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开放式金属热加工中物理模拟的研究近年来，开放式金属热加工过程的物理模拟研究逐渐成为材料加工领域的研究热点。
物理模拟是通过对物理现象进行实验，将实验结果应用于实际加工过程的一种技术手段。
本文将重点探讨开放式金属热加工物理模拟的研究。
开放式金属热加工是指将金属加热至高温状态，然后通过塑性变形进行加工的过程。
在这个过程中，金属材料会发生显著的变形和组织结构变化。
为了更好地理解和预测金属材料在高温下的力学性能和变形行为，开展物理模拟研究非常有必要。
目前，有许多不同的物理模拟方法可以用于开放式金属热加工的研究。
其中最常用的方法是热轧模拟实验。
热轧模拟实验是一种通过在实验室中使用实验装置对金属材料进行热加工模拟的方法。
在实验中，可以模拟出金属在高温下的塑性变形行为，并通过不同的试验参数来探索材料变形和组织结构演变的规律。
另外一种常用的物理模拟方法是数值模拟。
数值模拟通过建立数学模型，采用计算机技术对金属的热加工过程进行模拟和分析。
数值模拟不需要进行实际的实验，可以更加方便快捷地获取金属材料的力学性能和变形行为信息。
数值模拟的主要优势之一是可以模拟大尺度的材料变形和组织结构演变过程，从而提供更全面的研究结果。
物理模拟的研究对于开放式金属热加工具有重要的意义。
一方面，物理模拟可以帮助理解金属材料在高温下的变形行为和组织结构演变过程。
通过模拟实验和数值模拟，可以研究金属材料在不同应变速率、应变量和温度条件下的力学性能和变形行为，进而提供更准确的加工参数和工艺参数设计依据。
另一方面，物理模拟的研究可以促进金属热加工过程的优化。
通过改变加工参数和工艺条件，可以提高金属材料的力学性能和加工性能，从而提高产品的质量和生产效率。
然而，物理模拟的研究也面临一些挑战和困难。
首先，金属热加工过程是一种高温、高应变速率的复杂流变过程，对实验装置和数值模拟技术的要求较高。
其次，金属材料在高温下会发生相变、再结晶等复杂的组织结构变化，需要进行细致的分析和建模。
⾦属塑性成形原理模拟题⼀、填空题：（每题 3 分，共计 30 分）1. 塑性是指： _ 在外⼒作⽤下使⾦属材料发⽣塑性变形⽽不破坏其完整性的能⼒。
2. ⾦属的超塑性可分为细晶超塑性和相变超塑性两⼤类。
3. ⾦属单晶体变形的两种主要⽅式有：滑移和孪⽣。
4. 影响⾦属塑性的主要因素有：化学成份，组织，变形温度，应变速率，变形⼒学条件。
5. 等效应⼒表达式：。
6. 常⽤的摩擦条件及其数学表达式：库伦摩擦条件，常摩擦条件。
7.π平⾯是指：通过坐标原点并垂于等倾线的平⾯，其⽅程为 __。
8.⼀点的代数值最⼤的 __ 主应⼒ __ 的指向称为第⼀主⽅向，由第⼀主⽅向顺时针转所得滑移线即为线。
9. 平⾯变形问题中与变形平⾯垂直⽅向的应⼒σ z =10. 在有限元法中：应⼒矩阵 [S]= ，单元内部各点位移 {U}=⼆、简答题（共计 30 分）1. 提⾼⾦属塑性的主要途径有哪些？（ 8 分）答：提⾼⾦属塑性的途径有以下⼏个⽅⾯：(1) 提⾼材料成分和组织的均匀性；…… 2'(2) 合理选择变形温度和应变速率；…… 2'(3) 选择三向压缩性较强的变形⽅式；…… 2'(4) 减⼩变形的不均匀性。
…… 2'2. 纯剪切应⼒状态有何特点？（ 6 分）答：纯剪切应⼒状态下物体只发⽣形状变化⽽不发⽣体积变化。
…… 2'纯剪应⼒状态下单元体应⼒偏量的主⽅向与单元体应⼒张量的主⽅向⼀致，平均应⼒。
…… 2'其第⼀应⼒不变量也为零。
…… 2'3. 塑性变形时应⼒应变关系的特点？（ 8 分）答：在塑性变形时，应⼒与应变之间的关系有如下特点：(1) 应⼒与应变之间的关系是⾮线性的，因此，全量应变主轴与应⼒主轴不⼀定重合。
…… 2'(2) 塑性变形时，可以认为体积不变，即应变球张量为零，泊松⽐。
……2'(3) 对于应变硬化材料，卸载后再重新加载时的屈服应⼒就是报载时的屈服应⼒，⽐初始屈服应⼒要⾼。
金属材料成型工艺中的数值模拟方法与分析金属材料的成型工艺在制造业中具有重要的地位，它能够将金属材料通过塑性变形、热压等方式加工成所需的形状和尺寸。
然而，传统的试验方法对于成型工艺的研究和优化存在时间长、成本高、试错率高等问题，因此，数值模拟方法成为了预测和分析金属材料成型工艺的重要手段。
数值模拟方法在金属材料成型工艺中的应用主要包括有限元方法、计算流体力学方法和细观模拟方法等。
其中，有限元方法是最常用的一种数值模拟方法。
有限元方法通过将材料划分成很多个小单元，通过求解场方程和边界条件，可以获得材料的应力、应变、温度等信息。
有限元方法适用于各种类型的金属材料成型工艺，例如拉伸、压缩、弯曲、挤压等。
通过有限元模拟，可以预测金属材料在不同载荷下的变形情况、应力分布和应力集中等。
计算流体力学方法在金属材料成型工艺中的应用相对较少，主要用于模拟金属的液态成型过程，例如压铸、浇铸等。
计算流体力学方法通过求解连续介质的流体动力学方程，可以获得金属液态成型过程中的流动状态、温度分布和应力情况。
这对于优化金属液态成型工艺的参数和工艺条件具有重要的指导意义。
细观模拟方法是一种基于金属材料微观结构的数值模拟方法。
通过对金属材料微观结构的建模和仿真，可以预测金属材料在成型过程中的细观组织演化、相变行为和力学性能等。
细观模拟方法在金属材料成型工艺中的应用越来越广泛，可以用于研究金属材料的晶粒长大、析出相的形成和变化、位错运动等过程，以及金属材料在成型过程中的塑性行为和损伤行为等。
数值模拟方法在金属材料成型工艺中的应用有以下几个优点。
首先，数值模拟方法可以提供一种经济高效的预测和分析手段。
通过数值模拟，可以在工艺实施前对成型工艺进行优化，减少试错次数和成本。
其次，数值模拟方法可以提供一种可重复性强的研究手段。
通过改变模拟条件和参数，可以对成型工艺进行多种不同的预测和分析，帮助研究人员深入了解金属材料的成型机理和行为。
最后，数值模拟方法可以提供一种非常准确的预测和分析结果。
无缝钢管局部径向模具塑性成形的物理模拟及模具优化以无缝钢管局部径向成形的质量控制和开裂及压痕问题进行研究，采用物理模拟的方法研究了无缝钢管局部径向模具塑性加工成形技术，包括工具形状参数、钢管形状参数对无缝钢管局部径向模具塑性加工成形过程的影响。
首先针对无缝钢管局部径向模具塑性加工成形过程中的开裂及压痕问题进行了初步的力学分析，根据分析结果对模具结构进行了改进，建立了无缝钢管局部径向模具塑性加工成形的物理模拟系统，完成了试验工作，试验结果表明改进后的模具较好地解决了开裂及压痕问题。
并探讨了厚径比参数、凹槽宽度与成形过程的关系，为工程设计提供了参考价值。
标签：钢管局部径向模具塑性成形模具优化物理模拟无缝钢管局部径向模具塑性成形是管材深加工的一个重要发展方向，管材的塑性加工在现代工业生产中具有十分重要的地位。
在无缝钢管局部径向模具塑性加工成形的实际生产过程中，经常出现無缝钢管局部塑性变形失控的问题，其局部变形超过材料的强度极限导致裂纹的产生，由于材料与模具接触工具形状的影响，材料产生流动导致压痕产生，无法获得所需要形状尺寸和性能的产品。
无缝钢管在模具中的局部径向塑性成形机理是十分复杂的，坯料的各个部分在成形过程中都具有不同的功能，受力状态及变形性质也各不相同，相互间的作用和影响也非常复杂。
研究其成形规律和控制方法，对无缝钢管在模具中局部径向塑性成形及控制将具有重要的意义。
一、无缝钢管局部径向模具塑性成形过程前无缝钢管局部径向模具塑性成形加工是将钢管放在下模上，用顶部未开圆弧槽的凸模径向加载在钢管上，凸模做径向位移将钢管压制成所需的形状，其成形过程及出现的典型缺陷。
二、无缝钢管局部径向模具塑性成形物理模拟1.物理模拟模具改进设计通过无缝钢管局部径向模具塑性成形工艺分析及力学分析以可知，将集中载荷改变为面载荷，可以降低凸模对无缝钢管的不均匀压缩，减少应力集中，是防止无缝钢管局部径向模具塑性成形时失稳与开裂有效方法。
deform热锻模拟实例1. 简介热锻是一种常用的金属加工方法，通过在高温下对金属进行塑性变形，以改变其形状和结构。
deform热锻模拟是一种计算机仿真技术，可以模拟和预测金属在热锻过程中的行为和性能。
本文将介绍deform热锻模拟的基本原理、应用领域以及一个实际的模拟实例。
2. 原理deform热锻模拟基于有限元分析方法，通过将复杂的连续体问题离散化为有限个单元，在每个单元内进行力学和热学计算。
其基本原理如下：1.几何建模：将待加工金属件的几何形状转换为计算机可识别的三维模型。
2.材料建模：根据待加工金属的物理和力学性质，选择适当的材料参数，如杨氏模量、泊松比、导热系数等。
3.网格划分：将几何模型划分为有限个小单元，并对每个单元进行编号。
4.增量加载：根据实际加工过程的加载条件，逐步施加外部力或温度，模拟金属在热锻过程中的变形和温度变化。
5.力学计算：根据材料力学性质和外部加载条件，计算每个单元内的应力、应变和位移。
6.热学计算：根据材料的热传导特性和外部温度场，计算金属在热锻过程中的温度分布。
7.结果分析：根据力学和热学计算结果，评估金属在热锻过程中的变形行为、残余应力分布以及可能出现的缺陷（如裂纹、变形不均匀等）。
3. 应用领域deform热锻模拟广泛应用于以下几个领域：3.1 制造业在制造业领域，deform热锻模拟可以帮助工程师预测金属在热锻过程中的行为，并优化工艺参数。
通过模拟实验前进行虚拟试验，可以减少实际试验次数和成本，并提高产品质量和生产效率。
例如，在汽车制造业中，deform热锻模拟可用于设计发动机零件、转向器件等金属件的热锻工艺。
3.2 航空航天在航空航天领域，deform热锻模拟可以用于设计和优化各种关键部件的热锻工艺，如涡轮叶片、发动机壳体等。
通过模拟实验，可以预测材料在高温下的变形和残余应力分布，以及可能出现的缺陷。
这有助于提高部件的强度和耐久性，并确保飞行安全。
3.3 能源领域在能源领域，deform热锻模拟可用于设计和改进各种能源设备的关键部件，如核电站反应堆压力容器、风力发电机叶片等。
第7卷第1期2000年3月塑性工程学报JOU RNAL OF PLAST ICIT Y ENGIN EERINGVol.7 No.1M ar . 2000金属塑性加工的物理模拟(中国科学院金属研究所 沈阳110015) 张士宏(丹麦技术大学 丹麦) M .A rentoft (哈尔滨工业大学材料科学与工程学院 哈尔滨150001) 尚彦凌摘 要:物理模拟是进行体积成形工艺研究和生产设计的重要工具方法,这种方法简捷、直观,还可以预测材料流动情况、填充情况和工艺缺陷形成过程。
本文介绍了利用北欧新型模拟材料“菲蜡”(F ilia )进行体积成形物理模拟实验的方法、原理、设备装置、模具和模拟材料的特性。
对圆柱坯料的自由镦粗、正挤、反挤、管件变薄挤压、平板坯料平面应变镦粗进行了物理模拟,分析讨论了物理模拟实验结果,并与上限模拟软件的结果进行了对比。
关键词:物理模拟;镦粗;平面应变镦粗;挤压;上限原理收稿日期:1999-4-211 引 言人们在进行金属塑性成形研究和生产、模具或工艺设计时,为了在实物加工前有某种预测性数据或结果,通常先进行某种模拟实验。
这些实验不同于实际工艺,一般可以分为物理模拟和数值模拟。
数值模拟近年来发展很快,特别是由于计算机技术的发展,各种数值计算方法成为可能,其中有限元法应用最广,可以模拟多工步加工过程的全部细节,给出各个阶段的变形参数和力能参数,在板材成形方面已成为许多大型企业的日常工具,在体积成形方面也有大量应用。
计算机辅助设计系统(CAD)、有限元数值分析系统和计算机数控加工系统一起组成计算机辅助工程系统(CAE)已成为大量欧美企业的先进制造系统。
目前,物理模拟方法在欧美科研和企业界仍取得了引人注目的进展,而且在某些制造领域内占主要地位,例如汽车行业内的大量冷锻(冷挤压)生产和近净形零件精密成形都是以物理模拟为主进行分析。
欧盟的许多塑性加工科研攻关项目都采用物理模拟为主要手段,兼以数值模拟手段和实测实验。
目前在欧美应用较多的商用有限元软件主要是DEFORM 、FORGE2,ABAQU S 和M ARC/AutoForge,这些软件的主要用户还多是科研部门和高等学校,用于进行体积成形研究时与物理模拟结果和实验结果进行对比。
企业在进行日常生产设计时还是以物理模拟为主,重大攻关项目时兼用两种方法。
这里的原因主要是冷挤压生产用物理模拟方法进行分析更简单易行,更直观方便,有数值模拟方法难以替代的作用。
例如用物理模拟方法很容易预测工件的各种工艺缺陷,甚至测算出变形体内的应变应力分布,其模具也简单,已成为许多欧美科研和企业的日常工具。
而数值模拟方法在模拟体积成形问题时还不完善,在预测工艺缺陷、准确计算载荷与应力等力能参数方面还不够理想,虽然长远看大有发展前途,但不可能完全代替物理模拟方法。
实际上,随着计算机技术的发展,物理模拟方法也得到了空前的提高,计算机技术已应用于物理模拟的控制与测试,目前国际上正是朝着物理模拟与数值模拟方法互相结合的方向发展。
而我国近年来物理模拟方面研究有所忽视,企业界更少使用。
应该注意的是,计算机方法的使用离不开实验背景,而物理模拟毕竟是建立在实验基础上的,还可以用于检验数值模拟结果的合法性。
适当开展物理模拟方法的研究和开发应用,既有利于提高生产效率、降低模具制造成本,也会避免这方面研究少走弯路。
2 菲蜡物理模拟实验技术丹麦技术大学W anheim [1,2]领导的加工技术实验室自60年代以来广泛开展物理模拟方法的研究,在模拟方法、设备和模拟材料等方面都取得了重大进展,其技术成果已在欧美企业广泛应用,也培养了大量人才,例如丹佛斯公司的Maegaard[3]博士,丹麦奥尔堡大学的Danckert教授[4]和丹麦技术大学的现任学术代头人Bay[5]都是出自这一实验室的该领域代表性专家,他们也把这一技术带向了欧美企业和科研机构[6]。
每一项物理模拟实验都有其目的。
物理模拟实验的目的可能有下列几种: 试图了解某一工艺中材料的流动机制; 探索一假说或理论; 验证某一原理;研究某一工艺中的参数影响,例如几何参数和摩擦参数; 进行模具或工件的几何设计; 控制给定工件的流动; 用于设计人员与生产工程师间的讨论与沟通。
进行物理模拟实验的前提是物理模型要尽量满足相应的相似条件,这一点在许多教科书中都有详细的描述,对于本文所涉及的主要包括以下方面: 几何相似条件; 弹性静态相似条件; 塑性静态相似条件; 动态相似条件; 摩擦相似条件; 温度相似条件[1,7]。
相似条件不满足或相差较大时模拟实验结果与真实工艺不可比,模拟实验没有意义;有些条件是容易满足的,例如几何相似条件,但有些则难以完全满足,这就要设法尽量接近;但条件不足而完全要求满足也是不现实的,所以应该要求尽量接近。
每一项物理模拟实验都要选定模拟材料[1,7,8]。
模拟材料在性能等多方面要与生产材料相似。
泥土和蜡是人们常用的模拟材料。
蜡都是石油制品,可以分为石蜡和微晶蜡。
石蜡性脆,但降低熔点后韧性提高。
而微晶蜡则韧性好。
目前国际上广泛应用的商用模拟材料有两类,即早年的英制非熔化材料塑性泥系列模拟材料和石蜡基系列的模拟材料。
塑性泥容易脆裂,不熔化,难加入其它添加剂,难以改变其性能,二次制造不方便,含有气泡,有压缩性,另外它是一种粘性物质,难以在模具不变形的状态下从模具表面上除去。
北欧地区则开发石蜡基模拟材料,即可以熔化和铸造的模拟材料,因为这类模拟材料更容易生产并适合实验。
已经商业化的一种丹麦专利蜡基模拟材料为“Filia”,这里先简称为:“菲蜡”。
菲蜡可在170℃熔化,很容易加进填加剂。
菲蜡的主要成份是:微晶蜡(m icro-crystalline w ax或Indramic)、白垩和高岭土。
通过改变材料的添加剂含量,材料的应变硬化性能和应变率敏感性能可以改变。
实验中经常加入的添加剂有微晶蜡、高岭土和氧化铁。
微晶蜡可提高韧性,高岭土改善应变硬化性能,而氧化铁可使材料变成暗色,暗色有助于在试件表面涂抹浅色网格或制造多色模拟试件。
模拟材料的应力应变曲线是最重要的材料性能。
这一性能可以用轴对称应变条件下的镦粗或平面应变实验测得。
图1是根据镦粗实验测得的模拟材料菲蜡的应力应变曲线,可以看出,所用材料的应力应变关系与金属材料非常相似。
模拟材料是否均质可用不同部位的密度测试或应力应变曲线来确定;是否各向同性也可以用应力应变曲线来确定;不可压缩性可以图1 根据镦粗实验测得的模拟材料菲蜡的应力应变曲线F ig.1 T he F illar stress-str ain curv e of simulatio nmater ial measur ed by upsetting test.通过对圆柱件置于厚壁圆筒内受压而产生的体积变化进行测量来确定。
材料的蠕变性能也可以通过实验来确定。
材料与模具的摩擦性能可以通过平面应变镦粗实验(雪茄实验)测得。
一般情况下可以采用单色模拟材料进行模拟实验,实验前坯料表面可以涂上网格,这些网格可以用于观查坯料的流动情况,或必要时用于计算坯料的应变和应力分布。
也可以用多颜色模拟材料制造坯料,尤其在模具不透明的情况下或表面应变不明显的情况下。
制好后的坯料其断面为多颜色的网格材料,变形后的彩色网格容易观察,可以清楚的显示出流动规律。
图2为部分涂好网格的模拟试件。
图2 部分涂好网格的模拟试件Fig.2 T he simulation pa rts print ed by m esh part ly.用菲蜡做模拟材料可以进行多种体积成形模拟实验,例如圆柱坯料的自由镦粗、正挤、反挤、轧制、46塑性工程学报第7卷管件变薄挤压、平板坯料平面应变镦粗。
模拟实验设备可以用自制小型专用设备和装置。
例如用于棒料的挤压、镦粗、模锻可以用自制小型专用立式(三维)压力机。
由于菲蜡材料的屈服应力大约为钢材的千分之一,一般压力机用不上。
设备最好采用微机控制,以便可以得到不同的变形速度。
平板坯料的成形实验可以自制小型专用卧式(平面)压力机,其速度与载荷也可以控制并测试,模具装置可以用夹具随时根据实验需要调装。
还用一种半圆柱式压力机可用于轴对称问题,试件可以在经面内分开,使用这种压力机的条件是周向应力必须是压应力,否则会引起误差。
模具材料可以选用木材、塑料、环氧树脂、石膏或石蜡。
透明模具可以用丙烯酸盐制成(参见图3)。
图3 物理模拟实验压力机及透明模拟挤压筒Fig .3 T he physical simulatio n t est pr ess and tr anspar ent simulation ex tr usio n ca nist er .模拟实验可以测试坯料与模具界面的压力分布和剪切力分布,测试载荷曲线,观察流动情况、填充情况和折叠、表面裂纹等工艺缺陷,根据变形后的网格计算应变和应力分布。
表面压力可以用压力传感器测得。
挤压筒的侧壁和承压面开有许多螺纹孔,实验所用压力传感器可以固定在这些小孔内用于测定工件与模具表面的压力。
有些自制三维压力传感器还可以用于测定工件所受的剪切力(摩擦力)和扭转力。
模拟实验中还可以用压力传感器测试冲头载荷,用位移传感器测出试件的压下量变化规律。
模拟实验时在工件与模具的接触面上一般需要涂抹润滑剂。
润滑剂可以根据需要用凡士林、高岭土和硬脂酸锌按不同比例配制,其摩擦系数可以是无摩擦、低摩擦、高摩擦甚至粘在一起,由低到高来变化。
为了配合工艺人员进行冷锻工艺设计,研制了一套基于上限法的数值模拟软件POLSK 。
这套软件可以对29种基本冷锻工艺进行模拟计算,计算简单、方便、快捷,结果包括最大载荷、模具所受最大压力、工件或模具的破坏方式及工艺的可行性定量值R 值。
R 值类似于材料力学中的安全系数,取决于工件材料、模具材料和最大压力及载荷。
当R 值小于1.0时,工艺不可靠,亦即不可行,应该根据可能的破坏方式改变工件材料或模具材料,或模具参数以提高R 值。
当R 值>1.0< 1.5时,工艺可行但可靠性不够,最好优化设计使R 值处于1.5～2.0之间,这是最佳范围;当R 值大于2.0时,模具可能选材过高,或设计上不必要,可能造成浪费,应该调整设计。
该软件可以用于工艺设计作为选材、选设备、模具设计与选材参考,还可以用于模拟物理模拟实验,进行对比与验证。
当然物理模拟实验还有许多其他方法,例如光塑法和密栅纭纹法。
对密栅纭纹法我国清华大学[9]已进行了多年研究开发,已利用计算机技术进行控制和数据处理。
板成形方面,作者所在实验室引入美国ASAME 网格测试系统,利用计算机控制镜头将已变形网格进行摄影,专用软件将变形网格进行处理可以得到类似有限元模拟得到的应变、应力、壁厚等分布图,还可以得到变形体各部位在变形极限线(FLD)上的位置,和各截面部位的变形参数分布,这些结果可以直接与有限元模拟结果对比说明问题。
