大鍛件數(shù)值模擬定量準(zhǔn)確性探討

呂亞臣齊作玉任運(yùn)來(lái)

(1.上海電氣集團(tuán)總公司，上海200336;2.上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245; 3.上海電機(jī)學(xué)院，上海200240)

試驗(yàn)研究

大鍛件數(shù)值模擬定量準(zhǔn)確性探討

呂亞臣1齊作玉2任運(yùn)來(lái)3

(1.上海電氣集團(tuán)總公司，上海200336;2.上海重型機(jī)器廠有限公司，上海200245; 3.上海電機(jī)學(xué)院，上海200240)

介紹了現(xiàn)有大鍛件模擬軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況間的差異問(wèn)題，從計(jì)算機(jī)模擬的基本原理和大鍛件的生產(chǎn)特征等方面研究分析了差異存在的原因，提出了解決該問(wèn)題的一些具體建議。

大鍛件;數(shù)值模擬;準(zhǔn)確性

大型鍛件是大型設(shè)備的重要部件，一旦報(bào)廢，制造廠和用戶都會(huì)損失慘重。大鍛件的生產(chǎn)通常是單件或小批量，其形狀尺寸和質(zhì)量要求也各不相同，因此，很難摸索其生產(chǎn)制造規(guī)律，許多工藝需要從頭開發(fā)。

隨著彈塑性有限元理論的出現(xiàn)、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，有了數(shù)值模擬成形的方法、技術(shù)和軟件產(chǎn)品。其特征是，不需要直接進(jìn)行試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，只需通過(guò)計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算，就能獲得研究結(jié)果。這種技術(shù)近年來(lái)快速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在工業(yè)界中，在鍛壓行業(yè)也得到一些成功應(yīng)用，如在批量化的模鍛、沖壓等領(lǐng)域。

但是，到目前為止，大型自由鍛數(shù)值模擬的應(yīng)用實(shí)際上還很不成熟。目前，所發(fā)表的大鍛件數(shù)值模擬研究成果主要分為兩類，一類是沒(méi)有實(shí)際對(duì)比分析的理論研究，僅用于制定工藝前的參考;另一類是與實(shí)際情況有些個(gè)別點(diǎn)上的數(shù)值對(duì)比或定性對(duì)比的研究。即使是有實(shí)際對(duì)比的研究，也只有定性參考意義，缺乏可靠的定量準(zhǔn)確結(jié)論和可直接定量應(yīng)用的實(shí)際意義。

隨著技術(shù)發(fā)展，大鍛件數(shù)值模擬準(zhǔn)確性問(wèn)題必將成為技術(shù)和管理人員重點(diǎn)關(guān)注和值得探討的問(wèn)題。

本文力圖探討大鍛件數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的條件，不準(zhǔn)確的原因和實(shí)現(xiàn)有效應(yīng)用的一些方法途徑。

1 數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的基本條件

1.1 力學(xué)模型正確

力學(xué)模型是否正確取決于用戶在建立力學(xué)模型時(shí)是選擇了傳統(tǒng)的金屬流動(dòng)模型，如彈塑性模型、彈粘塑性模型、剛塑性模型和剛粘塑性模型，還是另外創(chuàng)立了適合的新模型，如真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線或金屬流動(dòng)曲線。

另外，在建立力學(xué)模型的同時(shí)，為了使得數(shù)學(xué)模型的建立和求解得以實(shí)現(xiàn)，選擇和使用塑性成形原理的一系列力學(xué)規(guī)律，如材料的各向同性假設(shè)、體積不變?cè)?、虛功原理等?/p>

1.2 數(shù)學(xué)模型正確

數(shù)學(xué)模型是在力學(xué)模型的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的微分方程組。所建立的數(shù)學(xué)模型可能與實(shí)際情況有差異，從而導(dǎo)致有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)際不符。

模擬軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算是否準(zhǔn)確取決于所采用的有限元方法的類別與建立的微分方程式是否正確。其類別之一是采用彈塑性有限元和彈粘塑性有限元。這類有限元在彈性區(qū)采用虎克彈性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系定律，塑性區(qū)采用塑性變形普郎特-勞斯彈塑性增量方程屈服準(zhǔn)則，主要適用于板形材料的塑性變形。其類別之二是采用剛塑性有限元和剛粘塑性有限元。剛塑性有限元主要用于金屬冷加工的塑性變形問(wèn)題。剛粘塑性有限元是把熱加工金屬視為牛頓不可壓縮流體建立起來(lái)的有限元方程。對(duì)于熱加工，剛粘塑性有限元法是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的分析金屬成形問(wèn)題最先進(jìn)的方法之一。

有限元中，剛塑性有限元法是假設(shè)材料具有剛塑性的特點(diǎn)，把實(shí)際的加工過(guò)程定義為邊值問(wèn)題，從剛塑性材料的變分原理或上界定理出發(fā)，有限元模式把能耗率表示為節(jié)點(diǎn)速度的非線性函數(shù)，利用數(shù)學(xué)上的最優(yōu)化原理，在給定變形體某些表面的力邊界條件和速度邊界條件的情況下，求滿足平衡方程、本構(gòu)方程和體積不變條件的速度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。速度場(chǎng)的真實(shí)解使以動(dòng)可容速度場(chǎng)建立的能量泛函取極小值。但所得到的塑性力學(xué)的微分方程組一般不能用解析法求解，常采用數(shù)值解，這樣就會(huì)出現(xiàn)各種誤差。誤差取決于所用的數(shù)值方法。

1.3 算法穩(wěn)定優(yōu)化

算法是否穩(wěn)定優(yōu)化也有許多條件，如插值函數(shù)階數(shù)的高低，通過(guò)算法優(yōu)化可使有限元解的近似方程不斷地被改進(jìn)。

1.4 單元?jiǎng)澐志?xì)

理論上是單元?jiǎng)澐衷郊?xì)越好。但是，單元?jiǎng)澐志?xì)增加了計(jì)算量。

1.5 選擇的邊界條件正確

正確的邊界條件不能自動(dòng)建立，選擇不同會(huì)導(dǎo)致結(jié)果差異極大。

軟件的使用者需要能正確和科學(xué)地確定所建立模型的邊界條件和影響因素，如摩擦條件、材料參數(shù)、模具與設(shè)備、變形機(jī)理和成品性能。

2 目前數(shù)值模擬不準(zhǔn)確的原因

幾乎所有現(xiàn)行鍛壓模擬軟件的預(yù)報(bào)能力都與實(shí)際的金屬成形工藝存在一定的差距。可以認(rèn)為，數(shù)值模擬不準(zhǔn)確是絕對(duì)的，準(zhǔn)確是相對(duì)的。對(duì)于大鍛件的數(shù)值模擬，其差距更為突出。

站在軟件管理的角度，大鍛件計(jì)算機(jī)模擬軟件實(shí)際應(yīng)用水平低的主要原因是:(1)無(wú)公認(rèn)準(zhǔn)確和科學(xué)的度量;(2)產(chǎn)品性質(zhì)不同，很難有通用的度量;(3)使用涉及不定因素和人為因素;(4)使用者片面理解和使用可能會(huì)造成負(fù)面影響和效果等。

站在大鍛件專業(yè)的角度，大鍛件成形數(shù)值模擬不準(zhǔn)確還有其特殊原因，歸納如下:

(1)大鍛件生產(chǎn)復(fù)雜:大鍛件生產(chǎn)具有單件小批量生產(chǎn)特征，同一產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程也很難完全一樣和重復(fù)再現(xiàn)。為此，大鍛件數(shù)值模擬的邊界條件通常動(dòng)態(tài)變動(dòng)或呈現(xiàn)極大的不穩(wěn)定性。

(2)大鍛件基礎(chǔ)理論不完善:比起其它工程力學(xué)，塑性力學(xué)的理論還不完善。比如用金屬塑性加工理論中的鐓粗力公式對(duì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比時(shí)發(fā)現(xiàn)，差異隨著尺寸增大而迅速加大。這說(shuō)明了塑性加工理論的不完善，說(shuō)明大鍛件相似性規(guī)律仍具有未知性。因此，大鍛件壓力加工的力學(xué)模型和求解方法也尚不完善。這些理論也與數(shù)值模擬建立力學(xué)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)直接相關(guān)。

(3)大鍛件商業(yè)軟件名不副實(shí):商業(yè)軟件都聲稱可以模擬大鍛件，其實(shí)軟件本身缺少在大鍛件領(lǐng)域中專門的應(yīng)用研發(fā)。

(4)要求目標(biāo)過(guò)低:由于大鍛件生產(chǎn)復(fù)雜，人們對(duì)大鍛件的數(shù)值模擬軟件期望不高，覺(jué)得能有定性參考意義就不錯(cuò)了。

3 提高數(shù)值模擬準(zhǔn)確性的探討

(1)慎重選擇軟件

對(duì)于大鍛件數(shù)值模擬軟件，要選擇有實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)、在國(guó)外大鍛件企業(yè)中解決過(guò)實(shí)際問(wèn)題并有過(guò)改進(jìn)升級(jí)的軟件。軟件需要經(jīng)過(guò)用戶使用證明和權(quán)威機(jī)構(gòu)測(cè)評(píng)。

(2)研究軟件應(yīng)用

如果我們已經(jīng)擁有了這樣一個(gè)軟件，可以做的就是不斷地試用并與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)一定數(shù)量的模擬與實(shí)際對(duì)比修正大鍛件數(shù)值模擬軟件。古布金曾統(tǒng)計(jì)了尺寸對(duì)計(jì)算變形抗力的影響，提出了尺寸修正系數(shù)表，后來(lái)又有了尺寸系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式和曲線表。這些對(duì)應(yīng)用塑性力學(xué)公式和相似理論有很大幫助。通過(guò)一定數(shù)量的模擬與實(shí)際對(duì)比來(lái)修正軟件是提高數(shù)值模擬相似度和準(zhǔn)確性的有效方法。具體辦法是，利用數(shù)值方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)分析來(lái)修正或建立相似規(guī)律。隨著鍛造設(shè)備的更新?lián)Q代，壓機(jī)都有了數(shù)據(jù)測(cè)量、顯示和記錄。為此，我們可以用數(shù)值方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，開展曲線擬合與相關(guān)分析，研究模擬件與實(shí)物的關(guān)系。通過(guò)回歸分析，把模擬件與實(shí)物的關(guān)系用函數(shù)形式表達(dá)出來(lái)，獲取或建立曲線擬合公式，從而提高模擬相似度和準(zhǔn)確性。

(3)研究基礎(chǔ)理論

研究大鍛件有限元的力學(xué)基礎(chǔ)，研究大鍛件塑性成形原理的相似理論與現(xiàn)有金屬塑性成形原理所存在的問(wèn)題，發(fā)展完善新的相似理論與新的金屬塑性成形理論，包括從流體力學(xué)的角度研究金屬塑性力學(xué)。

［1］ 呂亞臣，齊作玉，任運(yùn)來(lái)，等.大鍛件成形物理模擬相似理論的研究.大型鑄鍛件，2011(6):44-46.

［2］ 常海平.雙向拉應(yīng)力條件下鍛件內(nèi)部孔洞缺陷的模擬分析.大型鑄鍛件，2012(4):18-20.

［3］ 陳曉慈.大鋼錠定向凝固技術(shù)研究.大型鑄鍛件，2013(1): 1-8.

［4］ 楊運(yùn)民，李其，蔣新亮.特大型支承輥表淬工藝數(shù)值模擬.大型鑄鍛件，2012(6):1-5.

［5］ 馬廷威，王玉紅.DEFORM模擬WHF法在支撐輥鍛造中的應(yīng)用.大型鑄鍛件，2012(6):1-5.

［6］ 王勖成.有限單元法.第一版.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

編輯 杜青泉

Study on the Quantitative Accuracy Problems of Numerical Simulation for Heavy Forgings

Lv Yachen，Qi Zuoyu，Ren Yunlai

This paper introduces the difference between the calculation results and the actual situations of simulation software for heavy forging.The reasons for the difference are studied and analyzed based on the basic principal of computer simulation and themanufacturing characteristics of heavy forging etc.The detailed suggestions are provided to solve the problem.

heavy forgings;numerical simulation;accuracy

O242.1

A

2013—08—30