双求解+新材料库！Forming金属成形工艺仿真迈开材料加工一大步

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：当前在智能化转型过程中，数值模拟技术作为支撑手段发挥着关键作用，不仅大幅减少了实际试验需求，还显著提升了复杂形状零件成形的成功率和效率，为材料加工工业的绿色高效生产提供了科学依据和技术支持。随着全球工业文明的进步和生态文明需求的提升，传统生产方式在追求高效的同时，往往伴随着资源消耗大、环境污染严重等问题。因此，通过智能化手段实现绿色高效生产成为行业发展的必然趋势。

数值模拟技术的基本应用范围，包括有限元分析、计算流体动力学等技术。针对材料加工工业中的典型问题，如零件成形过程中的变形预测、温度场分析、应力应变状态评估等，数值模拟技术展现出了显著的应用价值，可以精确预测零件成形过程中的变形规律和温度场分布，为工艺参数优化提供科学依据。此外，数值模拟技术还能有效评估工艺参数对产品质量和尺寸精度的影响，为生产过程中的质量控制提供有力支持。最重要的是，数值模拟技术实现了对复杂工程问题的虚拟试验，大幅减少了实物试验的需求，降低了生产成本和环境污染。

8月15日19时30分，笔者受邀在仿真秀主办的2024仿真产学研用系列讲座第12期做《Simufact Forming钛合金热压成型分析》，冀以帮助读者快速理解数值模拟分析的理论依据，认识Simufact Forming有限元软件，探究仿真分析的后处理技术关键和如何利用仿真结果进行真正的工艺优化。诚邀专家学者、企业工程师和工科学子及教师参加交流。详情见后文：

一、有限元基本理论

有限元基本理论是数学和工程领域中的一个重要概念，它基于“离散逼近”的基本策略，通过离散化和分片插值的方法，将复杂的连续体问题转化为有限个简单问题的组合进行求解。

有限元方法（Finite Element Method，FEM）的基本原理是将连续的求解域离散化为一组有限个、按一定方式相互联结在一起的单元的组合体。在每个单元内，通过假设的近似函数（通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数表示）来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。这样，一个连续的无限自由度问题就被转化为离散的有限自由度问题，从而可以通过数值方法求解。有限元分析主要包括以下三个步骤：

1.离散：将实体模型划分为有限个单元，这些单元的形状各异，一般在二维问题上分割的单元为三角形或矩形，三维空间里分割的单元为四面体或多面体。分割后单元的顶点称为节点。

2.单元：将差值分析的方法应用到对离散单元的分析中，把离散单元上的点表达为未知函数，并通过形状函数和离散网格点函数展开，以此建立插值函数的线性方程。

3.求解近似值：利用分片插值的方式将各单元上的物理问题及力学问题进行求解，最终得到整个求解域上的近似解。

有限元法可以分为线性有限元法和非线性有限元法两大类。线性有限元法以理想弹性体为研究对象，所考虑的变形建立在小变形假设的基础上，材料的应力与应变呈线性关系。非线性有限元法则用于解决非线性问题，这类问题的方程是非线性的，一般需要迭代求解，且不能采用叠加原理。有限元基本理论为数学和工程领域提供了一种强大的数值分析方法，通过离散化和分片插值的方式，将复杂的连续体问题转化为有限个简单问题的组合进行求解，具有高度的灵活性、准确性和高效性。

二、网格划分

有限元模拟中的网格划分是建立有限元模型的关键环节，其质量直接影响计算精度和计算效率。网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来说，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加。在确定网格数量时，应权衡计算精度和计算成本，综合考虑分析数据的类型。例如，在静力分析中，如果仅计算结构的变形，网格数量可以少一些；如果需要计算应力，则应取相对较多的网格。

网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，以适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位（如应力集中处、几何形状变化的位置等），需要采用比较密集的网格，以更好地反映数据变化规律。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。单元形状对计算精度有较大影响。例如，四边形网格比三角形网格多一个节点，因此其试函数阶次更高，求解精度更高。建议尽量使用四边形网格，尤其在重点关注区域。

网格质量也是影响计算精度的关键因素。质量好的网格应满足一定的几何形状要求，如边长比、面积比或体积比接近理想值，扭曲度和翘曲度较小等。结构中的一些特殊界面和特殊点应划分为网格边界或节点，以便定义材料特性、物理特性、载荷和位移约束条件。相邻单元的共有节点应具有相同的自由度性质，以保证位移协调。对称结构应尽量使用对称的网格划分，以避免错误的模态分析结果。利用工程结构中的重复对称或轴对称、镜象对称等特点，可以提高求解的效率和精度。

三、Simufact软件介绍

Simufact软件是世界领先的金属成形工艺仿真软件，于本世纪初开始在我国的航空航天、铁路运输业、石油化工、机械制造、能源、汽车、电子、造船、轻工、地矿、水利等领域逐步得到推广和应用，为各领域中产品设计、科学研究做出了一定的贡献。

Simufact是一个先进的材料加工及热处理工艺仿真优化平台，包括：辊锻、楔横轧、孔型斜轧、环件轧制、摆碾、径向锻造、开坯锻、剪切/强力旋压、挤压、镦锻、自由锻、温锻、锤锻、多向模锻、板管的液压胀形等材料加工工艺均可用Simufact进行仿真。Simufact采用的求解器包括MARC（有限元法FEM）与DYTRAN（有限体积法FVM）两种，具备快速、强健和高效的求解能力。

Simufact Forming是一款致力于金属成形工艺仿真的CAE软件，其前身是MSC.SOFTWARE公司的Superform和Superforge，Simufact Forming将两者的优势很好的整合到一起，适用于金属冷热锻、辊锻、轧制、摆碾、环轧、自由锻、机械连接、压力焊接等加工工艺。

此外，Simufact Forming软件同样具备模具应力分析、热处理工艺仿真、材料微观组织仿真等模块。在仿真过程中，Simufact软件充分考虑材料、边界条件、工件接触分离特性等一系列非线性问题，能够将实际工艺过程及特点进行高质量复现，从而获取精确的仿真结果。

Simufact采用了双求解器技术，将世界知名非线性求解器MARC（FEM有限单元法）与DYTRAN（FVM有限体积法）进行有效集成，两种求解器优势互补，为用户带来高质量的使用体验。Simufact的GUI采用的是经典Windows软件布局，简单高效易上手，并随着版本的更新，软件在各项交互逻辑上有了重大改进，极大方便了用户的使用。

四、案例分析

目前国内所使用仿真软件基本上是国外软件。软件内置的材料数据库大多数都是依照国外标准，Simufact.forming材料库中对应的国外材料牌号有美标、日标、德标，新的版本中也把国标材料标准加入了材料库中，方便国内客户选择。如果材料库中没有用户所需的材料数据。这时需要用户根据实际情况导入新的材料数据。一般来说，大多数仿真软件均可由用户自定义材料数据，在Simufact.forming中添加材料数据较为便利。

1、拉拔工艺模拟

拉拔工艺是一种通过拉伸金属材料来使其在直径和长度方面变细的金属加工工艺。该工艺可以用于制造各种型号的金属材料，如线材、棒材、管材、钢丝等。在拉拔过程中，金属材料经过多次拉伸和减小，最终获得所需的尺寸和形状。

首先，根据实际拉拔工艺的几何形状和尺寸，建立三维或二维的几何模型。定义金属材料的物理和力学性能参数，如弹性模量、屈服强度、硬化系数等。而后，将几何模型划分为有限个单元，并定义各单元之间的连接关系。网格划分的质量对模拟结果的准确性有很大影响。根据实际拉拔工艺的条件，设置模型的边界条件和载荷，如拉拔速度、拉拔力、模具形状等。利用有限元软件对模型进行求解计算，得到金属材料在拉拔过程中的应力分布、应变变化等结果。最后，对模拟结果进行分析，评估金属材料的变形行为和工艺参数的合理性。通过调整工艺参数，优化拉拔工艺，提高产品质量和生产效率。

拉拔工艺模拟是一个复杂但重要的过程，它可以帮助工程师预测金属材料的变形行为、优化工艺参数并减少试验成本。随着有限元方法和计算机技术的不断发展，拉拔工艺模拟的准确性和效率将不断提高，为金属材料的加工和制造提供更加有力的支持。

2、锻造工艺模拟

锻造工艺模拟的基础理论涉及材料力学、塑性力学、热力学以及计算力学等多个学科。其核心在于建立能够准确描述金属材料在锻造过程中变形、传热、相变等行为的数学模型。

加热是锻造工艺的第一道工序，其目的是使金属材料达到适宜的锻造温度，以保证良好的塑性和变形抗力。加热过程模拟主要关注温度场的分布和变化，以及加热速率对材料组织和性能的影响。通过模拟，可以优化加热工艺参数，如加热温度、加热速率和保温时间，以减少氧化皮形成、避免过热过烧现象，并促进材料的均匀化。

锻造过程模拟是锻造工艺模拟的核心内容，它涉及材料在模具中的流动行为、应力应变分布、温度变化以及微观组织演变等多个方面。通过模拟，可以预测锻造件的形状和尺寸精度、内部缺陷（如裂纹、折叠等）的产生与分布，以及材料的力学性能和微观组织变化。这为工艺方案的制定和模具设计的优化提供了重要依据。微观组织是影响金属材料性能的关键因素之一。锻造过程中的热加工变形会导致材料的再结晶、相变和晶粒细化等微观组织变化。微观组织模拟旨在通过建立材料的微观结构模型，结合热力学和动力学理论，预测锻造过程中微观组织的变化规律及其对材料性能的影响。这有助于深入理解锻造工艺与材料性能之间的关系，为高性能材料的研发提供理论指导。

工艺参数的优化是锻造工艺模拟的重要目标之一。通过模拟不同工艺参数组合下的锻造过程，可以评估其对锻造件质量、生产效率和成本的影响。基于模拟结果，可以采用优化算法（如遗传算法、粒子群算法等）对工艺参数进行寻优，以获得最佳的工艺方案。这有助于提高锻造件的成品率、降低生产成本并提升产品的市场竞争力。

3、热压成型模拟

热压成型模拟技术能够帮助工程师在产品设计阶段就预测出材料的变形行为、温度分布、应力应变状态以及微观组织变化等关键参数，从而优化工艺参数，提高产品质量和生产效率。热压成型模拟模型通常包括材料的本构关系、热传导方程、边界条件以及初始条件等。

通过模拟，可以预测材料在热压过程中的变形行为，包括形状变化、尺寸精度以及内部缺陷的产生与分布等。通过调整模拟中的工艺参数（如温度、压力、时间等），可以找到最佳的工艺条件，以提高产品的质量和生产效率。此外，通过优化工艺参数和预测内部缺陷，可以提高产品的成品率和可靠性。

随着计算机技术的不断发展和计算能力的提升，热压成型模拟技术将朝着更高精度、更高效率、更多功能的方向发展。未来，热压成型模拟技术将更加注重微观组织模拟和多场耦合模拟的研究，以更全面地描述材料在热压过程中的行为。同时，随着人工智能和大数据技术的引入，热压成型模拟技术将更加智能化和自动化，为工程师提供更加便捷和高效的工具。

五、钛合金热压成型分析

钛合金热压成型是一种重要的金属加工技术，广泛应用于航空、航天、船舶、医疗器械等高端制造领域。我们知道钛合金热压成型技术通过加热和压力的共同作用，使钛合金材料在模具中发生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制品。该技术主要包括加热系统、压力系统、模具以及控制系统等关键组成部分。

当前，钛合金热压成型技术能够制备出高精度、高强度的钛合金制品，满足高端制造领域的严格要求。该技术具有成型效率高、生产周期短的特点，能够大幅提高生产效率。与其他制造工艺相比，钛合金热压成型技术在生产成本上具有一定优势。并且该技术广泛应用于航空、航天、船舶、医疗器械等领域，为这些领域提供了重要的技术支持。但是钛合金热压成型技术也存在以下挑战：例如氧化问题、模具寿命和变形抗力等。

8月15日19时30分，由仿真秀主办的2024仿真产学研用第12期专家报告将邀请沈阳理工大学邓晓婷副教授带来《Simufact Forming钛合金热压成型分析》，诚邀专家学者、企业研发工程师和工科学子及教师参加交流。本期讲座在仿真秀官网和APP同步直播，支持反复回看，欢迎读者朋友收藏和分享。以下是直播安排

2024仿真产学研用（十二）Simufact Forming钛合金热压成型分析-仿真秀直播