材料成形過(guò)程模擬技術(shù)及其應(yīng)用研究

王 磊

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300000）

材料成形對(duì)于中國(guó)經(jīng)濟(jì)來(lái)說(shuō)是十分重要的，但我國(guó)很大一部分材料都來(lái)源于國(guó)外的進(jìn)口，費(fèi)用及其高昂，而且產(chǎn)品的研發(fā)周期很長(zhǎng)。然而對(duì)材料的研究需要花費(fèi)巨大的金費(fèi)，這個(gè)也是我國(guó)材料生產(chǎn)困難的原因之一。所以，要想在國(guó)內(nèi)自由生產(chǎn)材料，軟件模擬技術(shù)是非常必要的，只有當(dāng)國(guó)家擁有了成熟的軟件模擬技術(shù)，才能從根本上解決我國(guó)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(shù)的優(yōu)化是一個(gè)非常廣泛的問(wèn)題，而分析工藝過(guò)程和優(yōu)化各參數(shù)是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題。如果工作人員只考慮冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，他們只需要確定冷卻介質(zhì)回路的布置、模具材料的選擇、冷卻介質(zhì)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(fù)雜，流道的洗出方法有多種類(lèi)型，加上其他因素，設(shè)計(jì)人員則需要考慮很多方面。如果完全依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)，將花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，并且很有可能造成模具的壽命結(jié)束，所以仿真分析具有很大的優(yōu)勢(shì)。在仿真分析中會(huì)像實(shí)際一樣考慮相同的因素，需要在環(huán)境改變的情況下識(shí)別重要因素，重點(diǎn)確定一些結(jié)果。

下面就是用簡(jiǎn)單的方法來(lái)說(shuō)明重要參數(shù)的選擇的基本方法，先設(shè)計(jì)兩個(gè)具有不同參數(shù)的冷卻系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)只具備一層冷卻管，另一個(gè)系統(tǒng)具有兩個(gè)冷卻管。再假設(shè)有一個(gè)零件是圓形塑料蓋，它的配合要求高，而且表面質(zhì)量好，該零件的主要尺寸:外徑58mm。內(nèi)直徑10毫米。厚度3.2mm，凸臺(tái)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(cè)壁，以保證外觀(guān)質(zhì)量。該零件為平板式零件，厚度較薄，且沒(méi)有加強(qiáng)肋，所以該零件容易冷卻變形。為了縮短冷卻時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)人員是希望在注射模具中通過(guò)冷卻介質(zhì)完成熱交換，使注射時(shí)零件各處溫度更均勻。根據(jù)仿真的結(jié)果，分析這兩個(gè)系統(tǒng)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(fā)現(xiàn)這兩種冷卻系統(tǒng)的生產(chǎn)率差別很小，但是由于兩種不同的冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致了溫差和壓力的差異。由于這個(gè)零件薄平面部分的特點(diǎn),所以對(duì)彎曲非常敏感，而因?yàn)槔鋮s管路2內(nèi)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(jié)果分析流動(dòng)過(guò)程是基于假設(shè)模具本身并不是變形而注入,但在實(shí)踐中,模具本身具有大變形,因?yàn)樽⑸涞膹?qiáng)烈影響,在許多情況下,一個(gè)偉大的對(duì)產(chǎn)品質(zhì)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(jìn)行這種分析的，結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS就具有這種強(qiáng)大的功能。在使用結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行巖心變形分析之前，首先要知道巖心所受的壓力?，F(xiàn)在直接計(jì)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(guò)程中,出生的壓力腔和核心,過(guò)程中塑性流動(dòng)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(jié)果一致，目前進(jìn)行類(lèi)似的估算。通過(guò)與實(shí)際情況的比較，表明綜合運(yùn)用Moldflow和ANSYS可以得到真實(shí)、全面的注塑流動(dòng)過(guò)程和模具本身的變形仿真，可以為模具設(shè)計(jì)提供更有價(jià)值的參考。對(duì)于容易部分變形的材料來(lái)說(shuō)，由于體積較大，且壁薄，這使得塑料流動(dòng)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(guò)程作為材料生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)，是整個(gè)材料生產(chǎn)過(guò)程中保證高溫，連續(xù)，高實(shí)時(shí)性能的關(guān)鍵。由于物理化學(xué)變化和不確定性，材料鑄造工藝的高度復(fù)雜性導(dǎo)致了其生產(chǎn)計(jì)劃、調(diào)度、物流平衡等子問(wèn)題的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的基于數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化方法難以解決這類(lèi)問(wèn)題。同時(shí)，由于人力處理能力有限，人工方法無(wú)法保證質(zhì)量。然而，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是計(jì)算能力和計(jì)算速度的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真理論和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)取得了巨大的成就。計(jì)算機(jī)仿真是解決復(fù)雜問(wèn)題和評(píng)價(jià)復(fù)雜系統(tǒng)的有效手段。在鑄造過(guò)程中使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行研究由來(lái)已久。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是降低了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的成本。在引進(jìn)新技術(shù)或?qū)⑿庐a(chǎn)品投入生產(chǎn)之前，必須進(jìn)行相當(dāng)昂貴的試驗(yàn)。其中一些測(cè)試可以轉(zhuǎn)移到虛擬域，這大大降低了成本。另一個(gè)好處是縮短了引進(jìn)新技術(shù)和啟動(dòng)新產(chǎn)品的時(shí)間框架，因?yàn)槭褂脭?shù)學(xué)模型的部分測(cè)試可以更快地完成。在模擬過(guò)程中同時(shí)使用數(shù)學(xué)模型還可以預(yù)測(cè)情況的變化，并提前做出管理決策，例如設(shè)施的維護(hù)，這降低了他們失敗的可能性?；赼gent的仿真技術(shù)是面向?qū)ο蠓抡婕夹g(shù)和人工智能技術(shù)的綜合發(fā)展。采用智能agent仿真系統(tǒng)作為建模和仿真的基本要素可以使鑄造過(guò)程在運(yùn)行模式、控制模式和部署模式上發(fā)生了重大變化。結(jié)合實(shí)際鑄造工藝與模擬仿真技術(shù)可以產(chǎn)生一種基于契約網(wǎng)機(jī)制的協(xié)商機(jī)制，以靈活完成工廠(chǎng)布局，實(shí)現(xiàn)多種目的，滿(mǎn)足不同工廠(chǎng)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(yīng)的放熱效應(yīng)非常強(qiáng)，因此固化階段的溫度分布起著重要的作用。在此過(guò)程中樹(shù)脂已停止流動(dòng)，不再需要連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、流鋒推進(jìn)方程和粘度模型。因此，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化能量方程和傳質(zhì)方程，通過(guò)對(duì)固化動(dòng)力學(xué)模型積分將模型的鑄造仿真出來(lái)。仿真中使用的三維幾何模型及其離散化需要借助專(zhuān)業(yè)生成器,這些生成器可以產(chǎn)生大量節(jié)點(diǎn)和線(xiàn)性六面體元素，然后將這些離散參數(shù)導(dǎo)入需要的材料參數(shù)和其他參數(shù)模擬。此外，在固化仿真中還應(yīng)該選擇一些關(guān)鍵點(diǎn)安裝熱電偶來(lái)監(jiān)測(cè)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(yīng)用于汽車(chē)零部件的制造。近70%的汽車(chē)零部件是通過(guò)沖壓工藝制造的，目前有十分之一的困難。沖壓產(chǎn)品質(zhì)量的幾個(gè)主要問(wèn)題是起皺和屈曲，撕裂，厚度均勻性，回彈和殘余應(yīng)力。沖壓件的質(zhì)量受到拉進(jìn)模腔的材料數(shù)量的影響。如果材料的流動(dòng)性過(guò)大，就會(huì)起皺。在物料流動(dòng)不足的情況下，會(huì)發(fā)生撕裂或分裂。為了避免影響和改善產(chǎn)品的成形性和質(zhì)量,一些有效的補(bǔ)償?shù)姆椒ㄒ呀?jīng)被使用,比如調(diào)整壓邊力的分布和價(jià)值,改變了當(dāng)?shù)氐臐?rùn)滑條件,調(diào)整拉延筋的布局或幾何形狀,優(yōu)化毛坯形狀,等等。這些方法無(wú)需修改拉延模的結(jié)構(gòu)和型腔形狀，即可方便地投入使用。因此，確定壓邊力、潤(rùn)滑條件和拉延筋設(shè)置等工藝參數(shù)是復(fù)雜沖壓件工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。然而，大多數(shù)時(shí)候，這可能是一個(gè)真正的挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)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(shù)在過(guò)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(yàn)工藝向科學(xué)技術(shù)驅(qū)動(dòng)的工程過(guò)程的歷史性轉(zhuǎn)變。

3.2 利用仿真軟件分析約束力

在成形模擬過(guò)程中，為兼顧計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，將坯料力和潤(rùn)滑劑等效為邊界摩擦力，采用庫(kù)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(xiàn)。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(xiàng)式作為正力。而在實(shí)際成形過(guò)程中，上述約束力是材料流入模腔時(shí)產(chǎn)生的與坯料運(yùn)動(dòng)方向相反的被動(dòng)力。由于摩擦力和拉延筋阻力與彈簧非常相似，在數(shù)值模擬過(guò)程中可以等效為彈簧。國(guó)外一些設(shè)計(jì)人員利用罰函數(shù)處理了塊狀金屬成形過(guò)程中的邊界摩擦力。此外，不少設(shè)計(jì)人員還通過(guò)引入在法向和切線(xiàn)方向上相互獨(dú)立的線(xiàn)性彈簧單元進(jìn)行處理，該方法可以保持約束剛度矩陣的對(duì)稱(chēng)性。設(shè)計(jì)人員還可以利用一種新的摩擦力、拉延筋阻力等約束的數(shù)值處理方法，基于彈塑性大變形動(dòng)態(tài)顯式增量法，將線(xiàn)性彈簧單元等效為邊界摩擦力和拉延筋阻力。通過(guò)對(duì)汽車(chē)蓋板外板的成形過(guò)程進(jìn)行仿真得到的結(jié)果，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果式吻合較好的。

具體來(lái)說(shuō)，在成形模擬過(guò)程中，壓邊力、拉延筋和潤(rùn)滑等邊界條件產(chǎn)生的約束均為外力，并作為邊界條件處理。壓邊力是分布的?？紤]厚度變化對(duì)壓邊板內(nèi)各節(jié)點(diǎn)分布的影響，通常在動(dòng)態(tài)顯式有限元公式的右項(xiàng)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(jiǎn)單，但不反映摩擦阻力和拉延筋阻力的被動(dòng)性。由于在數(shù)值模擬中采用小增量步長(zhǎng)，將前一個(gè)增量步長(zhǎng)的摩擦力增量和拉延筋阻力增量直接添加到正確的項(xiàng)上，可能導(dǎo)致較大的誤差。產(chǎn)生誤差的主要原因是直接加在右項(xiàng)上，被動(dòng)力增量變?yōu)檎?，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(gè)問(wèn)題在仿真軟件中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，但是這兩個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)引入線(xiàn)性彈簧元件解決。

4 結(jié)論

對(duì)于材料成形來(lái)說(shuō)，直接采用實(shí)物進(jìn)行設(shè)計(jì)非常昂貴且浪費(fèi)時(shí)間，采取模擬技術(shù)則可以解決這些問(wèn)題，提高材料成形效率。