冶金企业数字化转型——“虚”“实”相向，材料成型工艺仿真
冶金企业数字化转型——“虚”“实”相向，材料成型工艺仿真
机械产品的设计与制造与成型工艺密切相关，成型工艺的优劣对产品的质量的影响至关重要，合金材料常见的成型工艺主要包括轧制、锻压、冲压、挤压、旋压、焊接、特种成形、粉末冶金、增材制造、机加工及热处理等。随着生产加工水平的提高，对产品的精度、成本要求也越来越高，过去的依靠经验+试验的方法，进行模具制造和加工控制已越来越不能满足工程需要。以数字化仿真技术为代表的现代科学技术对合金材料成型工艺提出了更高、更新的要求，随着冶金企业数字化应用的不断深入，CAE的发展也逐渐占据了成型工艺设计与优化的高端位置。引进数字化模拟技术，利用CAE软件分析和优化生产制造工艺势在必行。CAE计算机模拟技术及相应的成形工艺仿真平台，无论是在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本，减轻劳动强度等方面，都有很大的优越性。
达索系统SIMULIA Abaqus的合金材料成型工艺数字化仿真解决方案，提供完整的成型工艺仿真体系，为企业提供全方位、全工艺的数值模拟分析方案，囊括了各种金属的多种成型工艺分析，包括锻造（自由锻、模锻）、特种成型（旋压）、轧制、挤压、机加工、冲压、拉拔、热处理等。基于有限元、离散元、光滑粒子等先进算法，对合金材料进行微观、介观到宏观的多尺度联合仿真，实现合金材料从研发设计到成型工艺的一体化分析，从而满足企业成型工艺复杂化及仿真分析的深层次需求。
金属轧制工艺分析是一个典型的非线性问题，它需要考虑材料塑性、结构大变形和接触等所有非线性因素，SIMULIA Abaqus/Explicit提供了大变形和高度非线性过程分析的准静态方法，可以有效地模拟环轧、型轧、多道次轧制等等轧制工艺，可以进行板材、管材、线材、型材的轧制分析，以及考虑轧制过程中的弯辊力、轧辊横向移动、轧辊下压量变化等各方面工艺参数的影响。可以有效预测轧制过程中出现的折叠、凹坑、蝶形、壁厚不均、压扁、椭圆、锥度、塔型卷曲、流线紊乱等成型缺陷。
SIMULIA Abaqus提供强大的处理非线性的功能，可以模拟锻造成型过程中的局部大位移、大转动，以及复杂的接触算法（包括刚体－刚体，刚体－变形体，变形体－变形体，其中刚体表面还可以是解析刚体面），可以进行多种锻造工艺的模拟，包括自由锻、模锻、辗环、特殊锻造（辊锻、锲横轧、径向锻造、液态模锻）等。通过仿真分析，能够了解金属塑性成形的全过程，包括金属成形过程中各阶段材料填充模具的情况、材料变形趋势、材料内部的应力、应变、应变速率、成形载荷和速度矢量场等信息。进而为锻造工艺和锻造模具的设计提供科学指导。
可以对挤压过程进行模拟，快速计算型腔内的材料流动，预测成形缺陷以及挤压成形过程中的温度场，应力应变及材料流速变化，评估挤压模具设计。
旋压工艺分析
可方便设置多组旋轮的独立和同时运动，实现复杂的运动轨迹，从而对普通拉伸旋压、强力旋压、缩孔旋压等多种旋压工艺进行仿真分析，SIMULIA abaqus强大的自适应网格划分技术可充分保证模拟结果的精度，精确预测成形件的形状，应力应变分布，以及成形缺陷等，从而对工具旋转速度、进给深度、轧具尺寸等工艺参数进行优化。
SIMULIA Abaqus强大的非线性分析模拟能力可以对铣、刨、钻、车削、剪切等多种机加工工艺进行仿真分析，可以实现机加工过程中的结构-热耦合分析，可以模拟切削屑的产生及流动状态以及获得机加工件在卸载后的变形和残余应力分布情况，可以对刀具的应力应变、强度、磨损情况、疲劳寿命进行分析，进而对刀具的结构和加工工艺参数，如进给量、切削角度、切削速度及深度等进行优化。
通过快速进行整体逐层仿真，预测金属零件的结构应力和变形，从而尽可能减少/避免变形，最大限度地降低残余应力，在此基础上优化堆积方向，优化支撑结构。除此之外，还可以考察热处理、基板和支撑结构切除之后部件的状态，帮助用户一次就成功生产出增材制造部件。
具有材料的焊接工艺分析能力，可实现摩擦焊、电阻焊（点焊、缝焊）等，可计算焊缝温度场，应力应变、扭曲变形等数据。通过对SIMULIA abaqus进行二次开发，可实现焊接过程焊缝微观组织的模拟计算，包括晶粒尺寸，回复再结晶等，评估焊接性能，进而对焊接位置、焊接顺序、压力、电流、速度、时间等焊接工艺参数进行优化。
钣金冲压工艺分析
冲压在机械加工行业中占有非常重要的地位，其广泛应用于航空航天制造，汽车覆盖件制造等行业，冲压件产值在整个钣金加工行业也占有相当大的比例。以航空航天、汽车覆盖件为例，该类钣金冲压模具型面复杂，模具设计和制造水平要求高，难度大，冲压工艺也同样繁杂，传统的“试错”法在研发过程中造成模具报废多、成本高、周期长等缺点，降低了企业的市场竞争力。
可以模拟钣金冲压成型工艺，并进行回弹分析，模具的疲劳分析及磨损分析。预测成型过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成型性能，从而为钣金成型工艺参数优化及模具设计提供帮助。
特殊成型工艺分析
SIMULIA Abaqus拥有丰富的弹塑性本构材料模型和各项异性材料模型，可以模拟一系列特殊成型工艺过程，如：蒙皮拉伸成型、超塑成型、橡皮囊成型和弯管成型等等。前者可以为特殊成型过程提供多种本构模型，例如超塑性材料的成型，后者主要针对板材的各向异性性质。模具的运动即可以用变形体也可以用刚体来模拟，各种摩擦模型和丰富的接触算法可用来处理任意复杂的三维接触面问题。功能强大的非线性功能，可以模拟成型过程中的局部大位移、大转动，同时为了处理成型过程中可能遇到的网格扭曲问题，SIMULIA Abaqus还提供网格自适应算法，从而可以保证成型过程中的高质量网格。
热处理工艺分析
可以模拟各种淬火、退火、回火等热处理工艺过程，得到零件的温度分布、变形量、硬度、残余应力等结果，快速直观了解热处理工艺参数对变形、残余应力的影响，预测热处理过程中的缺陷，指导热处理工艺优化。通过准确描述零件在高温状态下的应力应变关系，对产品热处理方案进行仿真验证及优化，降低热处理失效的风险。
（退火过程）
粉末冶金分析
可以进行金属粉末的模压、粉末烧结、粉末锻造成型工艺分析，可以预测压实过程中，粉末密度变化、应力应变、温度变化、体积变化、成型尺寸等结果。
总结
成型工艺分析是一个复杂的有限元分析过程，通常采用准静态分析方法。这种分析方法在实际计算时通常会遇到以下难点：
由毛胚到成品，几何形状变化较大；对板材而言，屈曲造成的起皱通常影响很大
塑性会带来材料流动和网格扭曲奇异，从而造成计算收敛困难
热加工和冷加工物理机理和力学表现不同，温度效应不能忽视
模具和工件之间接触连接通常带来大的状态跳跃和边界不连续
金属成型和之后的回弹要求用不同的分析方法来实现（成型用显示的方法，回弹用隐式的方法），两个分析过程的数据传递通常较为困难
上述难点使材料成型过程的数字化模拟成为一项复杂而艰巨的工作，这既是对CAE工程师的挑战，也是对有限元分析软件的考验。达索系统SIMULIA Abaqus作为一种强大的分析软件，在成型领域有着多年的应用经验和大量应用实例。对于加工成型的特定问题，很难找到其他一种软件或软件组合可以象达索系统SIMULIA Abaqus一样，给出既全面又方便和完满的解答。
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