锻压工艺仿真标准及案例验证

刘 昊，陈 杰，周 成，居里锴，蒋亚平

（1.南京理工大学，江苏 南京 210094；2.中机生产力促进中心，北京 100044；3.中国北方车辆研究所，北京 100072）

0 引言

随着计算机技术、网络技术与有限元法的日趋成熟，新技术的不断涌现，使得数字化仿真技术得到空前发展。数字化仿真技术在产品开发研制过程中的应用，改变了传统机械设计制造方式，缩短了研发周期，降低了开发成本，提高了产品质量，并且能够完成复杂产品的设计评估、训练操作。

根据《国家智能制造标准体系建设指南（2018版）》要求，充分发挥标准的基础规范、技术支撑和示范引领作用，促进仿真技术广泛应用，从而推动机械行业全面建立数字化研发体系，形成智能化工厂创新模式，促进传统企业向智能制造转型。为响应智能制造要求，急需制定一批数字化仿真标准，满足企业的迫切需求。

目前，我国机械产品制造业数字化仿真系统存在相关标准的缺失，导致企业对仿真技术缺乏系统认知，难以与生产实际相结合；机械产品制造工艺仿真领域还处于相对落后和混沌的状态，既不利于机械制造业的提升，也不利于仿真技术的规范管理。因此，有必要对机械产品制造全过程应用数字化仿真相关理念进行普及，对仿真方法与应用要求做出规范。

本文通过分析仿真标准对于产品开发的重要性，开展了锻压工艺仿真的标准化工作，分析锻压工艺仿真的基本内容与仿真流程，最终运用实例验证锻压工艺仿真标准的正确性与适用性。

1 仿真标准对产品开发重要性

在研究数字化仿真技术时，我们习惯性将仿真技术按照应用领域进行划分，比如机械系统仿真、控制系统仿真、电子系统仿真等。可见，数字化仿真技术是一种将仿真工具与应用领域紧密结合的技术。脱离了工程实际与具体应用，仿真仅仅变成了计算机技术，失去了工程应用价值，也就无法达到推动仿真技术在机械行业企业广泛应用的目的。因此，必须结合仿真技术在相关领域的应用，制定能够满足实际应用需求的标准，从而形成完整的能够指导未来数字化仿真标准化工作的标准体系。

在数字化仿真现阶段开展工程领域技术层次的标准化工作，及时挖掘发现并整理总结相关企业运用数字化仿真的成功案例与宝贵经验，并加以消化吸收，综合固化后可为其他单位提供可借鉴的应用方案，进一步发挥仿真技术应用标准在产品开发中的先导作用，从而使数字化仿真技术得以推广并发挥其应有作用[1]。

2 锻压工艺仿真标准主要内容

2.1 锻压工艺仿真概念

锻压工艺仿真实质上就是在已知坯料几何形状、边界条件、初始条件及工件材料的所有一切参数条件下利用有限元方法分析求解此组微分方程[2]。

锻压工艺仿真是指在计算机环境下动态显示产品锻压成形过程，形象地显示外部形状、内部组织、缺陷、变形等变形体的演变过程，从而预测在不同条件下材料经过成形改性制成零件后的组织性能质量，特别是能够及时找出易发缺陷的成因及消除方式。最后通过在虚拟条件下调整不同的工艺方案与参数，找出最优化工艺方案，将传统工艺设计时优化工艺途径通过计算机进行模拟并修改构思处理，从而节省投入研发成本、提高开发设计效率。

2.2 锻压工艺仿真主要步骤

在进行锻压工艺仿真技术应用时，主要步骤可分为5部分。锻压工艺仿真一般流程如图1所示。

（1）通常对变形体进行网格划分，得出有限网格节点，将变形体的节点速度和温度作为求解变量。

（2）考虑坯料成形过程中的某一时刻，当变形体的速度场和温度场求解出以后，通过对速度场进行积分便可得到变形体的位移场及变形体在某一时刻各点的坐标位置，据此可由几何方程进一步计算出变形体的应变率。

（3）考虑材料属性，将材料的本构方程由初始微观组织、温度、应变、应变率计算得出变形体应力值。

（4）利用微观组织演化方程展现由初始微观组织、应变、应变率和应力计算时出现的微观组织变化。

（5）根据边界应力可求得模具所受到的压力值大小以及所需的压机载荷。

3 锻压工艺仿真标准案例验证

下面以热冲压成形的汽车B柱零件为例验证锻压工艺仿真标准。采用有限元分析软件ABAQUS，截取B柱“大头段”进行热冲压成形分析，研究钢板的高温变形过程及温度厚度变化。图2为“大头段”热冲压成形有限元网格模型。 上模（punch）、下模（die）、压料板（binder）均为实体单元，板料（blank）采用壳单元。上模、下模和压料板均采用刚体约束，板料为变形体，厚度为1.6mm。

定义材料属性，根据测量得到材料的本构关系，确定材料密度、弹性模量、塑性模量、热传导率、比热和扩散系数等参数。将材料分别赋予给模型部件。

设置接触属性，采用罚函数算法模拟摩擦接触力，创建分析步实现工件与模具随时间性接触，从而实现上模、下模与压料板在不同时刻与板料发生接触。

采用显式算法与温度场位移耦合分析，网格类型选用四面体单元。对下模添加固定约束，压料板下移与板料发生接触后对板料持续施加压边力，此时上模向下运动实现板料的成形过程。热冲压成形运动完成后的温度场、应力场与厚度分布如图3～5所示，此模拟结果与实际锻压测量结果非常接近，验证了CAD建模、CAE锻压分析中热物性参数测量、材料属性、边界条件处理与接触定义的正确性与适应性。

图3 锻压模部件温度场分布Fig.3 Temperature field distribution of forging die parts

图4 板料厚度分布Fig.4 Sheet thickness distribution

图5 板料应力-应变分布Fig.5 Sheet Stress-Strain Distribution

4 结论

数字化仿真是智能工厂的重要组成部分，而锻压工艺也是机械制造领域不可或缺的加工工艺。故开展锻压工艺仿真标准研究工作，通过锻压工艺仿真应用实例，吸纳国际先进学术研究成果，归纳总结出符合行业需求与技术规定的通用要求。锻压工艺仿真标准为机械产品实现数字化仿真制造提供技术支撑和规范性指导，有助于仿真技术在产品全周期内的应用，促进和规范了机械产品工艺仿真的推广与应用，有效提高机械产品质量，缩短研发周期，降低生产费用。