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1、塑性成形过程中反向模拟技术的研究现状与发展趋势塑性加工技术能够使材料实现成形和改性，在材料加工工程中占有很重要的地位。在国际市场竞争、 知识经济和绿色制造兴起的新态势下，塑性加工技术既面临严峻挑战又充满机遇。面向21 世纪，迫切需要发展先进塑性加工技术，使塑性加工产品朝着轻量化、高强度、高精度、高效、低消耗以及数字化和智能化的方向发展。 其中，实现产品的精密塑性成形( 净形塑性成形或近净形塑性成形)技术已成为当今塑性成形技术发展的一个重要方面。精密塑性成形技术是指坯料经塑性成形后，仅需少量加工或不需加工， 就可用作机械构件的成形技术。采用精密塑性成形技术能优质、低成本、短周期、高效、洁净地实现
2、几乎“完全零件形状”的生产，符合绿色制造技术发展的要求。然而，采用原始坯料一次成形通常也会出现诸如充不满、折叠、裂纹等许多质量问题。为此，在进行最终成形前，往往进行一次或多次预成形。因而，进行预成形设计已成为提高产品质量，实现精密塑性成形技术的一个关键环节。传统的预成形毛坯设计采用的是基于以往经验为指导，并结合物理模拟的方法。该方法由于经验性强， 应用起来十分困难； 而作为预成形毛坯设计的手段以及可用来验证预成形毛坯合理性的物理模拟，是通过试错完成的， 这就要耗费大量的人力和物力， 而且周期长。随着计算机技术的飞跃发展和塑性成形理论的不断进步，数值模拟已成为研究和发展塑性成形技术的强有力工具。
3、通过在计算机上反复修改预成形毛坯形状， 可以实现对精密塑性成形过程的模拟，但这种方法要消耗大量的计算时间， 而且也往往很难得到合理的预成形毛坯。为了实现预成形毛坯设计的高效化、数字化和智能化，在80 年代，国外学者提出了塑性成形过程中反向模拟的先进技术。 反向模拟方法是从给定的最终成形件形状和过程条件出发，沿与成形过程相反的方向模拟， 反演出预成形毛坯从而得到令人满意的设计方案。 本文详细阐述了反向模拟技术的研究进展，并讨论了其存在问题、 发展趋势及以后研究的重点。1、反向模拟技术的研究进展11 基于上限元的反向模拟技术的研究进展上限元法是塑性加工领域中一种近似的数值求解方法，这种方法把零件和
4、模具的边界轮廓简化为直边界，建立的模型比较简单，因而实施方便，计算量小。早在 80 年代初，0sman等就提出了基于上限元反向模拟的预成形设计技术，并指出由于反向模拟的分析过程从零件最后形状开始，不同于正向模拟， 某些成形参数难以确定，所以反向模拟分析和正向模拟分析并用是非常重要的。wramley发展了上限元反向模拟技术， 提出了使总的能量耗散率取极小值的速度场预成形设计的方法。 杜忠友随一伽等研究了基于上限元反向模拟结束位置的确定、材料边界脱离模腔内壁的顺序等技术问题，提出了寻求最佳坯料和预成形工步优化设计的方法，并采用上限元反向模拟技术设计了齿轮锻件的预成形毛坯，提高了材料的利用率，降低了
5、设备吨位。刘庆斌等采用该技术对截面为“H”型的轴对称锻件的锻造过程进行了反向模拟和预成形设计，并用有限元正向模拟来修正上限元反向模拟结果， 得到了和实际相符的预成形毛坯。对于能建立轴对称的流动模型的预成形问题， 基于上限元的反向模拟技术比较适合，因此上述预成形设计均取得较为满意的设计结果。薛克敏等将叶片成形过程假设为二维平面应变问题，针对上限元反向模拟叶片成形过程中所遇到的脱模准则的建立、单元边界速度的确定等关键技术展开了研究， 并确定了叶片的预成形毛坯， 但是只考虑了分流面在竖直方向的情况。 孙胜等提出了一种上限元模拟块技术，用模拟块来演化中间形状，可以省略形状选择判据的建立和边界条件的转换
6、等问题，并总结了上限元反向模拟的技术要点，成功地对连杆等零件进行了预成形设计。Chang等提出了tetrahedral单元的上限元分析方法 (TEUBA)，并将其应用于反向模拟，为了保证预成形毛坯几何形状的简单性 采用了通过材料分配估计零件形状复杂程度的方法，并对三凹槽的平面应变零件进行了预成形设计。上限元反向模拟技术需要建立的模型比较简单，计算量小，比较适合于轴对称类零件和一些特殊形状的平面应变类零件的预成形设计。但是上限元法采用了单元内平行速度场的假设， 单元间存在速度间断； 反向模拟时需要把零件轮廓简化为直边界， 并假定在某一时刻某条边界脱模。因此，上限元反向模拟只能预测形状简单的零件预
7、成形毛坯， 对于形状复杂的零件所预测出的预成形毛坯结果的精度不高，会出现失真现象。12 基于有限元反向模拟技术的研究进展由于有限元法可以全面地考虑变形过程中各种边界条件和初始条件的影响，对于复杂成形过程， 有限元法可以给出全面且精确的数值解，是分析塑性成形问题最有力的工具之一。 应用有限元反向模拟技术来设计预成形毛坯，已成为塑性成形领域中预成形毛坯设计的发展趋势。基于有限元反向模拟技术于1983 年由 Park 等提出，并对简单的圆柱体镦粗过程进行了反向模拟， 从而验证了该方法的可行性和可靠性。从此，有限元反向模拟技术运用于轧制、缩口、锻造、冲压等各种塑性成形过程。Kobayashi 运用该方
8、法分别确定了在内、 外径不变的 2 种情况下壳体缩口的预成形毛坯，避免了缩口时容易产生壁厚不均的缺陷。由于壳体构形简单， 因此采用控制预成形件几何形状来建立脱模准则。 尔后，Kobayashi 又针对轧制过程中前端会出现 “前滑” 、后端会出现折叠和鱼尾等缺陷， 利用该技术把坯料的前后端设计成一定的曲线形状， 使轧制后材料前后端平整， 减少了缺陷和切除量， 提高了材料的利用率。 Hwang等对理想塑性材料的平面应变轧制过程进行了预成形设计，消除端头废切料： 此外，Hwang 还对轴对称圆盘锻件进行了预成形设计心“，考虑了摩擦对预成形设计的影响，并通过对边界条件的控制， 实现了变形后工件中应变合
9、理分布的要求。Kim运用该技术对应变硬化材料和理想塑性材料的H型截面轴对称锻件3 种几何形状的预成形设计进行了深入的研究，实现了少无飞边锻造。Kang 等对翼形截面零件叶片的锻造过程进行了预成形设计，分析了不同分型面对预成形设计的影响，但对反向模拟过程中初始速度场的确定等关键问题没有提及，并且将叶片锻造过程假设为二维平面应变问题与叶片锻造过程的实际是不相符的，有待于改进。Kang 还发展了壳体缩口反向模拟技术，实现了壳体的净形成形，避免了在缩口处的机械加工。 Han等将优化方法应用于有限元反向模拟和预成形设计，提出了采用灵敏度分析法解决反向模拟过程中边界节点脱模的问题。在国内，赵国群等根据工件
10、形状复杂程度建立了有限元逆向仿真的边界条件控制准则和相应的预成形设计方法， 提出了一种逆向模具接触跟踪方法，并对透平圆盘、 截面为“H ”型锻件等轴对称零件的锻造过程进行反向模拟和预成形设计。周杰等对收口工艺反向模拟技术进行了探讨。以上的研究主要针对的是轴对称问题和二维平面应变问题。随着对反向模拟技术研究的深入，有限元反向模拟技术也逐渐应用于三维问题。Kim用三维有限元反向模拟技术对平板轧制过程的预成形设计进行了尝试。Kang 等对圆环轧制过程三维反向模拟进行了深入的研究，分别对矩形截面及“T”形截面的圆环轧制过程进行了预成形设计，提高了材料的利用率。Ku 对方形盒冲压过程进行了反向模拟，避免
11、了凸耳等缺陷。Kim对管胀形进行了反向模拟，分别得到了以焊管和锥形管作为预成形毛坯，避免了胀形壁厚不均等缺陷。然而，对于锻造过程的三维有限元反向模拟的研究很少见到报道。有限元反向模拟发展的另一个方向是板料成形毛坯形状的计算。对于不规则形状的板料件，用解析方法来求毛坯外形，至今仍未能得到满意的结果。然而，板料成形过程中， 工件的形状为空间曲面， 坯料的初始构形为平面， 用反向模拟一步计算法可以计算出近似的毛坯外形。Naceur 用该技术优化拉延筋阻力，避免了冲压时厚度分布不均的缺陷。 徐峰采用 Kirchhoff单元反向模拟了汽车覆盖件，设计了合理的毛坯外形。有限元反向模拟过程和正向模拟过程不同
12、，它是从最终形态开始的， 其初始边界条件、节点的脱模、加工硬化程度等是未知的。而且，反向模拟的终止要通过对可能得到的最后坯料形状进行分析来决定。因此，反向模拟初始边界条件和脱模准则的确定、加工硬化现象的处理和预成形毛坯形状的选择等成为反向模拟技术的难点问题。 对于这些技术难点， 上述研究都是针对某一具体过程或某一具体问题， 缺乏一个通用化的方法， 例如对于反向模拟过程中脱模准则的确定方法，目前可分为 2 种，其一是对于构形简单的壳体， 采用控制预成形件几何形状来建立脱模准则。 其二是对于大多数零件来说， 采用对正向模拟的触模顺序的修正来建立脱模准则， 该方法依赖于正向模拟， 而且试选毛坯的形状
13、和人工修正等不确定因素对反向模拟的结果存在较大的影响，这极大地阻碍了有限元反向模拟技术通用化的发展。2、发展趋势运用反向模拟技术能够得到合理的预成形毛坯，这已成为精密塑性预成形毛坯设计的发展趋势。 塑性成形过程反向模拟的数值方法目前有上限元法和有限元法。上限元反向模拟技术由于存在诸多缺陷，对于形状复杂零件的预成形毛坯预测比较困难，因此今后的发展方向是基于有限元的反向模拟技术。以往有限元反向模拟的研究主要以二维问题为主。由于金属塑性成形过程大多为三维大塑性非稳态变形过程， 因而开展三维反向模拟的研究势在必行。然而，对于复杂零件的三维反向模拟的研究还罕见报道。鉴于上述原因， 今后的研究应该对复杂形
14、状的零件预成形设计进行深入的研究，并通过相关的实验或经验知识来验证其预成形设计结果的正确与否。反向模拟过程中存在初始边界条件及脱模准则的确定、预成形毛坯形状的选择和加工硬化现象的处理等技术难点问题，这些问题对反向模拟过程的顺利进行有很大的影响。 目前对于二维问题， 这些技术难点还没有通用化的处理方法，对于三维问题， 处理这些难点问题更为复杂。因此，今后的研究可以以复杂形状零件的预成形毛坯的设计为依托， 通过解决其反向模拟的技术难点，来寻找这些技术难点的通用化的处理方法。3、结论运用反向模拟技术以获得合理的预成形毛坯，这已成为精密塑性成形预成形毛坯设计的发展趋势。 塑性成形过程反向模拟的数值方法目前有上限元法和有限元法。上限元法的假设与实际偏差较大，预测结果的精度不高。 而基于有限元的反向模拟可以获得较为满意的设计结果，今后预成形毛坯设计的发展方向应是基于有限元的反向模拟技术。 有限元三维反向模拟技术以及其边界条件的确定、预成形毛坯形状的选择和加工硬化现象的处理等难点问题，应该是今后研究的重点。
