劉 昊，陳 杰，周 成，居里鍇，蔣亞平

（1.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094；2.中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心，北京 100044；3.中國(guó)北方車(chē)輛研究所，北京 100072）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)研制過(guò)程中的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造方式，縮短了研發(fā)周期，降低了開(kāi)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(jì)評(píng)估、訓(xùn)練操作。

根據(jù)《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018版）》要求，充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)規(guī)范、技術(shù)支撐和示范引領(lǐng)作用，促進(jìn)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用，從而推動(dòng)機(jī)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，滿足企業(yè)的迫切需求。

目前，我國(guó)機(jī)械產(chǎn)品制造業(yè)數(shù)字化仿真系統(tǒng)存在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的缺失，導(dǎo)致企業(yè)對(duì)仿真技術(shù)缺乏系統(tǒng)認(rèn)知，難以與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合；機(jī)械產(chǎn)品制造工藝仿真領(lǐng)域還處于相對(duì)落后和混沌的狀態(tài)，既不利于機(jī)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(duì)機(jī)械產(chǎn)品制造全過(guò)程應(yīng)用數(shù)字化仿真相關(guān)理念進(jìn)行普及，對(duì)仿真方法與應(yīng)用要求做出規(guī)范。

本文通過(guò)分析仿真標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要性，開(kāi)展了鍛壓工藝仿真的標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)用實(shí)例驗(yàn)證鍛壓工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)的正確性與適用性。

1 仿真標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)重要性

在研究數(shù)字化仿真技術(shù)時(shí)，我們習(xí)慣性將仿真技術(shù)按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行劃分，比如機(jī)械系統(tǒng)仿真、控制系統(tǒng)仿真、電子系統(tǒng)仿真等?？梢?jiàn)，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(shí)際與具體應(yīng)用，仿真僅僅變成了計(jì)算機(jī)技術(shù)，失去了工程應(yīng)用價(jià)值，也就無(wú)法達(dá)到推動(dòng)仿真技術(shù)在機(jī)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(shí)際應(yīng)用需求的標(biāo)準(zhǔn)，從而形成完整的能夠指導(dǎo)未來(lái)數(shù)字化仿真標(biāo)準(zhǔn)化工作的標(biāo)準(zhǔn)體系。

在數(shù)字化仿真現(xiàn)階段開(kāi)展工程領(lǐng)域技術(shù)層次的標(biāo)準(zhǔn)化工作，及時(shí)挖掘發(fā)現(xiàn)并整理總結(jié)相關(guān)企業(yè)運(yùn)用數(shù)字化仿真的成功案例與寶貴經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)一步發(fā)揮仿真技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)在產(chǎn)品開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

2.1 鍛壓工藝仿真概念

鍛壓工藝仿真實(shí)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(jì)算機(jī)環(huán)境下動(dòng)態(tài)顯示產(chǎn)品鍛壓成形過(guò)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(guò)程，從而預(yù)測(cè)在不同條件下材料經(jīng)過(guò)成形改性制成零件后的組織性能質(zhì)量，特別是能夠及時(shí)找出易發(fā)缺陷的成因及消除方式。最后通過(guò)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(jì)時(shí)優(yōu)化工藝途徑通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)效率。

2.2 鍛壓工藝仿真主要步驟

在進(jìn)行鍛壓工藝仿真技術(shù)應(yīng)用時(shí)，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(duì)變形體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得出有限網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，將變形體的節(jié)點(diǎn)速度和溫度作為求解變量。

（2）考慮坯料成形過(guò)程中的某一時(shí)刻，當(dāng)變形體的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)求解出以后，通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行積分便可得到變形體的位移場(chǎng)及變形體在某一時(shí)刻各點(diǎn)的坐標(biāo)位置，據(jù)此可由幾何方程進(jìn)一步計(jì)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(jì)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(jì)算時(shí)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(jī)載荷。

3 鍛壓工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)案例驗(yàn)證

下面以熱沖壓成形的汽車(chē)B柱零件為例驗(yàn)證鍛壓工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)。采用有限元分析軟件ABAQUS，截取B柱“大頭段”進(jìn)行熱沖壓成形分析，研究鋼板的高溫變形過(guò)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(shí)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(cè)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(kuò)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(shí)現(xiàn)工件與模具隨時(shí)間性接觸，從而實(shí)現(xiàn)上模、下模與壓料板在不同時(shí)刻與板料發(fā)生接觸。

采用顯式算法與溫度場(chǎng)位移耦合分析，網(wǎng)格類(lèi)型選用四面體單元。對(duì)下模添加固定約束，壓料板下移與板料發(fā)生接觸后對(duì)板料持續(xù)施加壓邊力，此時(shí)上模向下運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)板料的成形過(guò)程。熱沖壓成形運(yùn)動(dòng)完成后的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)與厚度分布如圖3～5所示，此模擬結(jié)果與實(shí)際鍛壓測(cè)量結(jié)果非常接近，驗(yàn)證了CAD建模、CAE鍛壓分析中熱物性參數(shù)測(cè)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(chǎng)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(jī)械制造領(lǐng)域不可或缺的加工工藝。故開(kāi)展鍛壓工藝仿真標(biāo)準(zhǔn)研究工作，通過(guò)鍛壓工藝仿真應(yīng)用實(shí)例，吸納國(guó)際先進(jìn)學(xué)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(biāo)準(zhǔn)為機(jī)械產(chǎn)品實(shí)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(jìn)和規(guī)范了機(jī)械產(chǎn)品工藝仿真的推廣與應(yīng)用，有效提高機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，降低生產(chǎn)費(fèi)用。