板材塑性成形虚拟技术发展探析

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1、板材塑性成形虚拟技术发展探析板材塑性成形是利用金属板料在固定状态下的塑性，通过模具及外力的作用而制成零件的一种机械加工方法。与切削加工等方法相比，板料塑性成形不仅具有更高的生产效率，而且能获得更高的材料利用率，因而在国民经济中得到了极为广泛的应用，特别是在航空、宇航、汽车、造船、电器、五金等工业部门，板料塑性成形都是必不可少的主要加工方法。钱金件的生产与应用，特别是汽车工业的发展，是一个国家工业化程度的标志。世界工业发达国家汽车厂商为占有市场，几乎每年都有款式新颖、质量优良、性能先进、装饰舒适的新车型面市。除

2、规模效益外，竞争取胜，要靠先进的科学技术，大力缩短改型换代的周期。板材成形过程是一个大挠度，大变形的塑性变形过程，涉及金属板在拉深和弯曲的复杂应力状态下的塑性流动，塑性强化，以及引起的起皱，破裂和回弹等缺陷问题。同时，冲压过程也是一个复杂的多体接触的力学分析问题。因此，对冲压成形过程中板材的成形性而言，单凭经验很难预先估计，致使模具设计正确性难以评价，往往要等模具加工后试模时问题才能暴露出来,给模具调试造成极大困难，甚至导致模具报废，利用板料成形模拟技术可以及早发现问题，改进模具设计，从而大大缩短模具调试周期

3、，降低制模成本。板材的成形分析可在多方面对冲压生产提供有力的技术支持；在设计工作的早期阶段，评价成形件及其模具设计、工艺设计的可行性；在试冲试模阶段，进行故障分析和解决实际发生的问题；在批量生产阶段，用于零件的缺陷分析，改善扳金件的生产质量，同时可用来调整材料选择，降低成本。这样可以避免用实际制造出来的模具进行调试所带来的巨大浪费。这项工作又称为板料成形的计算机辅助工程分析(CAE)。在汽车工业中，由于车身覆盖件的精度要求越来越高，在传统的冲压生产过程中，无论是覆盖件模具的设计、制造,还是坯料形状和尺寸的确定

4、，冲压工序、工艺参数的规划，都是设计制造原型，经过多次试生产和多次调试修正才能确定，这是一个试错逼近的过程，需要人力、物力和财力的大量消耗，生产成本高，周期长。随着计算机技术和有限元技术的快速发展，板料成形过程的有限元模拟技术提供了解决这一难题的有效手段。板料成形有限元术可以追溯到20世纪60年代，它是伴随着非线性介质力学理论、有限元理论和计算技术的发展而逐步发展起来的。由于板料成形数值模拟技术涉及到连续介质力学中材料的非线性、几何非线性、状态非线性等强非线性的计算，难度很大。在材料的本构关系中，用于板料成形

5、分析的非线性有限元主要采用弹塑性有限元法，并由Hibbit等人采用Euler描述分别建立了大变形弹塑性有限元列式。适用于大变形问题的有限元的非线性有限元的法提出后，在板料成形模拟中得到了广泛的应用，解决了大批以前用经典方法无法解决的问题。在早期板料成形模拟尚处于探索阶段时，研究工作就已逐渐展开。经过一定时期的发展，板料成形模拟在世界各地蓬勃展开，研究进入了快速发展阶段。三年一届的工业成形中的数值方法和板料成形数值模拟国际会议集中反映了这方面的研究工作的进展情况。这些国际会议交流展示了板料成形分析发展的各个方面

6、，内容涉及新材料模型研究，成形模拟、缺陷及失稳分析、本构方程建立、程序前后置处理、FEM程序开发及与CAD系统连接等。从二十世纪70年代后期开始，经过二十多年的发展，板料成形技术逐渐走向成熟。目前，板料成形过程的计算机仿真已经走出理论研究和软件开发阶段，正进入实用化阶段，已形成商品化的板料成形分析软件。在世界范围内，美、法、德依次处于该技术的领先地位，已经推出了商品软件。并已得到了许多工业部门广泛应用。美国的通用、福特的大众、奔驰、日本的丰田、日产等大型汽车制造公司，都已开始应用板料成形分析CAE软件指导板料

7、成形件的开发和生产，产生了很好的经济效益。随着我国汽车、飞机等工业的发展。板料成形过程分析的需求日益迫切，板料成形CAE软件在我国应用越来越广泛。我国对板料成形技术的模拟仿真等方面的研究仍属起步阶段，研究工作主要集中在少数重点大学，如西北工业大学，上海交通大学，吉林大学，华中科技大学等，少数企业如一汽、上汽及一些研究所等开始引进国外软件，如美国开发的ANSYS,DYNAFORM,欧共体五国开发的PAM-STAMP2G,瑞士联邦工学院开发的AutoForm等。由于缺乏售后服务支持，更多地靠自己在实践中探索试用。

8、由此带来了许多缺点。同时国内大学也自主开发了相应的软件，如北京航空航天大学自主开发的SheetForm；吉林大学与吉林金网格模具工程研究中心联合开发的KMAS,成功的解决了我国汽车工业车身的自主开发与模具制造的“瓶颈”问题，现已经拓展到航空、通信等其它与冷冲压相关的行业。板料成形是一个具有几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等多重非线性的非常复杂的力学过程。其有限元数值模拟有很多模型和方法还不是十