塑性成形过程中反向模拟技术的研究现状与发展趋势

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1、塑性成形过程中反向模拟技术的研究现状与发展趋势嫩性加工技术能够使材料实现成形和改性，在材料加工工程屮占有很重要的地位。在国际市场竞争、知识经济和绿色制造兴起的新态势下，塑性加工技术既面临严峻挑战又充满机遇。面向21世纪，迫切需要发展先进塑性加工技术，使塑性加工产品朝着轻量化、高强度、高精度、高效、低消耗以及数字化和智能化的方向发展。其中，实现产品的精密塑性成形（净形塑性成形或近净形塑性成形）技术已成为当今熨性成形技术发展的一个重要方面。精密塑性成形技术是指坯料经塑性成形后，仅需少量加工或不需加工，就可用作机械构件的成形技术。采用精密塑性成形技术能优质、低成本、短周期、高效、

2、洁净地实现儿乎“完全零件形状”的生产，符合绿色制造技术发展的要求。然而，采用原始坯料一次成形通常也会出现诸如充不满、折叠、裂纹等许多质量问题。为此，在进行最终成形前，往往进行一次或多次预成形。因而，进行预成形设计己成为提高产品质量，实现精密塑性成形技术的一个关键环节。传统的预成形毛坯设计采用的是基于以往经验为指导，并结合物理模拟的方法。该方法由于经验性强，应用起來十分困难；而作为预成形毛坏设计的手段以及可用來验证预成形毛坏合理性的物理模拟，是通过试错完成的，这就要耗费大量的人力和物力，而且周期长。随着计算机技术的飞跃发展和塑性成形理论的不断进步，数值模拟己成为研究和发展塑性

3、成形技术的强有力丁具。通过在计算机上反复修改预成形毛坯形状，可以实现对和密塑性成形过程的模拟，但这种方法要消耗人量的计算时间，而但也往往很难得到合理的预成形毛坏。为了实现预成形毛坯设计的高效化、数字化和智能化，在80年代，国外学者提出了塑性成形过程中反向模拟的先进技术。反向模拟方法是从给定的最终成形件形状和过程条件岀发，沿与成形过程相反的方向模拟，反演出预成形毛坯从而得到令人满意的设计方案。本文详细阐述了反向模拟技术的研究进展，并讨论了其存在问题、发展趋势及以后研究的重点。1、反向模拟技术的研究进展1.1基于上限元的反向模拟技术的研究进展」邛艮元法是塑性加工领域屮-•种近似

4、的数值求解方法，这种方法把零件和模具的边界轮廓简化为直边界，建立的模型比较简单，因而实施方便，计算量小。早在80年代初，Osman等就提出了基于上限元反向模拟的预成形设计技术,并指出由于反向模拟的分析过程从零件最后形状开始，不同于正向模拟，某些成形参数难以确定，所以反向模拟分析和正向模拟分析并用是菲常重要的owramley发展了上限元反向模拟技术，提出了使总的能量耗散率取极小值的速度场预成形设计的方法。杜忠友随一伽等研究了基于上限元反向模拟结束位置的确定、材料边界脱离模腔内壁的顺序等技术问题，提出了寻求最佳坯料和预成形工步优化设计的方法，并采用上限元反向模拟技术设计了齿轮锻

5、件的预成形毛坯，提高了材料的利用率，降低了设备吨位。刘庆斌等采用该技术对截面为“H”型的轴对称锻件的锻造过程进行了反向模拟和预成形设计，并用有限元正向模拟来修正上限元反向模拟结果，得到了和实际相符的预成形毛坯。对于能建立轴对称的流动模型的预成形问题，基于上限元的反向模拟技术比较适合，因此上述预成形设计均取得较为满意的设计结果。薛克敏等将叶片成形过程假设为二维平面应变问题，针对上限元反向模拟叶片成形过程中所遇到的脱模准则的建立、单元边界速度的确定等关键技术展开了研究，并确定了叶片的预成形毛坯，但是只考虑了分流面在竖直方向的悄况。孙胜等提出了一种上限元模拟块技术，用模拟块来演化

6、中间形状，可以省略形状选择判据的建立和边界条件的转换等问题，并总结了上限元反向模拟的技术更点，成功地对连杆等零件进行了预成形设计。Chang等提出了tetrahedra1单元的上限元分析方法(TEUBA),并将其应用于反向模拟，为了保证预成形毛坯儿何形状的简单性•采用了通过材料分配估计零件形状复杂程度的方法，并对三凹槽的平面应变零件进行了预成形设计。上限元反向模拟技术需要建立的模型比较简单，计算量小，比较适合于轴对称类零件和一些特殊形状的平面应变类零件的预成形设计。但是上限元法采用了单元内平行速度场的假设，单元间存在速度间断；反向模拟时需要把零件轮丿郭简化为直边界，并假定在

7、某一时刻某条边界脱模。因此，上限元反向模拟只能预测形状简单的零件预成形毛坯，对于形状复朵的零件所预测出的预成形毛坯结果的精度不高，会岀现失真现象。1.2基于有限元反向模拟技术的研究进展由于有限元法可以全面地考虑变形过程中各种边界条件和初始条件的影响，对于复杂成形过程，有限元法可以给出全面且精确的数值解，是分析塑性成形问题最有力的工具之一。应用有限元反向模拟技术來设计预成形毛坯，已成为塑性成形领域中预成形毛坯设计的发展趋势。基于有限元反向模拟技术于1983年由Park等提出，并对简单的圆柱体徹粗过程进行了反向模拟，从