材料成形过程模拟技术及其应用研究

2021-11-19王磊

中国金属通报 2021年15期

王磊

（天津冶金职业技术学院，天津 300000）

材料成形对于中国经济来说是十分重要的，但我国很大一部分材料都来源于国外的进口，费用及其高昂，而且产品的研发周期很长。然而对材料的研究需要花费巨大的金费，这个也是我国材料生产困难的原因之一。所以，要想在国内自由生产材料，软件模拟技术是非常必要的，只有当国家拥有了成熟的软件模拟技术，才能从根本上解决我国材料落后的难题[1]。

1 材料成形模拟之塑料注射

1.1 利用仿真软件分析翘曲变形

注射成形工艺参数的优化是一个非常广泛的问题，而分析工艺过程和优化各参数是一个复杂的问题。如果工作人员只考虑冷却系统的优化设计，他们只需要确定冷却介质回路的布置、模具材料的选择、冷却介质的用量、入口温度、流量以及流道的尺寸即可。而如果塑件形状复杂，流道的洗出方法有多种类型，加上其他因素，设计人员则需要考虑很多方面。如果完全依靠设计者的经验，将花费大量的人力、物力和时间，并且很有可能造成模具的寿命结束，所以仿真分析具有很大的优势。在仿真分析中会像实际一样考虑相同的因素，需要在环境改变的情况下识别重要因素，重点确定一些结果。

下面就是用简单的方法来说明重要参数的选择的基本方法，先设计两个具有不同参数的冷却系统，一个系统只具备一层冷却管，另一个系统具有两个冷却管。再假设有一个零件是圆形塑料盖，它的配合要求高，而且表面质量好，该零件的主要尺寸:外径58mm。内直径10毫米。厚度3.2mm，凸台外径28mm，高度3.2mm。该零件采用注塑成形，浇口位置位于圆形侧壁，以保证外观质量。该零件为平板式零件，厚度较薄，且没有加强肋，所以该零件容易冷却变形。为了缩短冷却时间，提高生产效率，设计人员是希望在注射模具中通过冷却介质完成热交换，使注射时零件各处温度更均匀。根据仿真的结果，分析这两个系统的最大喷射压力;填充效果;冷却效果;压力的大小和分布等，发现这两种冷却系统的生产率差别很小，但是由于两种不同的冷却系统的设计，导致了温差和压力的差异。由于这个零件薄平面部分的特点,所以对弯曲非常敏感，而因为冷却管路2内的温度和压力比较均匀，所以翘曲较小。

1.2 利用仿真软件分析模具本身的变形

注塑成形分析软件考虑的结果分析流动过程是基于假设模具本身并不是变形而注入,但在实践中,模具本身具有大变形,因为注射的强烈影响,在许多情况下,一个伟大的对产品质量的影响,我们必须充分考虑其自身的变形，但是注塑成形分析软件是不能进行这种分析的，结构分析软件ANSYS就具有这种强大的功能。在使用结构分析软件进行岩心变形分析之前，首先要知道岩心所受的压力。现在直接计算核心的压力不太可能,但是注塑模具CAE软件可以到处塑料部分的压力轴承在注射过程中,出生的压力腔和核心,过程中塑性流动腔和核心是由压力影响的大小、流向,零件形状等等。岩心的具体压力与CAB软件的结果一致，目前进行类似的估算。通过与实际情况的比较，表明综合运用Moldflow和ANSYS可以得到真实、全面的注塑流动过程和模具本身的变形仿真，可以为模具设计提供更有价值的参考。对于容易部分变形的材料来说，由于体积较大，且壁薄，这使得塑料流动性较差，注塑成形压力要求较大[2,3]。

2 材料成形模拟之铸造

2.1 利用仿真软件分析铸造工艺

铸造过程作为材料生产工艺的基础，是整个材料生产过程中保证高温，连续，高实时性能的关键。由于物理化学变化和不确定性，材料铸造工艺的高度复杂性导致了其生产计划、调度、物流平衡等子问题的复杂性。传统的基于数学模型的优化方法难以解决这类问题。同时，由于人力处理能力有限，人工方法无法保证质量。然而，随着计算机技术的飞速发展，特别是计算能力和计算速度的发展，计算机仿真理论和虚拟现实技术取得了巨大的成就。计算机仿真是解决复杂问题和评价复杂系统的有效手段。在铸造过程中使用计算机进行数学建模对生产过程进行研究由来已久。这种方法的优点是降低了现场测试的成本。在引进新技术或将新产品投入生产之前，必须进行相当昂贵的试验。其中一些测试可以转移到虚拟域，这大大降低了成本。另一个好处是缩短了引进新技术和启动新产品的时间框架，因为使用数学模型的部分测试可以更快地完成。在模拟过程中同时使用数学模型还可以预测情况的变化，并提前做出管理决策，例如设施的维护，这降低了他们失败的可能性。基于agent的仿真技术是面向对象仿真技术和人工智能技术的综合发展。采用智能agent仿真系统作为建模和仿真的基本要素可以使铸造过程在运行模式、控制模式和部署模式上发生了重大变化。结合实际铸造工艺与模拟仿真技术可以产生一种基于契约网机制的协商机制，以灵活完成工厂布局，实现多种目的，满足不同工厂的不同需求。

2.2 利用仿真软件分析固化模型

由于固化反应的放热效应非常强，因此固化阶段的温度分布起着重要的作用。在此过程中树脂已停止流动，不再需要连续性方程、动量方程、流锋推进方程和粘度模型。因此，可以进一步简化能量方程和传质方程，通过对固化动力学模型积分将模型的铸造仿真出来。仿真中使用的三维几何模型及其离散化需要借助专业生成器,这些生成器可以产生大量节点和线性六面体元素，然后将这些离散参数导入需要的材料参数和其他参数模拟。此外，在固化仿真中还应该选择一些关键点安装热电偶来监测温度历史。

3 材料成形模拟之板料冲压

3.1 利用仿真软件分析整体工艺

板料成形广泛应用于汽车零部件的制造。近70%的汽车零部件是通过冲压工艺制造的，目前有十分之一的困难。冲压产品质量的几个主要问题是起皱和屈曲，撕裂，厚度均匀性，回弹和残余应力。冲压件的质量受到拉进模腔的材料数量的影响。如果材料的流动性过大，就会起皱。在物料流动不足的情况下，会发生撕裂或分裂。为了避免影响和改善产品的成形性和质量,一些有效的补偿的方法已经被使用,比如调整压边力的分布和价值,改变了当地的润滑条件,调整拉延筋的布局或几何形状,优化毛坯形状,等等。这些方法无需修改拉延模的结构和型腔形状，即可方便地投入使用。因此，确定压边力、润滑条件和拉延筋设置等工艺参数是复杂冲压件工艺设计的关键内容之一。然而，大多数时候，这可能是一个真正的挑战，因为传统的工艺布局仍然是基于“试一试”的方法，基于成形模拟的冲压CAE技术在过去的十年里大大改善了这种情况。这加快了钣金成形从试验工艺向科学技术驱动的工程过程的历史性转变。

3.2 利用仿真软件分析约束力

在成形模拟过程中，为兼顾计算时间和计算精度，将坯料力和润滑剂等效为边界摩擦力，采用库仑摩擦定律求解，一般将拉延筋建模为一条沿其施加抑制力的直线。将目前流行的摩擦力和拉延筋阻力的处理方法直接添加到有限元大变形平衡方程的右项式作为正力。而在实际成形过程中，上述约束力是材料流入模腔时产生的与坯料运动方向相反的被动力。由于摩擦力和拉延筋阻力与弹簧非常相似，在数值模拟过程中可以等效为弹簧。国外一些设计人员利用罚函数处理了块状金属成形过程中的边界摩擦力。此外，不少设计人员还通过引入在法向和切线方向上相互独立的线性弹簧单元进行处理，该方法可以保持约束刚度矩阵的对称性。设计人员还可以利用一种新的摩擦力、拉延筋阻力等约束的数值处理方法，基于弹塑性大变形动态显式增量法，将线性弹簧单元等效为边界摩擦力和拉延筋阻力。通过对汽车盖板外板的成形过程进行仿真得到的结果，仿真结果与试验结果式吻合较好的。

具体来说，在成形模拟过程中，压边力、拉延筋和润滑等边界条件产生的约束均为外力，并作为边界条件处理。压边力是分布的。考虑厚度变化对压边板内各节点分布的影响，通常在动态显式有限元公式的右项直接添加摩擦力增量向量和等效拉延筋模型，处理方法较为简单，但不反映摩擦阻力和拉延筋阻力的被动性。由于在数值模拟中采用小增量步长，将前一个增量步长的摩擦力增量和拉延筋阻力增量直接添加到正确的项上，可能导致较大的误差。产生误差的主要原因是直接加在右项上，被动力增量变为正力，还有每一增量步间外部约束力的值和方向的变化。虽然这两个问题在仿真软件中会经常出现，但是这两个问题可以通过引入线性弹簧元件解决。