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金屬體積成形過(guò)程建模仿真及應(yīng)用 版權(quán)信息
- ISBN：9787030713018
- 條形碼：9787030713018 ; 978-7-03-071301-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊(cè)數(shù)：暫無(wú)
- 重量：暫無(wú)
- 所屬分類：>
金屬體積成形過(guò)程建模仿真及應(yīng)用 內(nèi)容簡(jiǎn)介
本書(shū)系統(tǒng)介紹了滑移線場(chǎng)法、主應(yīng)力法、有限元法等解析與數(shù)值方法的金屬體積成形過(guò)程建模仿真分析技術(shù)及其應(yīng)用，主要介紹了這些解析與數(shù)值方法的理論基礎(chǔ)，金屬體積成形常用摩擦模型及其數(shù)值化、摩擦參數(shù)測(cè)定方法；闡述了花鍵軸類零件冷滾軋成形過(guò)程的滑移線場(chǎng)法建模、筋板類構(gòu)件局部加載主應(yīng)力法建模、大型鍛件的等溫成形與非等溫成形過(guò)程剛黏塑性有限元法建模、大直徑筒體局部加熱一溫成形一冷卻全過(guò)程彈塑性有限元法建模，以及運(yùn)用這些模型探索新工藝、揭示變形機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)成形過(guò)程。 本書(shū)可供從事塑性變形理論研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用等方面工作的科研及工程技術(shù)人員參考，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生、教師的參考書(shū)。
金屬體積成形過(guò)程建模仿真及應(yīng)用 目錄
目錄
“博士后文庫(kù)”序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 塑性成形的含義及發(fā)展 1
1.2 塑性成形工藝分類 6
1.2.1 體積成形 7
1.2.2 板材成形 8
1.3 建模仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用 10
參考文獻(xiàn) 13
第2章 金屬塑性成形過(guò)程建模方法 15
2.1 塑性變形問(wèn)題描述 16
2.1.1 塑性變形的邊值問(wèn)題 16
2.1.2 平面應(yīng)變基本方程 18
2.2 滑移線場(chǎng)法 20
2.3 主應(yīng)力法 24
2.4 有限元法 28
2.4.1 剛塑性/剛黏塑性有限元的馬爾可夫變分原理 28
2.4.2 剛塑性/剛黏塑性有限元的基本列式 30
2.4.3 基于商業(yè)有限元軟件的建模及軟件簡(jiǎn)介 35
參考文獻(xiàn) 40
第3章 金屬體積成形過(guò)程中摩擦的描述與評(píng)估 44
3.1 經(jīng)典摩擦模型及其數(shù)值化 44
3.1.1 摩擦模型數(shù)學(xué)描述 44
3.1.2 摩擦模型數(shù)值化 46
3.2 基于真實(shí)接觸面積的摩擦模型 48
3.3 金屬體積成形摩擦測(cè)試方法 51
3.4 金屬體積成形中摩擦參數(shù)評(píng)估 59
3.4.1 摩擦參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系 59
3.4.2 增量圓環(huán)壓縮試驗(yàn)確定摩擦條件 70
參考文獻(xiàn) 76
第4章 滑移線場(chǎng)法建模與分析：花鍵軸類零件滾軋 80
4.1 徑向進(jìn)給滾軋成形花鍵原理 80
4.2 花鍵滾軋成形過(guò)程的滑移線場(chǎng) 85
4.2.1 花鍵滾軋過(guò)程滑移線場(chǎng)的構(gòu)建 85
4.2.2 滑移線場(chǎng)及接觸面上壓力的求解 92
4.3 花鍵滾軋過(guò)程模具工件間接觸面積 95
4.3.1 滾軋過(guò)程中的工件齒廓曲線 96
4.3.2 橫截面上的接觸面積求解 101
4.3.3 花鍵滾軋過(guò)程接觸面積分析 105
4.4 花鍵滾軋過(guò)程的滾軋力與滾軋力矩 108
4.4.1 基于滑移線場(chǎng)法的滾軋力與滾軋力矩建模與求解 108
4.4.2 花鍵冷滾軋成形過(guò)程的滾軋力與滾軋力矩 112
參考文獻(xiàn) 116
第5章 主應(yīng)力法建模與分析：筋板類構(gòu)件局部加載 119
5.1 筋板類構(gòu)件局部加載過(guò)程中加載狀態(tài) 120
5.2 不同加載狀態(tài)下材料流動(dòng)解析模型 123
5.2.1 模具幾何參數(shù)導(dǎo)致局部加載狀態(tài)下的主應(yīng)力模型 123
5.2.2 坯料幾何參數(shù)導(dǎo)致局部加載狀態(tài)下的主應(yīng)力模型 129
5.2.3 整體加載狀態(tài)下的主應(yīng)力模型 142
5.3 主應(yīng)力模型評(píng)估及應(yīng)用 142
5.3.1 局部加載狀態(tài)主應(yīng)力模型評(píng)估 143
5.3.2 基于主應(yīng)力法的局部加載流動(dòng)特征分析 147
參考文獻(xiàn) 159
第6章 剛黏塑性有限元法建模與分析：復(fù)雜大件斷續(xù)局部加載 162
6.1 大型復(fù)雜整體構(gòu)件應(yīng)用及省力制造方法 164
6.1.1 復(fù)雜大件在航空飛行器中的應(yīng)用 164
6.1.2 復(fù)雜大件斷續(xù)局部加載方法 165
6.2 復(fù)雜大件局部加載等溫成形有限元建模 173
6.2.1 材料模型 174
6.2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分 175
6.2.3 有限元求解器 176
6.2.4 摩擦邊界條件 177
6.3 三維有限元模型評(píng)估及應(yīng)用 187
參考文獻(xiàn) 192
第7章 局部加熱—溫成形—冷卻全過(guò)程建模與分析：厚壁筒溫翻邊成形 197
7.1 大直徑厚壁筒溫翻邊成形工藝 200
7.2 大直徑厚壁筒溫翻邊成形全過(guò)程有限元建模 201
7.3 溫翻邊全過(guò)程三維有限元模型評(píng)估及應(yīng)用 211
7.3.1 成形缺陷及控制 211
7.3.2 全過(guò)程工件溫度場(chǎng)演化特征 218
7.3.3 溫翻邊成形特征 222
7.3.4 回彈分析 225
參考文獻(xiàn) 230
第8章 基于建模仿真的金屬成形過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì) 234
8.1 復(fù)雜構(gòu)件鍛造預(yù)成形坯料設(shè)計(jì) 234
8.1.1 鍛造預(yù)成形坯料設(shè)計(jì)方法 234
8.1.2 多筋構(gòu)件平面應(yīng)變主應(yīng)力法分析系統(tǒng) 240
8.1.3 解析-數(shù)值混合方法的預(yù)成形坯料設(shè)計(jì) 246
8.2 大型鍛件模鍛坯料初始位置優(yōu)化 251
8.2.1 模鍛過(guò)程熱力耦合有限元建模 252
8.2.2 大型支柱鍛件模鍛成形特征 255
8.2.3 基于充填的初始坯料放置位置優(yōu)化 260
8.3 閥體零件多向擠壓成形路徑分析 266
8.3.1 多向擠壓過(guò)程熱力耦合有限元建模 268
8.3.2 閥體多向擠壓成形特征 273
8.3.3 鋁合金四通閥多向擠壓變形行為 278
參考文獻(xiàn) 290
編后記 295
“博士后文庫(kù)”序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 塑性成形的含義及發(fā)展 1
1.2 塑性成形工藝分類 6
1.2.1 體積成形 7
1.2.2 板材成形 8
1.3 建模仿真在產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用 10
參考文獻(xiàn) 13
第2章 金屬塑性成形過(guò)程建模方法 15
2.1 塑性變形問(wèn)題描述 16
2.1.1 塑性變形的邊值問(wèn)題 16
2.1.2 平面應(yīng)變基本方程 18
2.2 滑移線場(chǎng)法 20
2.3 主應(yīng)力法 24
2.4 有限元法 28
2.4.1 剛塑性/剛黏塑性有限元的馬爾可夫變分原理 28
2.4.2 剛塑性/剛黏塑性有限元的基本列式 30
2.4.3 基于商業(yè)有限元軟件的建模及軟件簡(jiǎn)介 35
參考文獻(xiàn) 40
第3章 金屬體積成形過(guò)程中摩擦的描述與評(píng)估 44
3.1 經(jīng)典摩擦模型及其數(shù)值化 44
3.1.1 摩擦模型數(shù)學(xué)描述 44
3.1.2 摩擦模型數(shù)值化 46
3.2 基于真實(shí)接觸面積的摩擦模型 48
3.3 金屬體積成形摩擦測(cè)試方法 51
3.4 金屬體積成形中摩擦參數(shù)評(píng)估 59
3.4.1 摩擦參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系 59
3.4.2 增量圓環(huán)壓縮試驗(yàn)確定摩擦條件 70
參考文獻(xiàn) 76
第4章 滑移線場(chǎng)法建模與分析：花鍵軸類零件滾軋 80
4.1 徑向進(jìn)給滾軋成形花鍵原理 80
4.2 花鍵滾軋成形過(guò)程的滑移線場(chǎng) 85
4.2.1 花鍵滾軋過(guò)程滑移線場(chǎng)的構(gòu)建 85
4.2.2 滑移線場(chǎng)及接觸面上壓力的求解 92
4.3 花鍵滾軋過(guò)程模具工件間接觸面積 95
4.3.1 滾軋過(guò)程中的工件齒廓曲線 96
4.3.2 橫截面上的接觸面積求解 101
4.3.3 花鍵滾軋過(guò)程接觸面積分析 105
4.4 花鍵滾軋過(guò)程的滾軋力與滾軋力矩 108
4.4.1 基于滑移線場(chǎng)法的滾軋力與滾軋力矩建模與求解 108
4.4.2 花鍵冷滾軋成形過(guò)程的滾軋力與滾軋力矩 112
參考文獻(xiàn) 116
第5章 主應(yīng)力法建模與分析：筋板類構(gòu)件局部加載 119
5.1 筋板類構(gòu)件局部加載過(guò)程中加載狀態(tài) 120
5.2 不同加載狀態(tài)下材料流動(dòng)解析模型 123
5.2.1 模具幾何參數(shù)導(dǎo)致局部加載狀態(tài)下的主應(yīng)力模型 123
5.2.2 坯料幾何參數(shù)導(dǎo)致局部加載狀態(tài)下的主應(yīng)力模型 129
5.2.3 整體加載狀態(tài)下的主應(yīng)力模型 142
5.3 主應(yīng)力模型評(píng)估及應(yīng)用 142
5.3.1 局部加載狀態(tài)主應(yīng)力模型評(píng)估 143
5.3.2 基于主應(yīng)力法的局部加載流動(dòng)特征分析 147
參考文獻(xiàn) 159
第6章 剛黏塑性有限元法建模與分析：復(fù)雜大件斷續(xù)局部加載 162
6.1 大型復(fù)雜整體構(gòu)件應(yīng)用及省力制造方法 164
6.1.1 復(fù)雜大件在航空飛行器中的應(yīng)用 164
6.1.2 復(fù)雜大件斷續(xù)局部加載方法 165
6.2 復(fù)雜大件局部加載等溫成形有限元建模 173
6.2.1 材料模型 174
6.2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分 175
6.2.3 有限元求解器 176
6.2.4 摩擦邊界條件 177
6.3 三維有限元模型評(píng)估及應(yīng)用 187
參考文獻(xiàn) 192
第7章 局部加熱—溫成形—冷卻全過(guò)程建模與分析：厚壁筒溫翻邊成形 197
7.1 大直徑厚壁筒溫翻邊成形工藝 200
7.2 大直徑厚壁筒溫翻邊成形全過(guò)程有限元建模 201
7.3 溫翻邊全過(guò)程三維有限元模型評(píng)估及應(yīng)用 211
7.3.1 成形缺陷及控制 211
7.3.2 全過(guò)程工件溫度場(chǎng)演化特征 218
7.3.3 溫翻邊成形特征 222
7.3.4 回彈分析 225
參考文獻(xiàn) 230
第8章 基于建模仿真的金屬成形過(guò)程優(yōu)化設(shè)計(jì) 234
8.1 復(fù)雜構(gòu)件鍛造預(yù)成形坯料設(shè)計(jì) 234
8.1.1 鍛造預(yù)成形坯料設(shè)計(jì)方法 234
8.1.2 多筋構(gòu)件平面應(yīng)變主應(yīng)力法分析系統(tǒng) 240
8.1.3 解析-數(shù)值混合方法的預(yù)成形坯料設(shè)計(jì) 246
8.2 大型鍛件模鍛坯料初始位置優(yōu)化 251
8.2.1 模鍛過(guò)程熱力耦合有限元建模 252
8.2.2 大型支柱鍛件模鍛成形特征 255
8.2.3 基于充填的初始坯料放置位置優(yōu)化 260
8.3 閥體零件多向擠壓成形路徑分析 266
8.3.1 多向擠壓過(guò)程熱力耦合有限元建模 268
8.3.2 閥體多向擠壓成形特征 273
8.3.3 鋁合金四通閥多向擠壓變形行為 278
參考文獻(xiàn) 290
編后記 295
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金屬體積成形過(guò)程建模仿真及應(yīng)用 節(jié)選
第1章 緒 論 1.1 塑性成形的含義及發(fā)展 金屬塑性成形技術(shù)是人類歷史上*為久遠(yuǎn)的制造技術(shù)之一，直至信息時(shí)代，它仍是制造金屬零件的基本方式之一[1~5]。塑性成形技術(shù)主要是通過(guò)施加力場(chǎng)，或同時(shí)輔以溫度場(chǎng)、磁力場(chǎng)等能量場(chǎng)使材料發(fā)生塑性變形實(shí)現(xiàn)體積轉(zhuǎn)移，在合適的成形方式和成形條件下，可以實(shí)現(xiàn)少無(wú)切削甚至近凈、精確成形，并且能夠使材料的組織和性能得到改善和提高，從而獲得形狀、尺寸和性能都滿足要求的高性能零件，是支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)防建設(shè)的主要技術(shù)之一。塑性成形過(guò)程中對(duì)金屬材料施加力場(chǎng)和做功，金屬材料承受很大壓力，做功功率很大，因此也稱為壓力加工。 彈性、塑性、黏性是材料的三種基本理想性質(zhì)。塑性是指材料在外力作用下發(fā)生永久不能恢復(fù)的變形而不破壞其完整性的能力。塑性變形的前提條件是材料的塑性，而材料的塑性由內(nèi)部條件和外部條件共同決定。內(nèi)部條件主要是金屬材料自身的化學(xué)成分、組織狀態(tài)、晶體結(jié)構(gòu)等，外部條件主要是成形溫度、變形速率、應(yīng)力狀態(tài)等。即使為脆性材料的大理石，在適當(dāng)?shù)娜驂簯?yīng)力狀態(tài)下也會(huì)發(fā)生塑性變形。 與金屬3D打印增材成形、切削加工的減材成形不同，塑性成形理論上為等材成形，相對(duì)于切削加工，塑性成形高效節(jié)材，某些零件可節(jié)材75%以上。塑性成形過(guò)程不存在連續(xù)冶金過(guò)程，也沒(méi)有金屬纖維被切斷的現(xiàn)象，塑性成形零件具有完整的金屬流線，并沿零件外形分布，零件的力學(xué)性能可得到有效提升。75%以上的金屬材料，特別是90%以上的鑄鋼，要經(jīng)過(guò)塑性變形成為零件或下一工序的坯料[4，6，7]。航空航天飛行器中的關(guān)鍵承力部件都需要經(jīng)過(guò)一定的塑性變形。 從材料工藝形態(tài)學(xué)視角出發(fā)，凝固成形、塑性成形、焊接成形、切削加工等機(jī)械制造過(guò)程包含材料、能量和信息三個(gè)基本流程[8]。零件信息一般包括形狀信息和性能信息兩個(gè)方面，材料加工過(guò)程就是借助能量流程把信息流程施加于材料流程的過(guò)程。例如，塑性成形中形狀的變化就是借助一定的運(yùn)動(dòng)(模具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng))將模具所包含的形狀信息施加于加工材料。模具所包含的零件形狀信息量越少，相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)零件形狀變化所起的作用越大，如單點(diǎn)漸進(jìn)成形，工具頭所包含的形狀信息量很少，模具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。如圖1.1所示，非對(duì)稱截錐零件的單點(diǎn)漸進(jìn)成形過(guò)程工具頭運(yùn)動(dòng)軌跡異常復(fù)雜[9]。反之，模具所包含的零件形狀信息量越多，相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)零件形狀變化所起的作用越小，如閉式模鍛，模具幾乎包含了所有形狀信息，因此相對(duì)運(yùn)動(dòng)就很簡(jiǎn)單。這一過(guò)程中運(yùn)動(dòng)與能量的施加是通過(guò)成形設(shè)備實(shí)現(xiàn)的，不同類型的設(shè)備，施加能量與運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)和方式也是不同的。金屬塑性成形設(shè)備施加能量或力的介質(zhì)主要有機(jī)械、液體、氣體等；金屬焊接設(shè)備產(chǎn)生熱量的方式主要有電路短路熱量、焦耳熱、摩擦熱等；金屬鑄造成形設(shè)備產(chǎn)生質(zhì)量力的方式主要有重力、離心力、流體壓力等。 圖1.1 單點(diǎn)漸進(jìn)成形工具軌跡及成形零件[9] *終零件信息(形狀信息和性能信息)等于工件/坯料的初始信息與成形過(guò)程所施加的信息變化之和。可將成形過(guò)程的概念外延，向后可包括機(jī)加工、熱處理工藝，向前可包括制坯工藝，乃至追溯至冶金過(guò)程，從而可涵蓋全制造過(guò)程。零件的形狀信息由模具形狀及模具和工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)決定，然而性能變化更加復(fù)雜。組織性能變化不僅與材料自身屬性密切相關(guān)，也和塑性成形條件密切相關(guān)，并且組織形態(tài)的變化將影響材料流變行為，進(jìn)而也會(huì)影響塑性變形特征。 塑性成形技術(shù)不斷追求成形成性一體化調(diào)控，然而*終零件信息是復(fù)雜塑性變形、非線性變化的幾何形狀、組織形態(tài)演變及外部施加的力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、磁力場(chǎng)等能量場(chǎng)相互耦合作用下的綜合結(jié)果。雖然基于數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation， DIC)技術(shù)的動(dòng)態(tài)變形測(cè)量分析系統(tǒng)及集成材料拉伸試驗(yàn)和顯微成像儀器的原位測(cè)試系統(tǒng)在小規(guī)格試樣的變形及組織演化研究中有所應(yīng)用，但是*終零件信息(特別是性能信息及成形過(guò)程的性能演變)對(duì)成形過(guò)程中工藝參數(shù)、幾何參數(shù)、材料參數(shù)以及多參數(shù)之間的相互耦合作用十分敏感。絕大多數(shù)用于塑性成形的材料內(nèi)部無(wú)法直接觀測(cè)，并且由于模具及施加力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、磁力場(chǎng)等能量場(chǎng)裝備的遮擋，以及這些能量場(chǎng)(如高溫)對(duì)成像技術(shù)的影響，對(duì)塑性成形過(guò)程形狀、性能(組織形態(tài))的直接觀察極難實(shí)現(xiàn)，尚難以建立有效的直接觀察方法用以深入研究。基于解析法(理論分析)、數(shù)值法(計(jì)算機(jī)仿真)、反復(fù)試驗(yàn)的研究方法對(duì)高度非線性、多場(chǎng)多參數(shù)影響的復(fù)雜塑性成形工藝研發(fā)極具挑戰(zhàn)性。 金屬塑性成形技術(shù)是人類歷史上*為久遠(yuǎn)的制造技術(shù)之一，人類使用金屬塑性成形方法可追溯至6000年前[10]。人類首次接觸的金屬材料是材質(zhì)較軟的天然金屬，如紫銅(紅銅)，通過(guò)錘擊天然金屬獲得相應(yīng)金屬制品。齊家文化從新石器時(shí)代晚期至青銅時(shí)代早期延續(xù)數(shù)百年，皇娘娘臺(tái)遺址是齊家文化重要遺址之一。皇娘娘臺(tái)遺址出土的銅刀(圖1.2)、錐、鏧等純銅制品具有明顯的錘擊痕跡[11]。而在新石器時(shí)代四壩文化的東灰山遺址竟發(fā)現(xiàn)青銅合金熱鍛成形制品[12]。 圖1.2 皇娘娘臺(tái)遺址出土的銅刀[11] “工欲善其事，必先利其器”。從人力直接捶打(圖1.3(a))逐漸發(fā)展為人力、畜力、水力通過(guò)一定的機(jī)械裝置舉起重錘鍛打工件(圖1.3(b))，鍛壓設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。隨著蒸汽機(jī)商業(yè)化，**次工業(yè)革命襲來(lái)，機(jī)械生產(chǎn)代替手工生產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)從農(nóng)業(yè)、手工業(yè)為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)型到以工業(yè)及機(jī)械制造帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的模式，對(duì)更大鍛件的需求也增加了。1842年，英國(guó)內(nèi)史密斯(James Nasmyth)設(shè)計(jì)制造了**臺(tái)蒸汽錘，開(kāi)始鍛壓設(shè)備動(dòng)力源的革新歷程(圖1.3(c))。19世紀(jì)末出現(xiàn)了以電為動(dòng)力的機(jī)械壓力機(jī)(圖1.3(d))和空氣錘，工業(yè)2.0時(shí)代動(dòng)力源以交流異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)為特征，進(jìn)入電氣一代。隨著塑性成形工藝的不斷發(fā)展革新，對(duì)鍛壓設(shè)備的速度、精度、可控性提出了更高要求，伺服電機(jī)成為鍛壓設(shè)備動(dòng)力源，邁入數(shù)控一代。正在進(jìn)行的新一代工業(yè)變革中，鍛壓設(shè)備向著柔性可控、全生命周期內(nèi)機(jī)電軟一體化發(fā)展，分散多動(dòng)力、全電伺服等新技術(shù)構(gòu)建高性能、智能化鍛壓設(shè)備為目前的發(fā)展趨勢(shì)。圖1.3(e)為西安交通大學(xué)研發(fā)的全電伺服分散動(dòng)力對(duì)輪數(shù)控旋壓設(shè)備，其柔性高、可控性強(qiáng)。該設(shè)備支持普旋和強(qiáng)旋，可通過(guò)控制各旋輪軸的運(yùn)動(dòng)，完成各種具有溝槽等復(fù)雜曲面的旋壓加工。 圖1.3 塑性成形工具/裝備的發(fā)展 成形裝備所提供的有效載荷、有效能量、有效功率必須滿足成形工藝的要求，才能實(shí)現(xiàn)成形工藝規(guī)定獲得預(yù)期的變形。隨著大尺寸構(gòu)件、高變形抗力材料不斷應(yīng)用，鍛壓設(shè)備噸位不增加。早在1795年英國(guó)布拉默(J. Joseph Bramah)就已經(jīng)發(fā)明液壓機(jī)(水壓機(jī))，但直到半個(gè)世紀(jì)后由于大鍛件的需要，液壓機(jī)才應(yīng)用于鍛造。1893年，首臺(tái)126MN液壓機(jī)(水壓機(jī))問(wèn)世，標(biāo)志著鍛壓設(shè)備邁入“萬(wàn)噸級(jí)”時(shí)代，在第二次世界大戰(zhàn)中萬(wàn)噸級(jí)重型鍛壓裝備得到迅猛發(fā)展，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后更是不斷升級(jí)。蘇聯(lián)在20世紀(jì)50年代末60年代初先后建成2臺(tái)7.5萬(wàn)t重型模鍛液壓機(jī)，鍛壓裝備噸位達(dá)到頂峰，直到50余年后，我國(guó)8萬(wàn)t重型模鍛液壓機(jī)投入使用，再次推高了重型裝備噸位。然而，在20世紀(jì)70年代中期以后，西方國(guó)家就幾乎停止建造此等規(guī)模的重型模鍛液壓機(jī)，雖然進(jìn)入21世紀(jì)后面對(duì)新的制造挑戰(zhàn)，美國(guó)、法國(guó)等西方國(guó)家又開(kāi)始建造重型模鍛液壓機(jī)，但噸位均在4萬(wàn)t左右。美國(guó)在4.5萬(wàn)t液壓機(jī)上成形出投影面積5.16m2的F-22戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)艙用整體隔框鍛件，而我國(guó)在8萬(wàn)t液壓機(jī)上成形出類似構(gòu)件的投影面積也僅稍大于5.16m2，設(shè)備使用潛力有待進(jìn)一步挖掘。通過(guò)工藝優(yōu)化控制與新工藝的創(chuàng)新發(fā)展的技術(shù)路線已成為實(shí)現(xiàn)難變形材料、大型復(fù)雜鍛件精確塑性成形的途徑。例如，通過(guò)全過(guò)程工藝路徑優(yōu)化與工藝裝備智能化控制以及新型省力新工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、新型裝備原理及研制，以解決目前存在的工藝路徑不佳、過(guò)程控制困難、裝備使用不足、成本高、能耗大等問(wèn)題，如圖1.4所示。張大偉等[13~16]開(kāi)展大型復(fù)雜構(gòu)件局部加載專用設(shè)備研發(fā)工作，提出一種能快速穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)局部加載的液壓機(jī)液壓系統(tǒng)及其伺服控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加載區(qū)連續(xù)變換以及加載區(qū)主液壓系統(tǒng)和未加載區(qū)液壓系統(tǒng)功能變換，一火加熱中快速實(shí)現(xiàn)多道次、多局部加載步成形，研制了10t級(jí)低功耗多道次局部加載液壓機(jī)實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，并具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。所研制的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)多道次、每道次兩局部加載步的省力成形，提供10t成形載荷與2t約束載荷，可以成形整體加載條件下所需成形載荷為20t的鍛件，與同等成形能力整體加載傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)相比，其液壓系統(tǒng)所需功率減小了約60%。其用于現(xiàn)有大中型鍛壓裝備(5000～20000t)技術(shù)改造升級(jí)，可極大拓展設(shè)備成形能力，盤(pán)活現(xiàn)有設(shè)備，與適當(dāng)?shù)墓に嚳刂葡嗯浜峡蓪?shí)現(xiàn)目標(biāo)零件形性調(diào)控，并有效降低設(shè)備投資和使用成本，降低單產(chǎn)能耗。 圖1.4 大型復(fù)雜鍛件精確成形實(shí)施途徑 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的終點(diǎn)是塑性成形的起點(diǎn)，而成形設(shè)備是成形工藝的載體，借助成形設(shè)備將工藝和模具信息施加于材料以獲得滿足或接近設(shè)計(jì)要求的零件結(jié)構(gòu)，如圖1.5(a)所示。材料-工藝-設(shè)備一體化是鍛壓設(shè)備有別于其他機(jī)械設(shè)備的顯著特點(diǎn)[17]。 圖1.5 結(jié)構(gòu)-材料-工藝(模具)-設(shè)備關(guān)聯(lián)關(guān)系 Zhao[18]在2009年嘗試探索結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造一體化，并應(yīng)用于新型電梯轎頂輪設(shè)計(jì)與制造。林忠欽[19]在2019年第十六屆全國(guó)塑性工程學(xué)術(shù)年會(huì)大會(huì)主旨報(bào)告中指出材料-結(jié)構(gòu)一體化是材料多樣化、結(jié)構(gòu)整體化、性能高要求下滿足和提高服役性能的重要途徑，而設(shè)計(jì)與制造一體化是現(xiàn)實(shí)材料-結(jié)構(gòu)一體化的重要手段。正在進(jìn)行的新一代工業(yè)變革中“結(jié)構(gòu)-材料-工藝(模具)-設(shè)備”制造流程的進(jìn)一步融合是必然趨勢(shì)，相互之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系更加密切，如圖1.5(b)所示。高效智能結(jié)構(gòu)-材料-工藝(模具)-設(shè)備一體化是減少設(shè)計(jì)性能和制造性能之間差異的重要途徑，工藝智能化是設(shè)計(jì)制造全流程一體化進(jìn)程中承前啟后的必要橋梁，也是智能制造不可或缺的重要環(huán)節(jié)。 塑性變形技術(shù)涉及的核心問(wèn)題和研究?jī)?nèi)容有：①塑性變形的物理本質(zhì)和機(jī)理；②塑性變形過(guò)程金屬的塑性行為、抗力行為和組織性能的變化規(guī)律；③彈性與塑性變形體內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變分布和質(zhì)點(diǎn)流動(dòng)的規(guī)律；④塑性變形所需的變形力及變形功的正確計(jì)算；⑤工藝及模具設(shè)計(jì)；⑥塑性成形設(shè)備的正確選擇。前4項(xiàng)內(nèi)容是后2項(xiàng)的基礎(chǔ)，后2項(xiàng)內(nèi)容是前4項(xiàng)的約束條件，對(duì)其有密切影響。 解析法、試驗(yàn)法是研究和發(fā)展塑性成形技術(shù)的重要手段，如塑性變形的物理本質(zhì)和機(jī)理研究離不開(kāi)先進(jìn)的試驗(yàn)方法和表征技術(shù)。然而，對(duì)于實(shí)際工程問(wèn)題，解析法難以描述復(fù)雜的三維問(wèn)題，而試驗(yàn)法也面臨費(fèi)用高、周期長(zhǎng)、參數(shù)難測(cè)量等問(wèn)題，難以進(jìn)行系統(tǒng)性和深入性研究。而數(shù)值模擬技術(shù)可以準(zhǔn)確描述材料性能和變形行為，以獲得更精確的結(jié)果，還可以獲取成形過(guò)程詳細(xì)的場(chǎng)變量信息[20，21]。因此，解析模型多用于指導(dǎo)數(shù)值分析和試驗(yàn)，試驗(yàn)研究用于評(píng)估驗(yàn)證解析模型、數(shù)值仿真模型，以數(shù)值仿真方法為主探討成形機(jī)理，進(jìn)行工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)，三者相輔相成、不可或缺。 制造工藝建模仿真技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了設(shè)計(jì)與制造一體化的進(jìn)一步發(fā)展[19]，多場(chǎng)耦合全過(guò)程多尺度建模仿真、數(shù)字化、智能化是推進(jìn)先進(jìn)塑性成形理論與技術(shù)發(fā)展的主要研究方法[4]，塑性成形過(guò)程的建模仿真技術(shù)的集成化、智能化是實(shí)現(xiàn)工藝智能化的重要基礎(chǔ)與途徑。金屬塑性成形過(guò)程的建模與仿真在智能制造進(jìn)程和新一代工業(yè)變革中占有一席之地，是重要的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 1.2 塑性成形工藝分類 根據(jù)不同的分類方法，可將金屬塑性成形工藝進(jìn)行分類，但目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類方法，特別是在塑性成形技術(shù)日新月異、新工藝層出不窮的情況下。根據(jù)成形溫度，塑性成形可分為熱成形、溫成形、冷成形。按工業(yè)領(lǐng)域分，可分為機(jī)械制造工業(yè)領(lǐng)域的成形技術(shù)，如沖壓；冶金工業(yè)領(lǐng)域的成形技術(shù)，如型材軋制。一般按照金屬塑性成形的特點(diǎn)，可分為體積成形和板材成形兩大類。每類又包括多種加工方法，形成各自的工藝領(lǐng)域。一
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