大锻件数值模拟定量准确性探讨

吕亚臣齐作玉任运来

(1.上海电气集团总公司，上海200336;2.上海重型机器厂有限公司，上海200245; 3.上海电机学院，上海200240)

试验研究

大锻件数值模拟定量准确性探讨

吕亚臣1齐作玉2任运来3

(1.上海电气集团总公司，上海200336;2.上海重型机器厂有限公司，上海200245; 3.上海电机学院，上海200240)

介绍了现有大锻件模拟软件计算结果与实际情况间的差异问题，从计算机模拟的基本原理和大锻件的生产特征等方面研究分析了差异存在的原因，提出了解决该问题的一些具体建议。

大锻件;数值模拟;准确性

大型锻件是大型设备的重要部件，一旦报废，制造厂和用户都会损失惨重。大锻件的生产通常是单件或小批量，其形状尺寸和质量要求也各不相同，因此，很难摸索其生产制造规律，许多工艺需要从头开发。

随着弹塑性有限元理论的出现、计算机和信息技术等科学技术的飞跃发展，有了数值模拟成形的方法、技术和软件产品。其特征是，不需要直接进行试验和实验，只需通过计算机的模拟计算，就能获得研究结果。这种技术近年来快速发展，广泛应用在工业界中，在锻压行业也得到一些成功应用，如在批量化的模锻、冲压等领域。

但是，到目前为止，大型自由锻数值模拟的应用实际上还很不成熟。目前，所发表的大锻件数值模拟研究成果主要分为两类，一类是没有实际对比分析的理论研究，仅用于制定工艺前的参考;另一类是与实际情况有些个别点上的数值对比或定性对比的研究。即使是有实际对比的研究，也只有定性参考意义，缺乏可靠的定量准确结论和可直接定量应用的实际意义。

随着技术发展，大锻件数值模拟准确性问题必将成为技术和管理人员重点关注和值得探讨的问题。

本文力图探讨大锻件数值模拟准确性的条件，不准确的原因和实现有效应用的一些方法途径。

1 数值模拟准确性的基本条件

1.1 力学模型正确

力学模型是否正确取决于用户在建立力学模型时是选择了传统的金属流动模型，如弹塑性模型、弹粘塑性模型、刚塑性模型和刚粘塑性模型，还是另外创立了适合的新模型，如真实应力应变曲线或金属流动曲线。

另外，在建立力学模型的同时，为了使得数学模型的建立和求解得以实现，选择和使用塑性成形原理的一系列力学规律，如材料的各向同性假设、体积不变原理、虚功原理等。

1.2 数学模型正确

数学模型是在力学模型的基础上建立起来的微分方程组。所建立的数学模型可能与实际情况有差异，从而导致有限元计算结果与实际不符。

模拟软件进行数值模拟计算是否准确取决于所采用的有限元方法的类别与建立的微分方程式是否正确。其类别之一是采用弹塑性有限元和弹粘塑性有限元。这类有限元在弹性区采用虎克弹性应力应变关系定律，塑性区采用塑性变形普郎特-劳斯弹塑性增量方程屈服准则，主要适用于板形材料的塑性变形。其类别之二是采用刚塑性有限元和刚粘塑性有限元。刚塑性有限元主要用于金属冷加工的塑性变形问题。刚粘塑性有限元是把热加工金属视为牛顿不可压缩流体建立起来的有限元方程。对于热加工，刚粘塑性有限元法是国内外公认的分析金属成形问题最先进的方法之一。

有限元中，刚塑性有限元法是假设材料具有刚塑性的特点，把实际的加工过程定义为边值问题，从刚塑性材料的变分原理或上界定理出发，有限元模式把能耗率表示为节点速度的非线性函数，利用数学上的最优化原理，在给定变形体某些表面的力边界条件和速度边界条件的情况下，求满足平衡方程、本构方程和体积不变条件的速度场和应力场。速度场的真实解使以动可容速度场建立的能量泛函取极小值。但所得到的塑性力学的微分方程组一般不能用解析法求解，常采用数值解，这样就会出现各种误差。误差取决于所用的数值方法。

1.3 算法稳定优化

算法是否稳定优化也有许多条件，如插值函数阶数的高低，通过算法优化可使有限元解的近似方程不断地被改进。

1.4 单元划分精细

理论上是单元划分越细越好。但是，单元划分精细增加了计算量。

1.5 选择的边界条件正确

正确的边界条件不能自动建立，选择不同会导致结果差异极大。

软件的使用者需要能正确和科学地确定所建立模型的边界条件和影响因素，如摩擦条件、材料参数、模具与设备、变形机理和成品性能。

2 目前数值模拟不准确的原因

几乎所有现行锻压模拟软件的预报能力都与实际的金属成形工艺存在一定的差距。可以认为，数值模拟不准确是绝对的，准确是相对的。对于大锻件的数值模拟，其差距更为突出。

站在软件管理的角度，大锻件计算机模拟软件实际应用水平低的主要原因是:(1)无公认准确和科学的度量;(2)产品性质不同，很难有通用的度量;(3)使用涉及不定因素和人为因素;(4)使用者片面理解和使用可能会造成负面影响和效果等。

站在大锻件专业的角度，大锻件成形数值模拟不准确还有其特殊原因，归纳如下:

(1)大锻件生产复杂:大锻件生产具有单件小批量生产特征，同一产品生产过程也很难完全一样和重复再现。为此，大锻件数值模拟的边界条件通常动态变动或呈现极大的不稳定性。

(2)大锻件基础理论不完善:比起其它工程力学，塑性力学的理论还不完善。比如用金属塑性加工理论中的镦粗力公式对计算结果与实际测量结果进行对比时发现，差异随着尺寸增大而迅速加大。这说明了塑性加工理论的不完善，说明大锻件相似性规律仍具有未知性。因此，大锻件压力加工的力学模型和求解方法也尚不完善。这些理论也与数值模拟建立力学数学模型的基础直接相关。

(3)大锻件商业软件名不副实:商业软件都声称可以模拟大锻件，其实软件本身缺少在大锻件领域中专门的应用研发。

(4)要求目标过低:由于大锻件生产复杂，人们对大锻件的数值模拟软件期望不高，觉得能有定性参考意义就不错了。

3 提高数值模拟准确性的探讨

(1)慎重选择软件

对于大锻件数值模拟软件，要选择有实际应用经验、在国外大锻件企业中解决过实际问题并有过改进升级的软件。软件需要经过用户使用证明和权威机构测评。

(2)研究软件应用

如果我们已经拥有了这样一个软件，可以做的就是不断地试用并与实际情况进行对比。通过一定数量的模拟与实际对比修正大锻件数值模拟软件。古布金曾统计了尺寸对计算变形抗力的影响，提出了尺寸修正系数表，后来又有了尺寸系数的经验公式和曲线表。这些对应用塑性力学公式和相似理论有很大帮助。通过一定数量的模拟与实际对比来修正软件是提高数值模拟相似度和准确性的有效方法。具体办法是，利用数值方法和统计学分析来修正或建立相似规律。随着锻造设备的更新换代，压机都有了数据测量、显示和记录。为此，我们可以用数值方法和统计学方法对数据进行处理，开展曲线拟合与相关分析，研究模拟件与实物的关系。通过回归分析，把模拟件与实物的关系用函数形式表达出来，获取或建立曲线拟合公式，从而提高模拟相似度和准确性。

(3)研究基础理论

研究大锻件有限元的力学基础，研究大锻件塑性成形原理的相似理论与现有金属塑性成形原理所存在的问题，发展完善新的相似理论与新的金属塑性成形理论，包括从流体力学的角度研究金属塑性力学。

［1］ 吕亚臣，齐作玉，任运来，等.大锻件成形物理模拟相似理论的研究.大型铸锻件，2011(6):44-46.

［2］ 常海平.双向拉应力条件下锻件内部孔洞缺陷的模拟分析.大型铸锻件，2012(4):18-20.

［3］ 陈晓慈.大钢锭定向凝固技术研究.大型铸锻件，2013(1): 1-8.

［4］ 杨运民，李其，蒋新亮.特大型支承辊表淬工艺数值模拟.大型铸锻件，2012(6):1-5.

［5］ 马廷威，王玉红.DEFORM模拟WHF法在支撑辊锻造中的应用.大型铸锻件，2012(6):1-5.

［6］ 王勖成.有限单元法.第一版.北京:清华大学出版社，2003.

编辑 杜青泉

Study on the Quantitative Accuracy Problems of Numerical Simulation for Heavy Forgings

Lv Yachen，Qi Zuoyu，Ren Yunlai

This paper introduces the difference between the calculation results and the actual situations of simulation software for heavy forging.The reasons for the difference are studied and analyzed based on the basic principal of computer simulation and themanufacturing characteristics of heavy forging etc.The detailed suggestions are provided to solve the problem.

heavy forgings;numerical simulation;accuracy

O242.1

A

2013—08—30