劉 昊，陳 杰，周 成，居里鍇，蔣亞平

（1.南京理工大學，江蘇 南京 210094；2.中機生產(chǎn)力促進中心，北京 100044；3.中國北方車輛研究所，北京 100072）

0 引言

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與有限元法的日趨成熟，新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，使得數(shù)字化仿真技術(shù)得到空前發(fā)展。數(shù)字化仿真技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)研制過程中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)機械設(shè)計制造方式，縮短了研發(fā)周期，降低了開發(fā)成本，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，并且能夠完成復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計評估、訓(xùn)練操作。

根據(jù)《國家智能制造標準體系建設(shè)指南（2018版）》要求，充分發(fā)揮標準的基礎(chǔ)規(guī)范、技術(shù)支撐和示范引領(lǐng)作用，促進仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用，從而推動機械行業(yè)全面建立數(shù)字化研發(fā)體系，形成智能化工廠創(chuàng)新模式，促進傳統(tǒng)企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型。為響應(yīng)智能制造要求，急需制定一批數(shù)字化仿真標準，滿足企業(yè)的迫切需求。

目前，我國機械產(chǎn)品制造業(yè)數(shù)字化仿真系統(tǒng)存在相關(guān)標準的缺失，導(dǎo)致企業(yè)對仿真技術(shù)缺乏系統(tǒng)認知，難以與生產(chǎn)實際相結(jié)合；機械產(chǎn)品制造工藝仿真領(lǐng)域還處于相對落后和混沌的狀態(tài)，既不利于機械制造業(yè)的提升，也不利于仿真技術(shù)的規(guī)范管理。因此，有必要對機械產(chǎn)品制造全過程應(yīng)用數(shù)字化仿真相關(guān)理念進行普及，對仿真方法與應(yīng)用要求做出規(guī)范。

本文通過分析仿真標準對于產(chǎn)品開發(fā)的重要性，開展了鍛壓工藝仿真的標準化工作，分析鍛壓工藝仿真的基本內(nèi)容與仿真流程，最終運用實例驗證鍛壓工藝仿真標準的正確性與適用性。

1 仿真標準對產(chǎn)品開發(fā)重要性

在研究數(shù)字化仿真技術(shù)時，我們習慣性將仿真技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域進行劃分，比如機械系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)仿真、電子系統(tǒng)仿真等。可見，數(shù)字化仿真技術(shù)是一種將仿真工具與應(yīng)用領(lǐng)域緊密結(jié)合的技術(shù)。脫離了工程實際與具體應(yīng)用，仿真僅僅變成了計算機技術(shù)，失去了工程應(yīng)用價值，也就無法達到推動仿真技術(shù)在機械行業(yè)企業(yè)廣泛應(yīng)用的目的。因此，必須結(jié)合仿真技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，制定能夠滿足實際應(yīng)用需求的標準，從而形成完整的能夠指導(dǎo)未來數(shù)字化仿真標準化工作的標準體系。

在數(shù)字化仿真現(xiàn)階段開展工程領(lǐng)域技術(shù)層次的標準化工作，及時挖掘發(fā)現(xiàn)并整理總結(jié)相關(guān)企業(yè)運用數(shù)字化仿真的成功案例與寶貴經(jīng)驗，并加以消化吸收，綜合固化后可為其他單位提供可借鑒的應(yīng)用方案，進一步發(fā)揮仿真技術(shù)應(yīng)用標準在產(chǎn)品開發(fā)中的先導(dǎo)作用，從而使數(shù)字化仿真技術(shù)得以推廣并發(fā)揮其應(yīng)有作用[1]。

2 鍛壓工藝仿真標準主要內(nèi)容

2.1 鍛壓工藝仿真概念

鍛壓工藝仿真實質(zhì)上就是在已知坯料幾何形狀、邊界條件、初始條件及工件材料的所有一切參數(shù)條件下利用有限元方法分析求解此組微分方程[2]。

鍛壓工藝仿真是指在計算機環(huán)境下動態(tài)顯示產(chǎn)品鍛壓成形過程，形象地顯示外部形狀、內(nèi)部組織、缺陷、變形等變形體的演變過程，從而預(yù)測在不同條件下材料經(jīng)過成形改性制成零件后的組織性能質(zhì)量，特別是能夠及時找出易發(fā)缺陷的成因及消除方式。最后通過在虛擬條件下調(diào)整不同的工藝方案與參數(shù)，找出最優(yōu)化工藝方案，將傳統(tǒng)工藝設(shè)計時優(yōu)化工藝途徑通過計算機進行模擬并修改構(gòu)思處理，從而節(jié)省投入研發(fā)成本、提高開發(fā)設(shè)計效率。

2.2 鍛壓工藝仿真主要步驟

在進行鍛壓工藝仿真技術(shù)應(yīng)用時，主要步驟可分為5部分。鍛壓工藝仿真一般流程如圖1所示。

（1）通常對變形體進行網(wǎng)格劃分，得出有限網(wǎng)格節(jié)點，將變形體的節(jié)點速度和溫度作為求解變量。

（2）考慮坯料成形過程中的某一時刻，當變形體的速度場和溫度場求解出以后，通過對速度場進行積分便可得到變形體的位移場及變形體在某一時刻各點的坐標位置，據(jù)此可由幾何方程進一步計算出變形體的應(yīng)變率。

（3）考慮材料屬性，將材料的本構(gòu)方程由初始微觀組織、溫度、應(yīng)變、應(yīng)變率計算得出變形體應(yīng)力值。

（4）利用微觀組織演化方程展現(xiàn)由初始微觀組織、應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)力計算時出現(xiàn)的微觀組織變化。

（5）根據(jù)邊界應(yīng)力可求得模具所受到的壓力值大小以及所需的壓機載荷。

3 鍛壓工藝仿真標準案例驗證

下面以熱沖壓成形的汽車B柱零件為例驗證鍛壓工藝仿真標準。采用有限元分析軟件ABAQUS，截取B柱“大頭段”進行熱沖壓成形分析，研究鋼板的高溫變形過程及溫度厚度變化。圖2為“大頭段”熱沖壓成形有限元網(wǎng)格模型。 上模（punch）、下模（die）、壓料板（binder）均為實體單元，板料（blank）采用殼單元。上模、下模和壓料板均采用剛體約束，板料為變形體，厚度為1.6mm。

定義材料屬性，根據(jù)測量得到材料的本構(gòu)關(guān)系，確定材料密度、彈性模量、塑性模量、熱傳導(dǎo)率、比熱和擴散系數(shù)等參數(shù)。將材料分別賦予給模型部件。

設(shè)置接觸屬性，采用罰函數(shù)算法模擬摩擦接觸力，創(chuàng)建分析步實現(xiàn)工件與模具隨時間性接觸，從而實現(xiàn)上模、下模與壓料板在不同時刻與板料發(fā)生接觸。

采用顯式算法與溫度場位移耦合分析，網(wǎng)格類型選用四面體單元。對下模添加固定約束，壓料板下移與板料發(fā)生接觸后對板料持續(xù)施加壓邊力，此時上模向下運動實現(xiàn)板料的成形過程。熱沖壓成形運動完成后的溫度場、應(yīng)力場與厚度分布如圖3～5所示，此模擬結(jié)果與實際鍛壓測量結(jié)果非常接近，驗證了CAD建模、CAE鍛壓分析中熱物性參數(shù)測量、材料屬性、邊界條件處理與接觸定義的正確性與適應(yīng)性。

圖3 鍛壓模部件溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of forging die parts

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

圖5 板料應(yīng)力-應(yīng)變分布Fig.5 Sheet Stress-Strain Distribution

4 結(jié)論

數(shù)字化仿真是智能工廠的重要組成部分，而鍛壓工藝也是機械制造領(lǐng)域不可或缺的加工工藝。故開展鍛壓工藝仿真標準研究工作，通過鍛壓工藝仿真應(yīng)用實例，吸納國際先進學術(shù)研究成果，歸納總結(jié)出符合行業(yè)需求與技術(shù)規(guī)定的通用要求。鍛壓工藝仿真標準為機械產(chǎn)品實現(xiàn)數(shù)字化仿真制造提供技術(shù)支撐和規(guī)范性指導(dǎo)，有助于仿真技術(shù)在產(chǎn)品全周期內(nèi)的應(yīng)用，促進和規(guī)范了機械產(chǎn)品工藝仿真的推廣與應(yīng)用，有效提高機械產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)費用。