几何非线性和物理非线性的大变形是体积成形过程中的主要问题,。传统上使用的解析法, 如主应力法(切片法) 、 上限元法( UBET )、 均匀变形能法、流函数法及Hill 的一般解法等，都因为数学上的困难使其能解决的范围和难度等都受到了相当大的限制, 难以准确分析实际生产中复杂的体积成形过程中。由于计算机的普及和其计算方法的改进, 使数值模拟的理论和技术得到了迅猛发展,。与之前相比,研究的方向有所转移,由宏观模拟转向微观模拟;由单一分散的模拟转向耦合集成的模拟,如流场与温度场的耦合、 温度场与应力应变场的耦合、应力/ 应变场与组织场的耦合分析等。近些年的研究主要有以下几个方面：67161

有限元模拟理论方面研究现状

1 全量理论的研究

全量理论是增量理论在简单加载条件下的积分,不能普遍适用,但是由于该理论比较简单,很多人尝试将其应用于复杂加载情况.通过大量模拟实验表明,在偏离了比例加载路径的模拟方面,全量理论和增量理论都可以得到相似的结果 [5].目前薄板冲压成形过程的有限元模拟已经可以使用全量理论,且其分析模型十分简单、计算时间很短，有着明显的优势。但是在金属体积成形中通常采用增量理论模拟而不是全量理论[6].体积成形与薄板成形相比，其材料的变形量大,应变路径的变化复杂、工件与模具型面的接触难以确定.近年来仅有少数的学者研究了将全量理论应用于体积成形的问题，但困难较多，仍有很大的研究空间。 论文网

2 反向模拟技术

反向模拟技术[ 7-8]最早由 S. Kobayashi 提出,反向模拟技术就是将工件从最终形态, 沿着于加工方向相反的加载路径反向模拟工艺过程, 寻找影响实验和结果的各种因素及其影响效果。这种方法的基本原理是搜寻能产生最小误差范数的材料常数,误差范数定义为工艺参数(常指拉伸或压缩试验中的力或扭转测试中的扭矩)的实际测量值和计算值之间的差, 用最优化技术寻找目标函数最小值。目前在估算材料性能和确定工艺参数, 以及估计模具和工件接触面间的热传导系数及材料的热性能时多使用反向模拟技术。由于最终形态反向模拟时,无法给定初始条件,导致最终获得的初始毛坯设计存在缺陷,产生无法估计的误差,因此反向模拟技术在金属体积成形中的应用有待于进一步的研究。  

有限元模拟的工艺现状的研究  

1 轴承锻造中的有限元模拟应用 

随着船舶、化工设备、大型电站动力设备、航空航天和国防建设的发展，对于大型轴承的需求大量增加，且质量要求也很严格，但是轴承的模具制造以及加工中很需要不断的修改模具[9]。而数值模拟可以在计算机中虚拟实现轴承锻造的过程, 可以使设计人员直观的观察工件和模具的应力、应变和温度分布等的变化规律, 使其在模具未制造出来之前就能对工艺状态了解掌握。同时数据模拟方法改变了依靠经验和直觉对模具修改的传统且落后的轴承锻造工艺设计方法, 使模具开发时间大大减少。针对轴承锻造的特点[10], 建立的轴承锻造热力偶合条件下刚塑性模型[11-13], 可以充分满足模拟分析的要求。相对于以预成型的最初形态通过经验推断最终成形特性的传统设计方法, 是很大的进步。

2 冲压成形中的有限元模拟应用 

冲压工艺主要分为分离工序和成形工序两类，其中成形工序包括弯曲、拉深、翻孔、翻边、胀形、扩口、缩口和旋压等[14]，金属薄板的成形工艺主要涉及到冲压成形中的拉深工序。然而，传统的板材冲压成形的设计是凭经验进行类比设计[15]，冲压加工中容易产生裂纹等缺陷，影响产品的合格率，给机器设备带来安全隐患，也造成大量的经济损失。所以，提前使用有限元方法在生对板材的冲压实验进行数值模拟，通过所得分析结果来修改优化板材的冲压生产就尤为重要，这样可以减少大量的实验方案，以较低的成本完成冲压生产。肖等人[16], 用有限元法对铝合金板材的冲压过程进行了数值模拟，从理论上获得了板料与凹模之间的摩擦摩擦系数下，对冲压过程的应力、应变及板料厚度的影响。为板材的冲压成形工艺设计提供了理论依据，使实验方案大量减少、降低了成本、提高生产效率。