鍛壓工藝仿真標準及案例驗證

劉 昊，陳 杰，周 成，居里鍇，蔣亞平

（1.南京理工大學，江蘇 南京 210094；2.中機生產力促進中心，北京 100044；3.中國北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

隨著計算機技術、網絡技術與有限元法的日趨成熟，新技術的不斷涌現，使得數字化仿真技術得到空前發展。數字化仿真技術在產品開發研制過程中的應用，改變了傳統機械設計制造方式，縮短了研發周期，降低了開發成本，提高了產品質量，并且能夠完成復雜產品的設計評估、訓練操作。

根據《國家智能制造標準體系建設指南（2018版）》要求，充分發揮標準的基礎規范、技術支撐和示范引領作用，促進仿真技術廣泛應用，從而推動機械行業全面建立數字化研發體系，形成智能化工廠創新模式，促進傳統企業向智能制造轉型。為響應智能制造要求，急需制定一批數字化仿真標準，滿足企業的迫切需求。

目前，我國機械產品制造業數字化仿真系統存在相關標準的缺失，導致企業對仿真技術缺乏系統認知，難以與生產實際相結合；機械產品制造工藝仿真領域還處于相對落后和混沌的狀態，既不利于機械制造業的提升，也不利于仿真技術的規范管理。因此，有必要對機械產品制造全過程應用數字化仿真相關理念進行普及，對仿真方法與應用要求做出規范。

本文通過分析仿真標準對于產品開發的重要性，開展了鍛壓工藝仿真的標準化工作，分析鍛壓工藝仿真的基本內容與仿真流程，最終運用實例驗證鍛壓工藝仿真標準的正確性與適用性。

1 仿真標準對產品開發重要性

在研究數字化仿真技術時，我們習慣性將仿真技術按照應用領域進行劃分，比如機械系統仿真、控制系統仿真、電子系統仿真等。可見，數字化仿真技術是一種將仿真工具與應用領域緊密結合的技術。脫離了工程實際與具體應用，仿真僅僅變成了計算機技術，失去了工程應用價值，也就無法達到推動仿真技術在機械行業企業廣泛應用的目的。因此，必須結合仿真技術在相關領域的應用，制定能夠滿足實際應用需求的標準，從而形成完整的能夠指導未來數字化仿真標準化工作的標準體系。

在數字化仿真現階段開展工程領域技術層次的標準化工作，及時挖掘發現并整理總結相關企業運用數字化仿真的成功案例與寶貴經驗，并加以消化吸收，綜合固化后可為其他單位提供可借鑒的應用方案，進一步發揮仿真技術應用標準在產品開發中的先導作用，從而使數字化仿真技術得以推廣并發揮其應有作用[1]。

2 鍛壓工藝仿真標準主要內容

2.1 鍛壓工藝仿真概念

鍛壓工藝仿真實質上就是在已知坯料幾何形狀、邊界條件、初始條件及工件材料的所有一切參數條件下利用有限元方法分析求解此組微分方程[2]。

鍛壓工藝仿真是指在計算機環境下動態顯示產品鍛壓成形過程，形象地顯示外部形狀、內部組織、缺陷、變形等變形體的演變過程，從而預測在不同條件下材料經過成形改性制成零件后的組織性能質量，特別是能夠及時找出易發缺陷的成因及消除方式。最后通過在虛擬條件下調整不同的工藝方案與參數，找出最優化工藝方案，將傳統工藝設計時優化工藝途徑通過計算機進行模擬并修改構思處理，從而節省投入研發成本、提高開發設計效率。

2.2 鍛壓工藝仿真主要步驟

在進行鍛壓工藝仿真技術應用時，主要步驟可分為5部分。鍛壓工藝仿真一般流程如圖1所示。

（1）通常對變形體進行網格劃分，得出有限網格節點，將變形體的節點速度和溫度作為求解變量。

（2）考慮坯料成形過程中的某一時刻，當變形體的速度場和溫度場求解出以后，通過對速度場進行積分便可得到變形體的位移場及變形體在某一時刻各點的坐標位置，據此可由幾何方程進一步計算出變形體的應變率。

（3）考慮材料屬性，將材料的本構方程由初始微觀組織、溫度、應變、應變率計算得出變形體應力值。

（4）利用微觀組織演化方程展現由初始微觀組織、應變、應變率和應力計算時出現的微觀組織變化。

（5）根據邊界應力可求得模具所受到的壓力值大小以及所需的壓機載荷。

3 鍛壓工藝仿真標準案例驗證

下面以熱沖壓成形的汽車B柱零件為例驗證鍛壓工藝仿真標準。采用有限元分析軟件ABAQUS，截取B柱“大頭段”進行熱沖壓成形分析，研究鋼板的高溫變形過程及溫度厚度變化。圖2為“大頭段”熱沖壓成形有限元網格模型。 上模（punch）、下模（die）、壓料板（binder）均為實體單元，板料（blank）采用殼單元。上模、下模和壓料板均采用剛體約束，板料為變形體，厚度為1.6mm。

定義材料屬性，根據測量得到材料的本構關系，確定材料密度、彈性模量、塑性模量、熱傳導率、比熱和擴散系數等參數。將材料分別賦予給模型部件。

設置接觸屬性，采用罰函數算法模擬摩擦接觸力，創建分析步實現工件與模具隨時間性接觸，從而實現上模、下模與壓料板在不同時刻與板料發生接觸。

采用顯式算法與溫度場位移耦合分析，網格類型選用四面體單元。對下模添加固定約束，壓料板下移與板料發生接觸后對板料持續施加壓邊力，此時上模向下運動實現板料的成形過程。熱沖壓成形運動完成后的溫度場、應力場與厚度分布如圖3～5所示，此模擬結果與實際鍛壓測量結果非常接近，驗證了CAD建模、CAE鍛壓分析中熱物性參數測量、材料屬性、邊界條件處理與接觸定義的正確性與適應性。

圖3 鍛壓模部件溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of forging die parts

圖4 板料厚度分布Fig.4 Sheet thickness distribution

圖5 板料應力-應變分布Fig.5 Sheet Stress-Strain Distribution

4 結論

數字化仿真是智能工廠的重要組成部分，而鍛壓工藝也是機械制造領域不可或缺的加工工藝。故開展鍛壓工藝仿真標準研究工作，通過鍛壓工藝仿真應用實例，吸納國際先進學術研究成果，歸納總結出符合行業需求與技術規定的通用要求。鍛壓工藝仿真標準為機械產品實現數字化仿真制造提供技術支撐和規范性指導，有助于仿真技術在產品全周期內的應用，促進和規范了機械產品工藝仿真的推廣與應用，有效提高機械產品質量，縮短研發周期，降低生產費用。