金属体积塑性成形过程数值模拟技术与仿真系统

介绍了金属体积塑性成形过程数值模拟方法、关键应用技术及其仿真系统的构成和国内外相关软件系统，对二维、三维有限元网格自动生成技术进行了较为详细的论述，综述了金属塑性成形过程优化设计方法、有限体积法以及无网格方法的国内外现状。最后给出了目前存在的问题及其将来应努力的方向。     

金属体积塑性成形过程数值模拟技术与仿真系统

介绍了金属体积塑性成形过程数值模拟方法、关键应用技术及其仿真系统的构成和国内外相关软件系统，对二维、三维有限元网格自动生成技术进行了较为详细的论述，综述了金属塑性成形过程优化设计方法、有限体积法以及无网格方法的国内外现状。最后给出了目前存在的问题及其将来应努力的方向。     

基于缺陷控制的DP980高强钢三维变截面辊弯成形有限元仿真

三维变截面辊弯成形时,辊组共轭空间曲线扫出空间曲面时仅能控制该曲线上的一点,存在非控制区,因此造成变截面辊弯过程中底部腹板具有"自由变形区",出现成形缺陷。基于双齿条单齿轮轴系结构的三维变截面辊弯成形装备,提出缺陷控制方法,并基于ABAQUS有限元仿真软件,建立缺陷优化仿真模型。针对DP980双相钢材料进行某汽车构件成形全流程有限元仿真,获得板材成形过程中复杂的变形规律、轧辊成形力与回弹预测。仿真结果表明,缺陷控制方法效果明显,成形件质量较好。通过成形实验进一步验证了缺陷控制的有效性,成形质量与仿真结果基本保持一致。     

连接管件内径滚压成形有限元模型的建立及分析

本文主要对V型连接管件内径滚压成形三维有限元模拟中的关键问题进行了研究。对实际加工中的模具进行了必要的简化, 建立起符合实际加工过程的有限元仿真模型, 对坯料网格进行合理的划分, 给出模具与坯料间接触区约束及速度边界条件的处理方法。结果表明, 有限元仿真能比较真实地反映实际加工情况; 变形区的速度场反映了金属产生塑性变形填入套管齿槽的成形行为; 得到了齿槽宽度对连接件的成形性及成形载荷的影响。该模拟计算对于探索复杂的内径滚压成形规律具有重要意义。     

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形研究进展

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形关键理论与技术研究,既是先进塑性成形学科前沿领域中的关键和挑战性课题,又是航空航天高技术发展的迫切需求。文章以局部不均匀加载实现通常极难的板面内弯曲成形为切入点,发展了控制不均匀变形以实现精确塑性成形的理论与技术,为我国先进飞机发展面临的大型复杂整体钛框成形制造难题的解决,提供了启示。建立了薄壁管数控弯曲失稳起皱、回弹、截面畸变预测和成形极限分析的模型、过程仿真和优化设计的方法;揭示了其关键影响因素和影响规律;实现了难度很大的薄壁管小弯曲半径数控弯曲精确成形。建立了多道次普旋、曲母线和带内筋件强旋等复杂过程三维仿真模型,提出了解决不均匀变形导致的复杂成形缺陷和旋轮轨迹优化设计难题的方法。解决了大型铝型材先进等温挤压中迫切需要解决的多场耦合作用下温度与速度效应和控制的重大难题。发展了复杂环件辗扩过程和控制仿真的三维有限元模型以及临界摩擦系数确定的解析-数值方法;总结了冷辗扩3种塑性变形行为及多因素耦合对辗扩过程的影响;提出了率相关晶体塑性模型在有限元中实现的稳健算法,实现了冷辗扩宏观变形行为的细观响应描述。     

任意模具形状的金属三维体积成形过程刚塑性无网格RKPM分析方法

将无网格方法引入三维金属体积成形分析,在给出基于刚塑性流动理论的三维无网格再生核质点方法及其基本理论方程的基础上,为了提高分析系统的通用化和自动化,采用网格法来描述任意形状的三维模具型腔曲面,给出了三维无网格法数值模拟系统中动态接触边界自动处理的非线性接触算法,实现了任意模具形状的三维体积成形过程的无网格法数值模拟。对上模为半球形的三维立方体塑性变形过程进行了数值模拟,并与三维刚塑性有限元体积成形商品软件Deform3D的计算结果作了比较,验证了本文方法的正确性。     

塑性成形三维数值模拟中的模具几何描性技术

详细讨论了塑性成形有限元三维数值模拟中主要几种模具几何描述优缺点，对塑性成形三维数值模拟中的模具几何描述方法的选取具有重要的参考价值。本文还总结了塑性成形有限元三维数值模拟中模具同和何描述技术的发展趋势。     

筒形件正旋隆起及旋压力三维有限元模拟分析

应用有限元软件MSC．Marc，对TC4筒形件热旋正旋成形过程进行三维弹塑性有限元模拟研究，建立起正旋成形的三维有限元计算模型，分析了旋压加工中隆起现象，计算了旋压力，得到了工艺参数对隆起及旋压力的影响关系。该模拟计算对于探索复杂的旋压成形规律具有重要意义。     

塑性成形三维数值模拟中的模具几何描述技术

详细讨论了塑性成形有限元三维数值模拟中主要几种模具几何描述技术的优缺点，对塑性成形三维数值模拟中的模具几何描述方法的选取具有重要的参考价值。本文还总结了塑性成形有限元三维数值模拟中模具几何描述技术的发展趋势。     

复杂杯杆型零件成形工艺的比较研究

采用基于热力耦合的刚粘塑性有限元方法对复杂杯杆型典型零件－－钏形罩预成形件多种温热成形工艺进行了有限元仿真，得到了变形流动规律和力能参数，并进行了相关实验研究，其结果对复杂杯杆型零件温热成形工艺的选择有指导和参考作用。     

HEXAHEDRAL ELEMENT REFINEMENT FOR THE PREDICTIONCORRECTION ALE FEM SIMULATION OF 3D BULKING FORMING PROCESS

Based on the characteristics of 3D bulk forming process, the arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)formulation-based FEM is studied, and a prediction-correction ALE-based FEM is proposed which integrates the advantages of precisely predicting the boundary configuration of the deformed material, and of efficiently avoiding hexahedron remeshing processes. The key idea of the prediction-correction ALE FEM is elaborated in detail. Accordingly, the strategy of mesh quality control, one of the key enabling techniques for the 3D bulk forming process numerical simulation by the prediction-correction ALE FEM is carefully investigated, and the algorithm for hexahedral element refinement is formulated based on the mesh distortion energy.     

Finite element simulation and experimental investigation of forming micro-gear with Zr–Cu–Ni–Al bulk metallic glass

Bulk metallic glasses exhibit some unique physical properties as compared to their corresponding crystalline alloys. Due to the superplasticity by behaving like a Newtonian fluid in their supercooled liquid region, the bulk metallic glasses can be used to make high strength microparts by net-shape forming. In this paper, the compressive tests of Zr–Cu–Ni–Al metallic glass are performed with different strain rates at a temperature of 683 K. According to the experimental results, the forming evolution of a metallic glass micro-gear is simulated using a finite element simulation software DEFORM 3D, and the forming load is predicted at different processing parameters. Meanwhile, the filling stages of bulk metallic glass in the micro-gear mold cavity are investigated by finite element simulation and experiment. The predicted workpiece geometry shows good agreement with experimental result. The forming experiments for micro-gear of Zr–Cu–Ni–Al metallic glass are carried out by hot embossing process, and the amorphous micro-gears are obtained successfully. It is found that the finite element simulation results are in reasonable agreement with the experimental observation.     

Zr_(55)Cu_(30)Al_(l0)Ni_5块体非晶合金微反挤压试验与数值模拟

采用反挤压试验结合数值模拟的方法,研究了块体非晶合金在过冷液态区内成形微小零件的变形行为。首先采用材料压缩试验确定非晶合金的成形温度和成形速率,并用Deform3D软件模拟压缩试验过程,以寻找一个和非晶合金成形过程类似的材料,获得一个相似的本构关系,用于后续反挤压过程的模拟。在此基础上,进行了外径为1.2mm,内径1.0mm圆筒形零件的反挤压试验,研究了温度和冲头速率对反挤压力的影响,结果表明成形温度对反挤压力的影响较大,而成形速率对反挤压力的影响不显著。采用SEM观察成形件的表面形貌,发现零件的尺寸精度较高,表面精度较差。计算表明挤压过程中的摩擦较大,Deform3D模拟表明应变速率分布极不均匀。     

三球销式万向节三柱槽壳温挤压工艺及模具设计

针对某三球销式万向节三柱槽壳的特点,提出了先挤压杆部后墩粗头部最后反挤内腔的三工步墩挤工艺方案并完成了成形该锻件所需的工艺分析和数值模拟。在此基础上,进一步优化分析,采用两工步温挤压成形。分别设计了墩粗模具和反挤压模具,并基于有限元体积成形模拟分析软件Deform-3D平台,对三柱槽壳零件温挤压成形过程进行数值模拟,模拟结果表明,两工步工艺方案设计合理,获得了良好的表面质量。     

Fundamental investigations on the material flow at combined sheet and bulk metal forming processes

The class of combined sheet and bulk metal forming (SBMF) processes denotes the forming of sheet metals with typical bulk forming operations. As a consequence, simultaneous 2D and 3D stress and strain states are present. Furthermore the local shape elements formed out of the sheet plane are in the magnitude of the sheet thickness. This paper deals with process combinations upsetting/lateral extrusion and deep drawing/upsetting. It has been shown that an insufficient mould filling is nearly inevitable using conventional tooling systems. Hence, the prospect of newly developed forming approaches will be discussed.     

ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL UPSETTING PROCESS BY THE RIGID-PLASTIC REPRODUCING KERNEL PARTICLE METHOD

A meshless approach, called the rigid-plastic reproducing kernel particle method （RKPM）, is presented for three-dimensional （3D） bulk metal forming simulation. The approach is a combination of RKPM with the flow theory of 3D rigid-plastic mechanics. For the treatments of essential boundary conditions and incompressibility constraint, the boundary singular kernel method and the modified penalty method are utilized, respectively. The arc-tangential friction model is employed to treat the contact conditions. The compression of rectangular blocks, a typical 3D upsetting operation, is analyzed for different friction conditions and the numerical results are compared with those obtained using commercial rigid-plastic FEM （finite element method） software Deform^3D. As results show, when handling 3D plastic deformations, the proposed approach eliminates the need of expensive meshing and remeshing procedures which are unavoidable in conventional FEM and can provide results that are in good agreement with finite element predictions.     

基于全量理论的金属体积成形多步数值模拟

运用一种基于全量理论的多步有限元方法计算分析了金属体积成形过程.该方法针对刚塑性不可压缩材料,在静力平衡条件下以约束变分原理通过最小化近似塑性势能进行有限元求解.多步模拟在各中间构形的虚拟滑动约束下沿变形路径进行分步迭代计算,考虑了接触和变形历史,能够快速模拟较复杂的体积成形问题.运用该方法对几个典型金属体积成形过程进行了正向一步和多步数值模拟,将计算结果与增量有限元法计算结果进行了比较.结果表明:在计算金属体积成形过程中,基于全量理论的多步有限元模拟能够在大大缩短计算时间的同时获得与增量法计算结果相比偏差小于10%的计算结果.     

基于数值模拟的钛合金颅骨修复体多点成形工艺设计

利用多点成形技术成形个性化钛合金颅骨修复体是一种新的数字化制造方法。文章采用动态显式有限元软件,依据实际成形条件建立有限元模型,对选用不同厚度的钢质垫板以及不同润滑条件下钛合金颅骨修复体的成形过程进行模拟,预测可能出现的破裂和起皱缺陷,分析采用不同工艺时成形缺陷的产生原因,并确定了能够获得良好结果的成形工艺。结果表明,采用有压边的多点成形方式,并使用钢质垫板和油润滑以后,可以抑制破裂和起皱缺陷的发生,得到合格的钛合金颅骨修复体,保证颅骨修复体个性化制造的成形质量。实验结果证明,模拟结果和实际吻合良好。     

板料电磁成形集磁器工作原理的模拟

文章采用有限元软件ANSYS 2D和ANSYS 3D模拟技术,研究电磁成形集磁器的工作原理。采用ANSYS2D模拟算法,研究集磁器的相对直径、厚度、中心圆孔半径等结构参数对被成形板料上电磁力分布和强度的影响,并提出提高集磁器效率和改善板料成形效果的途径;采用ANSYS 3D模拟算法,分析集磁器机理,并对ANSYS2D与ANSYS 3D的模拟分析结果进行比较,认为在保证准确度的前提下,采用ANSYS 2D模拟分析效率更高。