发展中的塑性加工理论和模拟技术

随着以信息技术为代表的高新技术的迅猛发展、知识经济和全球化制造的兴起，塑性加工理论和模拟技术的发展呈现出交叉性、前沿性和实用性的特点。对塑性成形规律的研究从材料的变形及应力应变分布发展到组织性能的变化，从宏观现象到细观和微观机理，从单纯的塑性加工延拓到相关的热处理和使用性能，借助于数值模拟技术，塑性加工理论成果能很快地实际应用，塑性成形过程的数值模拟在工业发达国家已进入应用普及阶段，我国一些企业也开始尝试应用，模拟技术的应用由检验设计方案向工艺优化的方向发展。本文简要地介绍了近年来塑性加工理论、模拟技术及其应用的一些重要进展，并分析了其发展趋势。

基础理论方面

塑性加工理论是与材料科学和力学有关的跨学科研究领域，关于材料本构关系的研究一直是该领域最活跃的研究方向。一方面，这是由于理论和实验技术的发展，使得人们能更深入地探讨塑性变形机理；另一方面，也是由于新材料和新的应用需求不断地提出新的课题。

晶体塑性理论根据晶体材料塑性变形的机理（即位错滑移和孪晶）建立单晶体和多晶体材料的本构模型，对于研究材料的各向异性和织构有着独特的优越性，是塑性力学界长期关注的理论课题。晶体塑性理论在预测面心立方（FCC）纯金属的织构演化方面取得了很大的成功，但长期无法预测FCC合金在轧制过程中形成的黄铜型织构。近年来，Staroselsky等人针对FCC合金材料提出了同时考虑滑移和孪晶的晶体塑性模型，他们的模拟结果表明，FCC合金中孪晶的开动是造成黄铜型织构的原因。Liao等人]针对体心立方BCC金属建立了<111>“铅笔滑移”（pencilglide即滑移系是由包含<111>晶向的平面以及该面内的最大剪应力方向所组成）和{110}<111>以及{112}<111>为滑移系的晶体塑性模型，他们将模拟结果与织构分析实验结果进行了对比。结果表明，这几种模型都能给出与实验结果相吻合的变形诱导织构演化，滑移系的选择对屈服轨迹的形状有很大影响。晶体塑性理论能够预测越来越多的塑性变形机理，尽管其结果目前还主要是定性的。Xie等人利用晶体塑性理论考察了织构对板材成形性能的影响，模拟结果表明，织构中的g纤维对提高BCC金属板材的成形性能起着重要的作用。

由于晶体塑性本构模型所需计算量十分巨大，因此它主要用于塑性变形机理的研究。为了在明显地增加计算代价的前提下，在本构关系中考虑多晶体材料的织构，比现有的宏观塑性力学本构模型更精确地描述塑性各向异性，塑性对偶势理论受到一些研究者的重视。在这种本构模型中，塑性势函数中的系数是通过拟合用晶体学方法根据织构分析结果计算出的多晶体屈服面来确定的。Zhou等人采用四阶塑性对偶势分析了板材成形中的制耳。

在锻造等热加工过程中，除工件的形状变化外，人们还关心其内部组织性能的变化，以满足零件的使用要求。同时，为了利用锻件余热进行热处理，以提高生产率和减少能量消耗，要求研究塑性加工以及相关的热处理过程中，工件组织性能的变化规律。关于热处理过程中的相变、渗碳量等的预测已初步得到应用。

冲压后工件的回弹是一个长期困扰塑性加工界的世界性难题。尽管塑性成形模拟方法已能较准确地预测冲压中的起皱、破裂等缺陷，但对于回弹的预测还很不准确。由于汽车等工业部门日益广泛地采用高强度钢板、轻金属等材料，回弹问题更显严重。它引起国际上汽车工业界和塑性加工学术界的极大重视。由于它涉及到复杂的物理机理、板材的变形条件和变形历史，必须从理论上开展深入的研究。在回弹问题研究中，近年来，取得了一些进展。NaderAsnafi对双曲率工件冲压成形后的回弹进行了试验，研究了影响回弹的主要材料性能和工艺参数。其研究表明，增大进料阻力能增加工件所受拉伸应力、减小弯矩，对于减小回弹起重要作用。Gau等人对钢板和铝板进行了反复弯曲实验，发现铝板的回弹量随弯曲/反弯曲次数的增加而逐渐增大，而钢板的回弹量随弯曲/反弯曲次数的变化不明显。他们认为对于铝板的回弹预测，必须在考虑变形历史的同时，考虑包兴格效应。他们提出了一种能考虑包兴格效应的厚向异性材料本构模型。其中采用新的多屈服面模型考虑同时包含等向强化和运动强化的材料实际强化规律，与单纯考虑等向强化或运动强化或Mroz多屈服面模型相比，他们的模型与前述反复弯曲实验结果吻合得更好。冲压成形和回弹过程模拟可分别采用显式隐式或显式和隐式耦合的有限元计算法进行预测，Rohleder等人分别用基于这几种算法开发的几种不同的商业软件对圆筒形工件拉深后筒壁不同高度截下的圆环剖开后的回弹进行了模拟计算，并与实验结果进行了比较，其中显隐耦合算法的结果与实验结果吻合得最好。这与人们通常所持的隐式算法能更准确地预测回弹的看法不一致，这说明如果采用合适的单元模型和本构关系模型，各种有限元算法都能有效地用于回弹预测。El-Abbasi[等考虑到冲压成形模拟等工程问题的需要，提出了一种考虑厚向变形的新的厚壳单元。他们引入了两个新的节点自由度分别描述厚度变化和沿厚向应变的线性变化。这种单元能用于分析成形过程中工件两面同时受到模具作用的场合。利用这种单元模拟校正弯曲造成的工件中的三向应力状态，将会有利于提高校正弯曲后回弹预测的精度。

动力显式算法不需迭代，避免了静力隐式算法中常常遇到的收敛性问题。在采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵后，形成的整体求解方程是彼此独立的，不需联立求解，减少了所需存储量和计算量，因此，近年来成为冲压成形中模具加载过程模拟计算的最流行的方法。为了解决由于时间步长限制造成的计算步数多的问题，在冲压成形模拟中常常人为地提高模具的运动速度，使得每一步模具的位移增量增大，这样就不可避免地增大了惯性效应。作者采用能量法对曲面压边圈夹紧和圆筒件拉深过程分别进行了惯性效应分析，确定了影响惯性效应的主要因素和模具的极限运动速度，为采用动力显式方法模拟冲压成形过程时正确选取模具运动速度提供了参考。

在产品小型化微型化需求的推动下，微细成形技术引起了越来越广泛的关注尺度。在500纳米至500微米之间的金属成形研究正受到工业需求的强力驱动。韩国政府资助开展了毫米结构milli-structure研究计划。微细成形中会出现尺度效应、材料的流动应力、各向异性和延展性等会随着工件特征尺寸以及特征尺寸与晶粒尺寸比值的变化而发生变化。挤压中摩擦系数随冲头直径的减小而增大，当工件特征尺寸达到数微米时，会出现应变梯度尺度效应，使扭转、弯曲、压入等具有应变梯度的变形条件下的屈服应力显著增加。目前，已提出一些解释和计算尺度效应的理论，如表面晶粒计算方法应变梯度塑性理论等，这些理论的发展和完善将推动微细成形技术的开发和应用。由于存在尺度效应，不能简单地利用相似理论进行实验研究，而要开发适合于微细成形研究的精密实验方法和检测技术，如微视塑性法等。

数值模拟技术方面

在应用需求的驱动下，塑性成形数值模拟技术的发展呈现出如下特点：一方面不断改进计算模型和计算方法，以提高求解精度和速度扩展数值模拟技术的应用范围；另一方面，将数值模拟与成形工艺优化相结合，与CAD/CAM集成，形成智能化的成形工艺和模具设计方法。

为了提高冲压成形过程模拟的效率，Pourboghrat等人提出了一种混合采用膜单元和壳单元的计算方法。他们采用膜单元模拟冲压过程，其中弯曲/反弯曲应变采用解析方法根据膜的形状求解，其后将求得的膜的形状以及弯曲应变和应力带入壳单元中计算回弹，这样可以节省50%的计算时间。有的研究者提出，粗化模具网格以减少成形模拟计算量的方法。采用隐式算法模拟塑性成形过程时，绝大部分CPU时间消耗于方程组求解，因此采用高效率的方程组求解算法是提高模拟计算效率的关键。近年来，稀疏阵求解算法Sparsesolver已得到应用。与传统的等带宽算法、变带宽算法和波前法相比，稀疏阵解法不仅能大大提高计算速度，而且能节省存储量。另外，采用预处理的迭代解法计算速度快，所需存储量小，对于某些成形模拟问题也是有效的方法。

接触问题是塑性成形模拟中的一个难点。采用拉格朗日乘子法会引入新的变量，采用罚函数法则几何约束条件不易精确地得到满足，而且罚因子要凭经验选取。Farahani等人提出了一种新的接触处理方法。他们将相互接触的两个物体中的一个定义为接触物体，另一个为目标物体。假设接触力分别作用于接触物体的节点和目标物体的表面，通过刚度矩阵的变换消去接触物体的法向自由度。这种方法以刚度矩阵的变换和修改为代价，避免了拉格朗日乘子法和罚函数法的缺点，可以应用于一般接触问题的处理。Shim等人]研究了直接采用剪裁的NURBS曲面描述冲模型面并进行接触处理的方法。对于复杂程度不太大的冲压件，这种方法将有助于减少数据量和提高模拟精度，Gearing等人将Anand提出的率无关各向同性等温界面摩擦模型推广为率相关模型，该模型引入了界面滑动抗力作为反映复杂的接触微观力学现象的宏观内变量，可以描述摩擦系数随正压力滑动速度和滑动位移量而变化的实验现象，用于冲压成形模拟比库仑摩擦定律更精确。

利用塑性成形模拟进行成形工艺和模具设计的优化是近年来的一个研究热点，预成形设计是体积成形工艺优化的具体应用，在优化计算中可以利用反向模拟也可以利用正向模拟。如果优化的目标仅仅是终锻件的几何形状满足设计要求，用反向模拟能更直接地找到最优解，但反向模拟中边界条件的处理较困难，而正向模拟通常要与最优化计算方法结合应用。采用的最优化计算方法有灵敏度分析方法、直接微分法、拟合优化法、微观遗传算法、一致变换方法、神经网络形状内插值法和改进的约束梯度法。但目前最优化的目标主要是针对工件的形状尺寸，对工件内部组织性能的考虑不多，主要限于二维问题，工序数较少，冲压工艺优化与体积成形优化的基本方法是类似的。冲压成形中工件的形状为空间曲面，坯料的初始构形为平面，因此用逆算法（即反向模拟）较体积成形方便得多，板料成形模拟的逆算法计算速度很快，通常只需一个计算步，因此已成为目前用于冲压工艺优化的主要方法。如Naceur等用逆算法优化拉延筋阻力使冲压件中厚度分布最均匀，Shim等人则采用正向模拟和灵敏度分析进行冲压工艺优化，使设计的毛坯冲压出的工件可很好地满足产品形状要求。

塑性成形模拟软件及其应用

塑性成形模拟技术经历了几十年的发展，国际上已出现了一批塑性成形模拟软件。这些软件都是采用有限元法进行数值计算的，大致可以分为两类：一类是将通用有限元软件的功能扩充后用于塑性成形过程模拟，如集成了LS-DYNA3D和LS-NIKE3D后的ANSYS，ABAQUS等；另一类是专门为塑性成形模拟开发的软件，如主要用于体积成形和热处理分析的DEFORM，用于冲压成形（包括液压胀形）模拟的DYNAFORM、AutoForm、PAM-STAMP、OPTRIS等。塑性成形模拟技术在工业发达国家已经进入应用普及阶段，一些大企业将成形模拟作为成形工艺设计和模具设计的必经环节和模具验收的依据之一。

目前国际上较流行并已进入中国市场的专业化的冲压成形模拟软件主要有DYNAFORM、AutoForm、PAM-STAMP、OPTRIS等。这些软件的开发商与大型的汽车和金属板材制造商有着密切的联系，后者一方面是这些模拟软件的主要用户，另一方面也为软件的开发提供了必不可少的技术资料和检测手段。这些软件采用的有限元求解算法各有特点，如DYNAFORM是采用显隐耦合算法，AutoForm采用全拉格朗日列式的静力隐式算法。由于激烈的市场竞争和用户的挑剔，当某个软件开发商推出一种新功能后，其他开发商就会很快仿效，因此这几种软件的功能比较接近，这几种软件都具有与CAD软件的接口，以便与冲压工艺和冲模设计相衔接。接口文件格式有IGES、VDAFS、NASTRAN等。为了全面支持冲压工艺和模具设计，它们都不同程度地提供了自动生成和交互修改压料面、工艺补充部分和拉延筋的手段，使用户输入零件几何模型后就能利用软件进行成形分析。除了通常的用于进行详细分析的有限元增量算法以外，这些软件大都还提供了可快速进行成形分析并预测毛坯形状的逆算法。为了适应用户分析冲压新工艺的需要，它们也不同程度地支持对液压胀形、吹塑成形、超塑性成形、爆炸成形、橡皮成形等成形工艺的模拟以及对拼焊板的成形模拟。它们都支持包括压边圈夹紧、拉延、修边、翻边在内的多工序成形过程以及回弹过程的模拟，大都提供了对工艺参数和几何参数进行优化计算的模块。它们的后处理除了提供通常的位移、应变和应力分布以外，还能根据模拟计算结果给出成形极限分析、冲压工艺性分析、模具受力相对滑动等许多专业性的分析结果，极大地方便了人们对冲压成形过程规律性的理解。另外，冲压成形分析结果可以NASTRAN等格式输出，用于强度和碰撞等分析。

据报道，美国通用汽车公司每年要对6000个冲压件进行成形过程模拟，为此还专门设立了一个新的工作岗位，称为分析师，采用冲压成形模拟技术可以使冲模设计制造周期缩短至原来的50%，其经济效益十分明显。

在体积成形方面，目前国际上较有影响并已进入中国市场的专业化的模拟软件主要是DEFORM，DEFORM分为2维和3维两个相对独立的模块。2维模块具有XYR和直线圆弧两种数据输入模式，也有IGES、DXF等标准图形输入接口，3维模块则有STL、PATRAN、IDEAS等图形输入接口。DEFORM除了模拟锻造过程以外，还可以模拟轧制挤压粉末成型等多种体积成形工艺和切削加工工艺。DEFORM还有2维和3维热处理模块，可以模拟正火、退火、淬火、回火、时效和渗碳等热处理过程，可以预测工件的硬度、残余应力、淬火变形以及其它有关的机械和材料特性。作为一个专业化的热加工过程模拟软件，DEFORM在考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效应在内的热力耦合分析方面，在变形和包括相变在内的材料组织性能演化的耦合分析方面，在自适应网格重分方面,都有其独到之处。

我国在塑性成形模拟方面起步较早，许多大学和研究所都开展了长期的系统的理论研究和软件开发，形成了一批具有实用性的软件。其中有的软件达到了一定的商品化水平，例如吉林大学开发的KMAS软件系统成功地应用于小红旗轿车488发动机油底壳的冲压成形工艺优化和发天线反射镜面的回弹补偿等工程问题。华中科技大学开发的VFORM软件系统包含了增量法和逆算法有限元分析模块，但是由于没有形成良好的市场机制，国内模拟软件的商品化与国外差距还很大。近年来，我国在塑性成形模拟方面有明显的进步，一方面，国家资助的科技项目越来越重视开发具有自主版权的商品化软件，引导模拟软件的研究开发走向自我发展的良性循环；另一方面，我国企业已经逐步认识到塑性成形模拟技术的重要性，包括上海大众、东风、宝钢等在内的一些大型企业和一些民营企业已经在产品和模具设计中开始采用模拟技术，并取得了很好的效果。在武汉召开的第七届全国塑性加工理论学术会议和第十七届车身技术研讨会上，塑性成形模拟都是会议的重要主题，充分显示了近年来我国成形模拟技术的迅速发展。随着我国加入WTO，成为全球制造业最具发展潜力的基地，我国制造业将逐步地摆脱以仿制为主、依靠廉价产品进入国际市场的发展模式，过渡到重视产品的创新设计，依靠产品质量和快速响应市场的能力参与国际竞争，塑性成形模拟技术将在这个转型过程中发挥越来越重要的作用。

塑性加工模拟技术的发展趋势及应用展望

塑性加工模拟技术的发展离不开力学材料科学等相关学科的发展。这些学科领域基础研究的深化及学科间的协同交叉，将为塑性加工模拟中尚未圆满解决的问题提供新的思路。在冲压成形模拟中，回弹预测的精度还远远不能满足工程应用的需要，这是因为对回弹过程的机理、影响回弹的各种因素的研究还不够深入和全面。为了解决回弹预测的精度问题，需要更精确地了解冲压成形过程中应变和应力的分布、材料组织性能的变化，建立能准确地反映材料组织性能演化（如包兴格效应）的本构模型，能准确地反映冲压过程中工件中应变和应力分布（尤其是沿厚度方向的变化）的单元模型，能准确地反映回弹过程物理规律的力学模型。国际上塑性加工过程模拟技术的一个重要发展方向，是由变形、应力、温度等连续介质力学变量的预测向塑性加工过程中材料组织性能演化规律以及与此相联系的零件使用性能的预测推进。例如，塑性加工中，损伤和织构的演化及其对零件使用寿命的影响，热加工中晶粒度的变化、相变、流线的形成等及其对零件使用性能的影响等，都是值得进一步研究的问题。

新的塑性加工工艺的出现以及塑性加工与其他加工工艺的结合，也向塑性加工模拟技术提出了新的研究课题。例如，仅采用了凸模或凹模的充液拉深工艺的模拟要求能在模腔中给定液压力，采用一个工具头的逐步成形工艺的模拟要求采用新的计算策略，以便在准确地描述工具头作用下的局部成形的同时减少总的计算时间，半固态成形工艺的模拟要求同时处理固相、液相和相变，为此在数值模拟方法、本构模型和相变规律等方面都要开展研究。

塑性加工模拟技术的发展趋势，是与材料设计和结构分析结合起来，实现材料制备、塑性加工、热处理和表面处理、机加工直到装配使用全过程的模拟，实现数字化制造。未来的设计模式将是：首先根据产品的使用要求确定零件的尺寸及精度、力学和其他性能指标、使用寿命等，然后通过数值模拟选取材料、设计其细观和微观组织，最后确定能满足零件尺寸和组织性能要求的加工工艺、优化工艺参数，这将带来设计和制造技术的一次革命。

在我国，发展塑性成形模拟技术应该坚持两条腿走路的方针，一方面要在引进国际知名的模拟软件的基础上推广应用。目前在应用中的一个突出问题是要尽快建立完备的国产材料的有关数据库。其中包括材料的基本性能参数、应力应变关系曲线、成形极限曲线等以便于应用。同时要求发展实验测量技术，以便检验模拟计算的精度和调整计算参数。另一方面，我国还要采取产学研结合的方式，促进我国塑性加工理论和模拟技术的发展，扶植若干具有自主版权的模拟软件的研究开发、促使其实现商业化。由于国外软件售价昂贵，且与我国的技术标准不尽一致，发展我国自己的模拟软件是在我国大量中小企业推广成形模拟技术的必要条件。