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1、发展中的塑性加工理论和模拟技术 随着以信息技术为代表的高新技术的迅猛发展、知识经济和全球化制造的兴起，塑性加工理论和模拟技术的发展呈现出交叉性、前沿性和实用性的特点。对塑性成形规律的研究从材料的变形及应力应变分布发展到组织性能的变化，从宏观现象到细观和微观机理，从单纯的塑性加工延拓到相关的热处理和使用性能，借助于数值模拟技术，塑性加工理论成果能很快地实际应用，塑性成形过程的数值模拟在工业发达国家已进入应用普及阶段，我国一些企业也开始尝试应用，模拟技术的应用由检验设计方案向工艺优化的方向发展。本文简要地介绍了近年来塑性加工理论、模拟技术及其应用的一些重要进展，并分析了其发展趋势。基础理论方面塑性
2、加工理论是与材料科学和力学有关的跨学科研究领域，关于材料本构关系的研究一直是该领域最活跃的研究方向。一方面，这是由于理论和实验技术的发展，使得人们能更深入地探讨塑性变形机理；另一方面，也是由于新材料和新的应用需求不断地提出新的课题。晶体塑性理论根据晶体材料塑性变形的机理（即位错滑移和孪晶）建立单晶体和多晶体材料的本构模型，对于研究材料的各向异性和织构有着独特的优越性，是塑性力学界长期关注的理论课题。晶体塑性理论在预测面心立方（FCC）纯金属的织构演化方面取得了很大的成功，但长期无法预测 FCC 合金在轧制过程中形成的黄铜型织构。近年来，Staroselsky 等人针对 FCC 合金材料提出了同
3、时考虑滑移和孪晶的晶体塑性模型，他们的模拟结果表明，FCC 合金中孪晶的开动是造成黄铜型织构的原因。Liao 等人针对体心立方 BCC 金属建立了 “铅笔滑移”（pencil glide 即滑移系是由包含晶向的平面以及该面内的最大剪应力方向所组成）和110以及112为滑移系的晶体塑性模型，他们将模拟结果与织构分析实验结果进行了对比。结果表明，这几种模型都能给出与实验结果相吻合的变形诱导织构演化，滑移系的选择对屈服轨迹的形状有很大影响。晶体塑性理论能够预测越来越多的塑性变形机理，尽管其结果目前还主要是定性的。Xie 等人利用晶体塑性理论考察了织构对板材成形性能的影响，模拟结果表明，织构中的 g
4、纤维对提高 BCC 金属板材的成形性能起着重要的作用。由于晶体塑性本构模型所需计算量十分巨大，因此它主要用于塑性变形机理的研究。为了在明显地增加计算代价的前提下，在本构关系中考虑多晶体材料的织构，比现有的宏观塑性力学本构模型更精确地描述塑性各向异性，塑性对偶势理论受到一些研究者的重视。在这种本构模型中，塑性势函数中的系数是通过拟合用晶体学方法根据织构分析结果计算出的多晶体屈服面来确定的。Zhou 等人采用四阶塑性对偶势分析了板材成形中的制耳。在锻造等热加工过程中，除工件的形状变化外，人们还关心其内部组织性能的变化，以满足零件的使用要求。同时，为了利用锻件余热进行热处理，以提高生产率和减少能量消
5、耗，要求研究塑性加工以及相关的热处理过程中，工件组织性能的变化规律。关于热处理过程中的相变、渗碳量等的预测已初步得到应用。冲压后工件的回弹是一个长期困扰塑性加工界的世界性难题。尽管塑性成形模拟方法已能较准确地预测冲压中的起皱、破裂等缺陷，但对于回弹的预测还很不准确。由于汽车等工业部门日益广泛地采用高强度钢板、轻金属等材料，回弹问题更显严重。它引起国际上汽车工业界和塑性加工学术界的极大重视。由于它涉及到复杂的物理机理、板材的变形条件和变形历史，必须从理论上开展深入的研究。在回弹问题研究中，近年来，取得了一些进展。Nader Asnafi 对双曲率工件冲压成形后的回弹进行了试验，研究了影响回弹的主
6、要材料性能和工艺参数。其研究表明，增大进料阻力能增加工件所受拉伸应力、减小弯矩，对于减小回弹起重要作用。Gau 等人对钢板和铝板进行了反复弯曲实验，发现铝板的回弹量随弯曲/反弯曲次数的增加而逐渐增大，而钢板的回弹量随弯曲/反弯曲次数的变化不明显。他们认为对于铝板的回弹预测，必须在考虑变形历史的同时，考虑包兴格效应。他们提出了一种能考虑包兴格效应的厚向异性材料本构模型。其中采用新的多屈服面模型考虑同时包含等向强化和运动强化的材料实际强化规律，与单纯考虑等向强化或运动强化或 Mroz 多屈服面模型相比，他们的模型与前述反复弯曲实验结果吻合得更好。冲压成形和回弹过程模拟可分别采用显式隐式或显式和隐式
7、耦合的有限元计算法进行预测，Rohleder 等人分别用基于这几种算法开发的几种不同的商业软件对圆筒形工件拉深后筒壁不同高度截下的圆环剖开后的回弹进行了模拟计算，并与实验结果进行了比较，其中显隐耦合算法的结果与实验结果吻合得最好。这与人们通常所持的隐式算法能更准确地预测回弹的看法不一致，这说明如果采用合适的单元模型和本构关系模型，各种有限元算法都能有效地用于回弹预测。El-Abbasi等考虑到冲压成形模拟等工程问题的需要，提出了一种考虑厚向变形的新的厚壳单元。他们引入了两个新的节点自由度分别描述厚度变化和沿厚向应变的线性变化。这种单元能用于分析成形过程中工件两面同时受到模具作用的场合。利用这种
8、单元模拟校正弯曲造成的工件中的三向应力状态，将会有利于提高校正弯曲后回弹预测的精度。动力显式算法不需迭代，避免了静力隐式算法中常常遇到的收敛性问题。在采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵后，形成的整体求解方程是彼此独立的，不需联立求解，减少了所需存储量和计算量，因此，近年来成为冲压成形中模具加载过程模拟计算的最流行的方法。为了解决由于时间步长限制造成的计算步数多的问题，在冲压成形模拟中常常人为地提高模具的运动速度，使得每一步模具的位移增量增大，这样就不可避免地增大了惯性效应。作者采用能量法对曲面压边圈夹紧和圆筒件拉深过程分别进行了惯性效应分析，确定了影响惯性效应的主要因素和模具的极限运动速度，为采用
9、动力显式方法模拟冲压成形过程时正确选取模具运动速度提供了参考。在产品小型化微型化需求的推动下，微细成形技术引起了越来越广泛的关注尺度。在 500 纳米至 500 微米之间的金属成形研究正受到工业需求的强力驱动。韩国政府资助开展了毫米结构 milli-structure 研究计划。微细成形中会出现尺度效应、材料的流动应力、各向异性和延展性等会随着工件特征尺寸以及特征尺寸与晶粒尺寸比值的变化而发生变化。挤压中摩擦系数随冲头直径的减小而增大，当工件特征尺寸达到数微米时，会出现应变梯度尺度效应，使扭转、弯曲、压入等具有应变梯度的变形条件下的屈服应力显著增加。目前，已提出一些解释和计算尺度效应的理论，如
10、表面晶粒计算方法应变梯度塑性理论等，这些理论的发展和完善将推动微细成形技术的开发和应用。由于存在尺度效应，不能简单地利用相似理论进行实验研究，而要开发适合于微细成形研究的精密实验方法和检测技术，如微视塑性法等。数值模拟技术方面在应用需求的驱动下，塑性成形数值模拟技术的发展呈现出如下特点：一方面不断改进计算模型和计算方法，以提高求解精度和速度扩展数值模拟技术的应用范围；另一方面，将数值模拟与成形工艺优化相结合，与 CAD/CAM 集成，形成智能化的成形工艺和模具设计方法。为了提高冲压成形过程模拟的效率，Pourboghrat 等人提出了一种混合采用膜单元和壳单元的计算方法。他们采用膜单元模拟冲压
11、过程，其中弯曲/反弯曲应变采用解析方法根据膜的形状求解，其后将求得的膜的形状以及弯曲应变和应力带入壳单元中计算回弹，这样可以节省 50%的计算时间。有的研究者提出，粗化模具网格以减少成形模拟计算量的方法。采用隐式算法模拟塑性成形过程时，绝大部分 CPU 时间消耗于方程组求解，因此采用高效率的方程组求解算法是提高模拟计算效率的关键。近年来，稀疏阵求解算法 Sparse solver 已得到应用。与传统的等带宽算法、变带宽算法和波前法相比，稀疏阵解法不仅能大大提高计算速度，而且能节省存储量。另外，采用预处理的迭代解法计算速度快，所需存储量小，对于某些成形模拟问题也是有效的方法。接触问题是塑性成形模
12、拟中的一个难点。采用拉格朗日乘子法会引入新的变量，采用罚函数法则几何约束条件不易精确地得到满足，而且罚因子要凭经验选取。Farahani 等人提出了一种新的接触处理方法。他们将相互接触的两个物体中的一个定义为接触物体，另一个为目标物体。假设接触力分别作用于接触物体的节点和目标物体的表面，通过刚度矩阵的变换消去接触物体的法向自由度。这种方法以刚度矩阵的变换和修改为代价，避免了拉格朗日乘子法和罚函数法的缺点，可以应用于一般接触问题的处理。Shim 等人研究了直接采用剪裁的 NURBS 曲面描述冲模型面并进行接触处理的方法。对于复杂程度不太大的冲压件，这种方法将有助于减少数据量和提高模拟精度，Gea
13、ring 等人将 Anand 提出的率无关各向同性等温界面摩擦模型推广为率相关模型，该模型引入了界面滑动抗力作为反映复杂的接触微观力学现象的宏观内变量，可以描述摩擦系数随正压力滑动速度和滑动位移量而变化的实验现象，用于冲压成形模拟比库仑摩擦定律更精确。利用塑性成形模拟进行成形工艺和模具设计的优化是近年来的一个研究热点，预成形设计是体积成形工艺优化的具体应用，在优化计算中可以利用反向模拟也可以利用正向模拟。如果优化的目标仅仅是终锻件的几何形状满足设计要求，用反向模拟能更直接地找到最优解，但反向模拟中边界条件的处理较困难，而正向模拟通常要与最优化计算方法结合应用。采用的最优化计算方法有灵敏度分析方
14、法、直接微分法、拟合优化法、微观遗传算法、一致变换方法、神经网络形状内插值法和改进的约束梯度法。但目前最优化的目标主要是针对工件的形状尺寸，对工件内部组织性能的考虑不多，主要限于二维问题，工序数较少，冲压工艺优化与体积成形优化的基本方法是类似的。冲压成形中工件的形状为空间曲面，坯料的初始构形为平面，因此用逆算法（即反向模拟）较体积成形方便得多，板料成形模拟的逆算法计算速度很快，通常只需一个计算步，因此已成为目前用于冲压工艺优化的主要方法。如 Naceur 等用逆算法优化拉延筋阻力使冲压件中厚度分布最均匀，Shim 等人则采用正向模拟和灵敏度分析进行冲压工艺优化，使设计的毛坯冲压出的工件可很好地
15、满足产品形状要求。塑性成形模拟软件及其应用塑性成形模拟技术经历了几十年的发展，国际上已出现了一批塑性成形模拟软件。这些软件都是采用有限元法进行数值计算的，大致可以分为两类：一类是将通用有限元软件的功能扩充后用于塑性成形过程模拟，如集成了 LS-DYNA3D 和 LS-NIKE3D 后的 ANSYS， ABAQUS 等；另一类是专门为塑性成形模拟开发的软件，如主要用于体积成形和热处理分析的 DEFORM， 用于冲压成形（包括液压胀形）模拟的DYNAFORM、 AutoForm、 PAM-STAMP 、OPTRIS 等。塑性成形模拟技术在工业发达国家已经进入应用普及阶段，一些大企业将成形模拟作为成
16、形工艺设计和模具设计的必经环节和模具验收的依据之一。目前国际上较流行并已进入中国市场的专业化的冲压成形模拟软件主要有 DYNAFORM、AutoForm、 PAM-STAMP、 OPTRIS 等。这些软件的开发商与大型的汽车和金属板材制造商有着密切的联系，后者一方面是这些模拟软件的主要用户，另一方面也为软件的开发提供了必不可少的技术资料和检测手段。这些软件采用的有限元求解算法各有特点，如 DYNAFORM 是采用显隐耦合算法，AutoForm 采用全拉格朗日列式的静力隐式算法。由于激烈的市场竞争和用户的挑剔，当某个软件开发商推出一种新功能后，其他开发商就会很快仿效，因此这几种软件的功能比较接近，这几种软件都具有与 CAD 软件的接口，以便与冲压工艺和冲模设计相衔接。接口文件格式有 IGES 、VDAFS、NASTRAN 等。为了全面支持冲压工艺和模具设计，它们都不同程度地提供了自动生成和交互修改压料面、工艺补充部分和拉延筋的手段，使用户输入零件几何模型后就能利用软件进行成形分析。除了通常的用于进行详细分析的有限元增量算法以外，这些软件大都还提
