金属塑性体积成形模拟仿真实验

俞彦勤

摘  要：介绍了金属塑性体积成形模拟技术的基本原理，分析了基于DEFORM-3D金属塑性体积成形模拟仿真的流程。以金属成形基本工艺镦粗为例，叙述了金属塑性体积成形模拟仿真的具体步骤，包括模拟项目设置、对象操作设置、网格划分、模具设置、对象接触定位、创建数据库、模拟解算以及后处理操作。其分析结果可供金属塑性体积成形工艺制订及模具设计时参考与借鉴。

关键词：金属塑性成形;有限元法;模拟;镦粗

中图分类号：G301 文献标志码：A 文章编号：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

金属塑性体积成形是通过模具对原材料进行压力加工，以获取所需工件形状的技术，由于其制作高效、力学性能优而广泛应用于汽车、航空、机械电子等工业领域，在现代制造业中具有不可替代的作用。金属塑性体积成形过程，通常是在“高温、高压力、环境严酷”的条件下进行，由于模具与工件之间的摩擦现象、材料温度、微观组织变化及其对制件影响等都是十分复杂的问题，这使得塑性体积成形工艺及其模具设计缺乏系统的设计理论，主要依据技术人员长期积累的經验，因而造成人力、财力及时间的浪费。随着计算机技术的飞速发展，通过计算机模拟仿真技术，人们以较小的花费、快速找到其最优设计方案。

1 模拟仿真的基本原理

塑性力学的基本方程中包括15个未知量，且是高阶偏微分方程，一般很难得到精确的解析解，而采用有限元法对金塑成形过程数值模拟成为可能。热态下的金属塑性体积成形过程模拟是基于刚塑性有限元理论，其基础是Markov变分原理和虚功原理，并先对塑性体积不变的约束条件进行处理。Markov变分原理表述为：在所有满足应变率-速度关系、体积不变条件和速度边界条件的动可容速度场中，真实速度场使势能泛函为极小。为了满足塑性变形体积不变条件，采用Lagrange乘子法或罚函数法来修改泛函，以消除体积不变的约束，这也是一些商用软件（如DEFORM）软件的核心算法。

2 金属塑性体积成形模拟流程

本项目采用DEFORM-3D软件，对金属塑性体积成形工艺进行计算机模拟，其成形过程模拟流程如图1所示。

DEFORM-3D软件模块结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。前处理器包括数据输入、网格的自动划分及再划分、数据传递三个子模块，其中数据输入模块用于输入速度场、温度场、边界条件、冲头行程、摩擦系数等初始数据。模拟处理器：DEFORM软件运行时，先通过有限元离散化，将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线性方程组，再通过直接迭代法和Newton-Raphson法进行求解，并将求解结果以二进制的形式进行保存，用户可在后处理器中获取模拟结果。后处理器：得出有限元计算分析结果，如应力场、应变场、等效应力、等效应变、速度场、温度场、压力行程曲线等。

3 模拟实例

本项目以金属体积成形中的基本工艺-自由镦粗为例来叙述DEFORM-3D软件的模拟仿真的具体步骤。

3.1 前处理

（1）模拟项目设置：打开DEFORM-3D软件，点击“文件（file）”，在下拉菜单中选择“建立新的模拟项目”，问题设定类型为“成形（Forming）”，单位设置为国际单位制“公制（SI）”，指定模拟文件存放位置，给出模拟项目名称“镦粗（upset）”。以上设置完成后，软件自动进入前处理模块。

（2）操作设置：选择物理单位为“公制（SI）”，命名操作名为（Operation 1），工艺类型为“热锻（Hot forging）”，温度计算只考虑坯料的非绝热温度计算，坯料形状复杂系数取“适中（Moderate）”，工件形状设置为“零件整体（Whole  part）”，对象数量为3，即：坯料（Workpiece）、上模（Top die）、下模（Bottom die）;坯料 （Workpiece）属性为“塑性体”，加热温度“始锻温度1200℃”，材料选为25号钢，坯料几何形状可选“导入坯料几何形状（Import geometry）”，对于简单坯料形状，DEFORM-3D软件也可直接构造几何体，即选择“定义基本几何形状（Define Primitive geometry）”。本例采用“定义基本几何形状（Define Primitive geometry）”，设置坯料尺寸为Φ15mm×50mm和Φ15mm×30mm两种毛坯。