世界著名功能最强的LS-DYNA，是动态非线性显示分析技术的创始和领导者，解决复杂的金属成形问题；工艺化的分析过程，包括影响板材成形工艺的60多个因素。

（6）DEFORM。DEFORM是国际上最著名的2D/3D成形加工和热处理工艺模拟分析软件，其主要的功能有：进行冷、温、热的成形和热传导祸合分析；允许用户自行定义材料数据库、材料模型、压力模型、破裂准则和其他函数；提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息：可进行大变形分析、残余应力和回弹分析、粉末冶金成形分析；完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形；多变形体允许分析多个成形工件或祸合分析模具应力；可模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程：预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量：可以分析各种材料晶向；可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布。它是体积成形工艺有限元分析最好的软件。目前，它已在世界各大汽车、航空、钢锣泌司，以及众多的大学和科研单位得到了广泛的应用，自进入中国以来，DYNAFORM已在长安汽车、南京汽车、上海宝钢、中国一气、上海汇众汽车公司、洛阳一拖等知名企业得到成功应用。

由于通用CAE软件普遍功能强大，稳定可靠，用户选择余地大.且产品竞争激烈，因而价格比辊弯专用软件低得多，且绝大多数软件都提供二次开发工具及非线性分续辊式弯曲成型机组加工成型的产品，因此在国内得以广泛的使用，它将在一定时期内为冷弯成形的研究作出很大贡献。

3.结语

文中通过对CAE软件及其在冷弯成型中的应用的论述和介绍，得出如下结论：（1）CAE软件在冷弯成形过程研究中起到了巨大作用，但进入实际的工业应用还有相当长的路要走；（2）直接利用现有的、比较成熟的有限元软件进行冷弯成形过程的仿真比较现实和可行。

参考文献：

[1]石京，王先进.国内外冷弯成形研究最新进展.轧钢.1998，10（5）.

[2]徐树成.辊弯成形的三维大变形有限元模拟.秦皇岛：燕山大学学位论文，1997，12.

[3]陈火红.MARC有限元实例分析教程[M].北京：机械工业出版社，2002.

[4]MSC中国有限公司.MSC.Marc软件技术报告，2000.