輥彎成型有限元模擬的軟件綜述

趙生蓮

摘 要： 文章詳細(xì)介紹了用于輥彎成型的有限元模擬軟件，比較了其在成型過程模擬應(yīng)用中各自的優(yōu)缺點，說明了通用CAE軟件得以廣泛應(yīng)用而專用CAE軟件沒推廣的原因，并指出了CAE軟件未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞： 輥彎成型 有限元模擬 軟件

在冷彎型鋼企業(yè)生產(chǎn)成本的很大一部分耗費在成型輥的調(diào)整和產(chǎn)品的試生產(chǎn)階段。采用冷彎成型過程的計算機模擬與仿真技術(shù)，能在一定程度上對設(shè)計和生產(chǎn)中的問題進(jìn)行預(yù)測，并提出相應(yīng)的處理方法，這樣就可以比較合理地進(jìn)行軋輥設(shè)計，有效減少生產(chǎn)調(diào)試時間，提高生產(chǎn)效率，減少原材料的耗費。

1.冷彎成型專用CAE軟件

專用軟件主要是指以CAE軟件為支承平臺，具有針對性、解決具體問題的實用軟件系統(tǒng)。用于冷彎成型的專用軟件軟件目前比較流行的有澳大利亞的CADROF、英國的ORTIC、我國韓志武開發(fā)的CFES（輥彎成型輥型設(shè)計專家系統(tǒng)），還有法國的M.Brunent的PROFIL，我國的徐樹成博士開發(fā)的平板軋制模擬程序EPFEP3，德國dataM公司的COPRA中增加的有限元仿真模塊COPRA.FEA即（已商業(yè)化），Duggal和Altan等人編制的RFPASS，Haritos等人開發(fā)的優(yōu)化的網(wǎng)格生成器，韓國的SukmooHong開發(fā)的相應(yīng)軟件等均屬于此類等。這些專用軟件大多系統(tǒng)地歸納了輥彎成型領(lǐng)域的理論成果、相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及大量的實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式，大體上實現(xiàn)了設(shè)計、管理、生產(chǎn)的一體化，方便了用戶使用。

但是，這類軟件中的國產(chǎn)輥彎專用軟件零碎分散，功能單一，研制開發(fā)者也沒有積極推廣使用。而國外專用軟件價格昂貴，令我國眾多的中小企業(yè)望而卻步。就目前掌握的資料所知，只有德國Data.M公司開發(fā)的COPRA軟件在國內(nèi)有企業(yè)使用，但用戶也不多，其他同類軟件未見報道有國內(nèi)用戶使用的報道。

2.通用CAE軟件

通用CAE軟件主要由有限元軟件、優(yōu)化設(shè)計軟件、計算流體軟件、電磁場計算軟件、最優(yōu)控制軟件和其他專業(yè)性的計算軟件組成，下面對目前主流的通用CAE軟件進(jìn)行一一介紹。

（1）MSC.MARC。繼1971年MARC推出的第一個版本MARCA1，MARC便成為全世界線性有限元技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)者，得到全世界和學(xué)術(shù)界的大力推崇和應(yīng)用。許多現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的有限元技術(shù)就是開發(fā)工程師在MARC公司首先發(fā)展起來的，MARC公司始終領(lǐng)導(dǎo)全世界有限元技術(shù)的發(fā)展方向。MSC.MARC和德國COPRAROLLFORM相結(jié)合，可以對冷彎過程進(jìn)行有限元模擬，其工作快速，結(jié)果可靠，是冷彎有限元模擬的最佳產(chǎn)品，不過由于其價格昂貴（一套需要5萬歐元），在國內(nèi)還沒有單位和個人購買。國內(nèi)材料加工業(yè)對于MSC.MARC的主要應(yīng)用集中在中厚板軋制、板坯連鑄、連軋、模具應(yīng)力分析等方面。

（2）HSK.ABAQUS。ABAQUS是國際上最先進(jìn)的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有廣泛的模擬性能，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題。在材料加工行業(yè)里面：ABAQUS中剛體、接觸、顯式分析和隱式分析無縫集成，以及獨有的機械和機構(gòu)耦合分析等功能為各種材料成型分析提供了強有力的武器。在國內(nèi)，上海寶鋼利用朋ABAQUS對鋼鐵的主要成型過程進(jìn)行模擬，效果很好。德國冷彎專業(yè)設(shè)計軟件PROFIL和ABAQUS可以無縫結(jié)合，其模擬的效果是最接近實際情況的。

（3）ANSYS。美國ANSYS公司成立于1970年，其致力于CAE技術(shù)的研究和發(fā)展，通過以CAE技術(shù)幫助企業(yè)優(yōu)化設(shè)計流程。ANSYS/LS-DYNA是世界上最著名的通用顯式動力分析程序，能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題。1996年，功能強大的ANSYS前后處理器與LS-DYNA合作，命名為ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最豐富，全球用戶最多的有限元顯式求解程序。Ansys/LS-DYNA特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，在工程應(yīng)用領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包，與實驗數(shù)據(jù)的多次對比，證實其計算結(jié)果的可靠性。

（4）AltairHypeForm。AltairHypeform是一個強大的有限元模擬工具，主要應(yīng)用于金屬板料成形領(lǐng)域。應(yīng)用AltairHyperForm，可以對各種概念性模具設(shè)計方案進(jìn)行評估，最終得到優(yōu)化結(jié)果。此軟件的優(yōu)點有：精確計算出毛坯料外形尺寸，提高材料使用率；在產(chǎn)品開發(fā)初期，引進(jìn)可行性設(shè)計準(zhǔn)則，使產(chǎn)品性能提高；在虛擬條件下，觀察成形是否開裂與起皺，防止問題發(fā)生；HyperForm是一個強有力的工具，可以修改及驗證多種方案；工程師可以優(yōu)化不同的結(jié)構(gòu)特性，優(yōu)化可以具有多種約束條件；最大限度地縮短產(chǎn)品周期。

（5）DYNAFORM。DYNAFORM是由美國ETA公司開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件包，DYNAFORM可以預(yù)測成形過程中板料的破裂、起皺、減薄、化痕、回彈，評估板料的成形性能，從而為板料成形工藝及模具設(shè)計提供幫助。其主要特點有集成操作環(huán)境，無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，完備的前后處理功能，實現(xiàn)無文本編輯操作，所以操作在同一界面下進(jìn)行。求解器是采用世界著名功能最強的LS-DYNA，是動態(tài)非線性顯示分析技術(shù)的創(chuàng)始和領(lǐng)導(dǎo)者，解決復(fù)雜的金屬成形問題；工藝化的分析過程，包括影響板材成形工藝的60多個因素。

（6）DEFORM。DEFORM是國際上最著名的2D/3D成形加工和熱處理工藝模擬分析軟件，其主要的功能有：進(jìn)行冷、溫、熱的成形和熱傳導(dǎo)禍合分析；允許用戶自行定義材料數(shù)據(jù)庫、材料模型、壓力模型、破裂準(zhǔn)則和其他函數(shù)；提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息：可進(jìn)行大變形分析、殘余應(yīng)力和回彈分析、粉末冶金成形分析；完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機械壓力成形；多變形體允許分析多個成形工件或禍合分析模具應(yīng)力；可模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程：預(yù)測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量：可以分析各種材料晶向；可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來預(yù)測最終產(chǎn)品的硬度分布。它是體積成形工藝有限元分析最好的軟件。目前，它已在世界各大汽車、航空、鋼鑼泌司，以及眾多的大學(xué)和科研單位得到了廣泛的應(yīng)用，自進(jìn)入中國以來，DYNAFORM已在長安汽車、南京汽車、上海寶鋼、中國一氣、上海匯眾汽車公司、洛陽一拖等知名企業(yè)得到成功應(yīng)用。

由于通用CAE軟件普遍功能強大，穩(wěn)定可靠，用戶選擇余地大.且產(chǎn)品競爭激烈，因而價格比輥彎專用軟件低得多，且絕大多數(shù)軟件都提供二次開發(fā)工具及非線性分續(xù)輥式彎曲成型機組加工成型的產(chǎn)品，因此在國內(nèi)得以廣泛的使用，它將在一定時期內(nèi)為冷彎成形的研究作出很大貢獻(xiàn)。

3.結(jié)語

文中通過對CAE軟件及其在冷彎成型中的應(yīng)用的論述和介紹，得出如下結(jié)論：（1）CAE軟件在冷彎成形過程研究中起到了巨大作用，但進(jìn)入實際的工業(yè)應(yīng)用還有相當(dāng)長的路要走；（2）直接利用現(xiàn)有的、比較成熟的有限元軟件進(jìn)行冷彎成形過程的仿真比較現(xiàn)實和可行。

參考文獻(xiàn)：

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