金屬塑性成形技術(shù)是現(xiàn)代化制造業(yè)中金屬加工的重要方法之一。它是金屬材料在模具和鍛壓設(shè)備作用下發(fā)生變形，獲得所需要求的形狀、尺寸和性能的制件的加工過程。金屬成形件在汽車、飛機儀表、機械設(shè)備等產(chǎn)品的零部件中占有相當大的比例。由于其具有生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)費用低的特點，適合于大批量生產(chǎn)，是現(xiàn)代高速發(fā)展的制造業(yè)的重要成形工藝。據(jù)統(tǒng)計，在發(fā)達國家中，金屬塑性成形件的產(chǎn)值在國民經(jīng)濟中的比重居行業(yè)之首，在我國也占有相當大的比例。
隨著現(xiàn)代制造業(yè)的高速發(fā)展，對塑性成形工藝分析和模具設(shè)計方面提出了更高的要求。若工藝分析不完善、模具設(shè)計不合理或材料選擇不當，則會造成產(chǎn)品達不到質(zhì)量要求，造成大量的次品和廢品，增加了模具的設(shè)計制造時間和費用。為了防止缺陷的產(chǎn)生，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，國內(nèi)外許多大公司企業(yè)及大專院校和研究機構(gòu)對塑性成形件的性能、成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布及變化規(guī)律進行了大量的理論分析、實驗研究與數(shù)值計算，力圖發(fā)現(xiàn)各種制件、產(chǎn)品成形工藝所遵循的共同規(guī)律以及力學失效所反映的共同特征。由于塑性成形工藝影響因素甚多，有些因素如摩擦與潤滑、變形過程中材料的本構(gòu)關(guān)系等機理尚未被人們完全認識和掌握，因而到目前為止還未能對各種材料各種形狀的制件成形過程作出準確的定量判定。正因為大變形機理非常復雜，使得塑性成形研究領(lǐng)域一直成為一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的領(lǐng)域。
一般來說，產(chǎn)品研究與開發(fā)的目標之一就是確定生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的優(yōu)化準則，而不同的產(chǎn)品要求不同的優(yōu)化準則，建立適當?shù)膬?yōu)化準則需要對產(chǎn)品制造過程的全面了解。如果不掌握諸如摩擦條件、材料性能、工件幾何形狀、成形力等工藝參數(shù)對成形過程的影響，就不可能正確地設(shè)計模具和選擇加工設(shè)備，更無法預測和防止缺陷的生成。在傳統(tǒng)工藝分析和模具設(shè)計中，主要還是依靠工程類比和設(shè)計經(jīng)驗，經(jīng)過反復試模修模，調(diào)整工藝參數(shù)以期望消除成形過程中的產(chǎn)品缺陷如失穩(wěn)起皺、充填不滿、局部破裂等。僅僅依靠類比和傳統(tǒng)的經(jīng)驗工藝分析和模具設(shè)計方法已無法滿足高速發(fā)展的現(xiàn)代金屬加工工業(yè)的要求。因此，現(xiàn)代金屬成形工藝分析過程中，建立適當?shù)摹斑^程模擬”非常重要。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)認識到數(shù)值模擬在金屬成形工程中的重要價值，這一領(lǐng)域已成為現(xiàn)代國內(nèi)外學者的研究熱點。
應(yīng)用塑性成形的數(shù)值模擬方法主要有上限法（Upper Bound Method）、邊界元法(Boundary Element Method)和有限元法（Finite Element Method）。上限元法常用于分析較為簡單的準穩(wěn)態(tài)變形問題；而邊界元法主要用于模具設(shè)計分析和溫度計算。對于大變形的體積成形和板料成形，變形過程常呈非穩(wěn)態(tài)，形狀、邊界、材料性質(zhì)等都會發(fā)生很大的變化，有限元法可由實驗和理論方法給出的本構(gòu)關(guān)系、邊界條件、摩擦關(guān)系式，按變分原理推導出場方程，根據(jù)離散技術(shù)建立計算模型，從而實現(xiàn)對復雜成形問題進行數(shù)值模擬。分析成形過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布及其變化規(guī)律，由此提供較為可靠的主要成形工藝參數(shù)。因此基于有限元法的塑性成形數(shù)值模擬技術(shù)是當前國際上極具發(fā)展?jié)摿Φ某尚渭夹g(shù)前沿研究課題之一。
正確設(shè)計和控制金屬塑性成形過程的前提條件是充分掌握金屬流動、應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、熱傳導、潤滑、加熱與冷卻及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面的知識。任何分析方法都是為工程技術(shù)人員服務(wù)的，其目的是幫助工程技術(shù)人員掌握金屬流動過程中應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)等方面知識，一個好的分析方法至少應(yīng)包括以下幾個功能：
（1）在未變形體（毛坯）與變形體（產(chǎn)品）之間建立運動學關(guān)系，預測金屬塑性成形過程中的金屬流動規(guī)律，其中包括應(yīng)力應(yīng)變場量變化、溫度變化及熱傳導等。
（2）計算金屬塑性成形極限，即保證金屬材料在塑性變形過程中不產(chǎn)生任何表面及內(nèi)部缺陷的最大變形量可能性。
（3）預測金屬塑性成形過程得以順利進行所需的成形力及能量，為正確選擇加工設(shè)備和進行模具設(shè)計提供依據(jù)。
當前，有限元法已成為分析和研究金屬塑性成形問題的最重要的數(shù)值分析方法之一，它具有以下優(yōu)點：
（1）由于單元形狀具有多樣性，有限元法使用與任何材料模型，任意的邊界條件，任意的結(jié)構(gòu)形狀，在原則上一般不會發(fā)生處理上的困難。金屬材料的塑性加工過程，均可以利用有限元法進行分析，而其它的數(shù)值方法往往會受到一些限制。
（2）能夠提供金屬塑性成形過程中變形力學的詳細信息（應(yīng)力應(yīng)變場、速度場、溫度場、網(wǎng)格畸變等），為優(yōu)化成形工藝參數(shù)及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供詳細而可靠的依據(jù)。
（3）雖然有限元法的計算精度與所選擇的單元種類，單元的大小等有關(guān)，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元法將提供高精度的技術(shù)結(jié)果。
（4）用有限元法編制的計算機程序通用性強，可以用于求解大量復雜的問題，只需修改少量的輸入數(shù)據(jù)即可。
（5）由于計算過程完全計算機化，既可以減少一定的試驗工作，又可直接與CAD/CAM實現(xiàn)集成，使模具設(shè)計過程自動化。
就金屬塑性成形領(lǐng)域而言，有限元法大致可分為兩類，一種是固體形塑性有限元法(Solid Formulation)—彈塑性有限元法，這類有限元同時考慮彈性變形和塑性變形，彈性區(qū)采用虎克定律，塑性區(qū)采用Prandte－Reuss方程和Mises屈服準則，對于小塑性變形所求的未知量是單元節(jié)點位移，適用于分析結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)，屈服等工程問題。對于大塑性變形，采用增量法分析。這類有限元法的特點是考慮彈性區(qū)與塑性區(qū)的相互關(guān)系，既可以分析加載過程，又可以分析卸載過程，包括計算殘余應(yīng)力應(yīng)變及回彈、以及模具和工件之間的相互作用，可以處理幾何非線性和非穩(wěn)態(tài)問題，其缺點是所取是的步長不能太大，計算工作量繁重，對于非線性硬化材料計算復雜。過去彈塑性有限元法主要適用于分析板料成形、彎曲等工序。但近年來隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，這種方法正在朝著更廣的應(yīng)用范圍擴展。
對于大多數(shù)體積成形問題，彈性變形量較小，可以忽略，即可將材料視為剛塑性體，同時為了克服上述彈塑性有限元方法的不足，C.H.Lee和S.Kobayashi于1973年首次提出了基于變分原理的流動型有限元法—剛塑性有限元法，用Lagrange乘子技術(shù)施加體積不變條件，由于這種方法不象彈塑性有限元法那樣用應(yīng)力應(yīng)變增量進行求解，因此，計算時增量步進可取得較大一些，但對于每次增量變形來說，材料仍處于小變形狀態(tài)，下一步計算是在材料以前的累加變形幾何形狀和硬化特性基礎(chǔ)之上進行的，因此，可以用小變形的計算方法來處理大變形問題，并且計算模型較簡單，這一方法已廣泛的應(yīng)用于二維軸對稱問題的各種塑性工步分析 。1979年，O.C.Zienkiewicz 等又給出了采用罰函數(shù)法的體積不可壓縮的剛塑性有限元法。
剛塑性有限元法通常只是用于一些金屬的冷加工問題。對于熱加工（再結(jié)晶溫度以上）應(yīng)變硬化效應(yīng)不顯著，材料對變形速度具有較大的敏感性，因此，在研究熱加工問題時要采用粘塑性本構(gòu)關(guān)系，相應(yīng)地發(fā)展了另一種流動型有限元法—剛粘塑性有限元法。O.C.Zienkiewicz 等把熱加工時金屬視為非牛頓不可壓縮流體，建立了相應(yīng)的有限元列式，并進行了穩(wěn)態(tài)流動的 熱力耦合計算，分析了拉拔、擠壓、軋制等工藝過程 。Reblo等人進行了非穩(wěn)態(tài)過程的熱力耦合計算分析 。Mori和Osakada提出了剛塑性有限元中的可壓縮方法 ，對多種軋制和擠壓工藝以及粉末成形工藝進行了模擬 。Park、Oh、Rebelo、Kudo等用剛粘塑性有限元法對速率敏感材料成形過程進行了熱力耦合計算 。Hartley和Stugess對塑性成形摩擦進行了研究，并用此分析了擠壓軋制等成形問題 。另外，S.Kobayashi等人還提出剛塑性有限元反向模擬技術(shù)，并用此對一些簡單的成形問題進行預成形設(shè)計 ，目前剛(粘)塑性有限元法是國內(nèi)外公認的分析金屬成形問題最先進的方法之一。
盡管塑性加工中的有限元理論及技術(shù)都有很大的發(fā)展，國內(nèi)外的學者在一些方面已取得豐碩的成果，但由于塑性成形自身的特點，使得有限元在這個領(lǐng)域中的應(yīng)用還存在許多具體的難題，如：如何建立一個能真實反映材料在成形過程中變形規(guī)律的本構(gòu)關(guān)系、摩擦接觸問題的處理、如何在分析過程中自動生成高質(zhì)量的三維有限元網(wǎng)格及網(wǎng)格重劃問題，宏觀模擬和微觀組織預測等，這些問題都急待解決，都是值得進一步開發(fā)研究的重要課題。