材料成形過程模擬技術及其應用研究

王 磊

（天津冶金職業技術學院，天津 300000）

材料成形對于中國經濟來說是十分重要的，但我國很大一部分材料都來源于國外的進口，費用及其高昂，而且產品的研發周期很長。然而對材料的研究需要花費巨大的金費，這個也是我國材料生產困難的原因之一。所以，要想在國內自由生產材料，軟件模擬技術是非常必要的，只有當國家擁有了成熟的軟件模擬技術，才能從根本上解決我國材料落后的難題[1]。

1 材料成形模擬之塑料注射

1.1 利用仿真軟件分析翹曲變形

注射成形工藝參數的優化是一個非常廣泛的問題，而分析工藝過程和優化各參數是一個復雜的問題。如果工作人員只考慮冷卻系統的優化設計，他們只需要確定冷卻介質回路的布置、模具材料的選擇、冷卻介質的用量、入口溫度、流量以及流道的尺寸即可。而如果塑件形狀復雜，流道的洗出方法有多種類型，加上其他因素，設計人員則需要考慮很多方面。如果完全依靠設計者的經驗，將花費大量的人力、物力和時間，并且很有可能造成模具的壽命結束，所以仿真分析具有很大的優勢。在仿真分析中會像實際一樣考慮相同的因素，需要在環境改變的情況下識別重要因素，重點確定一些結果。

下面就是用簡單的方法來說明重要參數的選擇的基本方法，先設計兩個具有不同參數的冷卻系統，一個系統只具備一層冷卻管，另一個系統具有兩個冷卻管。再假設有一個零件是圓形塑料蓋，它的配合要求高，而且表面質量好，該零件的主要尺寸:外徑58mm。內直徑10毫米。厚度3.2mm，凸臺外徑28mm，高度3.2mm。該零件采用注塑成形，澆口位置位于圓形側壁，以保證外觀質量。該零件為平板式零件，厚度較薄，且沒有加強肋，所以該零件容易冷卻變形。為了縮短冷卻時間，提高生產效率，設計人員是希望在注射模具中通過冷卻介質完成熱交換，使注射時零件各處溫度更均勻。根據仿真的結果，分析這兩個系統的最大噴射壓力;填充效果;冷卻效果;壓力的大小和分布等，發現這兩種冷卻系統的生產率差別很小，但是由于兩種不同的冷卻系統的設計，導致了溫差和壓力的差異。由于這個零件薄平面部分的特點,所以對彎曲非常敏感，而因為冷卻管路2內的溫度和壓力比較均勻，所以翹曲較小。

1.2 利用仿真軟件分析模具本身的變形

注塑成形分析軟件考慮的結果分析流動過程是基于假設模具本身并不是變形而注入,但在實踐中,模具本身具有大變形,因為注射的強烈影響,在許多情況下,一個偉大的對產品質量的影響,我們必須充分考慮其自身的變形，但是注塑成形分析軟件是不能進行這種分析的，結構分析軟件ANSYS就具有這種強大的功能。在使用結構分析軟件進行巖心變形分析之前，首先要知道巖心所受的壓力。現在直接計算核心的壓力不太可能,但是注塑模具CAE軟件可以到處塑料部分的壓力軸承在注射過程中,出生的壓力腔和核心,過程中塑性流動腔和核心是由壓力影響的大小、流向,零件形狀等等。巖心的具體壓力與CAB軟件的結果一致，目前進行類似的估算。通過與實際情況的比較，表明綜合運用Moldflow和ANSYS可以得到真實、全面的注塑流動過程和模具本身的變形仿真，可以為模具設計提供更有價值的參考。對于容易部分變形的材料來說，由于體積較大，且壁薄，這使得塑料流動性較差，注塑成形壓力要求較大[2,3]。

2 材料成形模擬之鑄造

2.1 利用仿真軟件分析鑄造工藝

鑄造過程作為材料生產工藝的基礎，是整個材料生產過程中保證高溫，連續，高實時性能的關鍵。由于物理化學變化和不確定性，材料鑄造工藝的高度復雜性導致了其生產計劃、調度、物流平衡等子問題的復雜性。傳統的基于數學模型的優化方法難以解決這類問題。同時，由于人力處理能力有限，人工方法無法保證質量。然而，隨著計算機技術的飛速發展，特別是計算能力和計算速度的發展，計算機仿真理論和虛擬現實技術取得了巨大的成就。計算機仿真是解決復雜問題和評價復雜系統的有效手段。在鑄造過程中使用計算機進行數學建模對生產過程進行研究由來已久。這種方法的優點是降低了現場測試的成本。在引進新技術或將新產品投入生產之前，必須進行相當昂貴的試驗。其中一些測試可以轉移到虛擬域，這大大降低了成本。另一個好處是縮短了引進新技術和啟動新產品的時間框架，因為使用數學模型的部分測試可以更快地完成。在模擬過程中同時使用數學模型還可以預測情況的變化，并提前做出管理決策，例如設施的維護，這降低了他們失敗的可能性。基于agent的仿真技術是面向對象仿真技術和人工智能技術的綜合發展。采用智能agent仿真系統作為建模和仿真的基本要素可以使鑄造過程在運行模式、控制模式和部署模式上發生了重大變化。結合實際鑄造工藝與模擬仿真技術可以產生一種基于契約網機制的協商機制，以靈活完成工廠布局，實現多種目的，滿足不同工廠的不同需求。

2.2 利用仿真軟件分析固化模型

由于固化反應的放熱效應非常強，因此固化階段的溫度分布起著重要的作用。在此過程中樹脂已停止流動，不再需要連續性方程、動量方程、流鋒推進方程和粘度模型。因此，可以進一步簡化能量方程和傳質方程，通過對固化動力學模型積分將模型的鑄造仿真出來。仿真中使用的三維幾何模型及其離散化需要借助專業生成器,這些生成器可以產生大量節點和線性六面體元素，然后將這些離散參數導入需要的材料參數和其他參數模擬。此外，在固化仿真中還應該選擇一些關鍵點安裝熱電偶來監測溫度歷史。

3 材料成形模擬之板料沖壓

3.1 利用仿真軟件分析整體工藝

板料成形廣泛應用于汽車零部件的制造。近70%的汽車零部件是通過沖壓工藝制造的，目前有十分之一的困難。沖壓產品質量的幾個主要問題是起皺和屈曲，撕裂，厚度均勻性，回彈和殘余應力。沖壓件的質量受到拉進模腔的材料數量的影響。如果材料的流動性過大，就會起皺。在物料流動不足的情況下，會發生撕裂或分裂。為了避免影響和改善產品的成形性和質量,一些有效的補償的方法已經被使用,比如調整壓邊力的分布和價值,改變了當地的潤滑條件,調整拉延筋的布局或幾何形狀,優化毛坯形狀,等等。這些方法無需修改拉延模的結構和型腔形狀，即可方便地投入使用。因此，確定壓邊力、潤滑條件和拉延筋設置等工藝參數是復雜沖壓件工藝設計的關鍵內容之一。然而，大多數時候，這可能是一個真正的挑戰，因為傳統的工藝布局仍然是基于“試一試”的方法，基于成形模擬的沖壓CAE技術在過去的十年里大大改善了這種情況。這加快了鈑金成形從試驗工藝向科學技術驅動的工程過程的歷史性轉變。

3.2 利用仿真軟件分析約束力

在成形模擬過程中，為兼顧計算時間和計算精度，將坯料力和潤滑劑等效為邊界摩擦力，采用庫侖摩擦定律求解，一般將拉延筋建模為一條沿其施加抑制力的直線。將目前流行的摩擦力和拉延筋阻力的處理方法直接添加到有限元大變形平衡方程的右項式作為正力。而在實際成形過程中，上述約束力是材料流入模腔時產生的與坯料運動方向相反的被動力。由于摩擦力和拉延筋阻力與彈簧非常相似，在數值模擬過程中可以等效為彈簧。國外一些設計人員利用罰函數處理了塊狀金屬成形過程中的邊界摩擦力。此外，不少設計人員還通過引入在法向和切線方向上相互獨立的線性彈簧單元進行處理，該方法可以保持約束剛度矩陣的對稱性。設計人員還可以利用一種新的摩擦力、拉延筋阻力等約束的數值處理方法，基于彈塑性大變形動態顯式增量法，將線性彈簧單元等效為邊界摩擦力和拉延筋阻力。通過對汽車蓋板外板的成形過程進行仿真得到的結果，仿真結果與試驗結果式吻合較好的。

具體來說，在成形模擬過程中，壓邊力、拉延筋和潤滑等邊界條件產生的約束均為外力，并作為邊界條件處理。壓邊力是分布的。考慮厚度變化對壓邊板內各節點分布的影響，通常在動態顯式有限元公式的右項直接添加摩擦力增量向量和等效拉延筋模型，處理方法較為簡單，但不反映摩擦阻力和拉延筋阻力的被動性。由于在數值模擬中采用小增量步長，將前一個增量步長的摩擦力增量和拉延筋阻力增量直接添加到正確的項上，可能導致較大的誤差。產生誤差的主要原因是直接加在右項上，被動力增量變為正力，還有每一增量步間外部約束力的值和方向的變化。雖然這兩個問題在仿真軟件中會經常出現，但是這兩個問題可以通過引入線性彈簧元件解決。

4 結論

對于材料成形來說，直接采用實物進行設計非常昂貴且浪費時間，采取模擬技術則可以解決這些問題，提高材料成形效率。