01 簡介

金屬旋壓是一種復雜的金屬塑形變形過程，廣泛應用于航空、航天、軍工等金屬精密加工技術領域。旋壓主要分為普通旋壓和強力旋壓，其中強力旋壓使初始坯料厚度發生改變，變形過程較復雜。目前旋壓工藝的研究大部分仍采用傳統的試驗方法研究，對旋壓的過程控制依賴于經驗值，生產過程中一旦產生缺陷，原因也不能很好地解釋。而在數值模擬仿真技術和軟件成熟的今天，應當快速采用計算機數值模擬的方法對其進行了研究，對不同工藝參數下的強力旋壓過程進行了模擬，獲得了成形角、減薄率、進給比等工藝參數對等效應力和旋壓力的影響規律，為旋壓工藝參數的選擇和優化提供了依據。

旋壓過程是點接觸并接觸位置不斷發生變化，在模擬計算時邊界接觸條件高度非線性，使得旋壓成形機理較復雜，旋壓工件各點的應力、應變分布很不均勻。因此大部分金屬成形仿真軟件對于旋壓模擬都比較費力，設置過程復雜，計算速度慢，導致計算結果很難與實際保持一致，需要多次調試模擬設置，這些困難阻礙了數值模擬與旋壓工藝的結合使用。對于旋壓過程模擬，多年來SFTC公司對旋壓模擬在DEFORM通用模塊應用實踐基礎上總結經驗，不斷研發改進，在DEFORM軟件最新版本v11.2中正式推出了專業旋壓模擬向導式模塊Flow Forming，將復雜的旋壓有限元設置內部優化處理，工藝研發人員只需按照向導界面提示，導入實際幾何模型和工藝參數，即可完成模擬，整個設置過程猶如高級仿真專家指導一般，實現了旋壓模擬的高效、高精度仿真計算。

02 技術特點

1、向導式工藝設置界面

Flow Forming旋壓工藝仿真是DEFORM最新推出的向導式模塊，該模塊面向專業的旋壓工藝技術人員，無需學習復雜的有限元理論和DEFORM軟件的基礎操作設置，只需按照界面提示，輸入幾何模型、運動參數、選擇材料即可完成模擬設置。其余高級設置均自動生成或有推薦值填入。

設置流程樹

物體定義

幾何模型創建時，旋壓的工件和模具幾何均為軸對稱物體，一般畫圖建模都是先創建二維幾何，再繞對稱軸旋轉成三維模型。而Flow Forming旋壓模塊只需要工件和模具的2D幾何截面，因此用戶可以在軟件中參數化建模或外部導入2D幾何，物體之間位置關系在向導模塊中能夠自動定位對齊，省去了大量的建模工作。

自動定位功能

對于運動設置，SFTC公司綜合旋壓過程的運動特點，對運動輸入界面做了精簡改動，只包含了旋壓才會出現的運動形式，一個平移運動和一個旋轉運動，簡化掉許多無關的功能界面，避免給用戶造成設置干擾，又能夠實現旋壓需要的所有運動定義。材料庫保留了DEFORM所有的材料數據，也可用戶自定義各類復雜材料參數，其參數的全面性這里不再贅述，感興趣的用戶可查看其它DEFORM文章或與我們聯系。

模具運動設置界面

其余的模擬設置Flow Forming旋壓模塊都會幫助用戶快速完成，包括接觸定義、步長、停止條件、算法選擇等都有快速選擇界面或推薦值，等使工藝人員將全部的精力投入到可變工藝參數的制定上，全心研究旋壓成形規律，優化工藝參數。

2、ALE法與旋壓的完美結合

DEFORM軟件的Flow Forming旋壓模塊采用的是ALE任意拉格朗日歐拉算法。Lagrange法是網格節點與物質點保持一致運動，因此在描述運動邊界或者運動界面時非常方便；而Euler法網格節點固定在空間，不隨物體質點流動，因此在描述大變形時沒有糾纏問題，缺點是處理對流效應比較困難，也無法精確確定運動邊界。ALE法是融合了Euler法和Lagrange法各自的優點，使網格在整個分析過程中保持一種比較良好的狀態，不會出現巨大的扭曲與變形，在保證精度的前提下提高了旋壓計算效率。

Flow Forming旋壓模塊靈活應用了ALE法，具體如下圖所示，通過向導模塊自動生成的工件和旋壓輪，對接觸部位的網格和幾何線條在旋轉方向上自動局部加密，提高接觸部分的計算精度。由于旋壓過程中工件和旋壓輪不斷發生旋轉，相互接觸位置也在不斷變化，ALE法正好能夠克服了網格需要不斷重劃分的缺點，又能夠保證旋壓狀態下工件邊界形狀的變化。

旋壓過程中ALE法的幾何和網格

對于強力旋壓，工件壁厚減薄嚴重時，Flow Forming旋壓模塊又能夠自動重劃分工件的2D截面網格，使得整個計算過程都使用六面體網格，并且接觸部位保持局部細化網格，實現高效高精度計算。

3、隱式與顯式算法的應用

旋壓過程在塑形變形較大時，工件一般作為剛塑性體處理，通常采用隱式算法即可高效求解，而對于彈性變形不可忽略的情況下，必須采用彈塑性模型才能得到精確模擬結果，采用隱式算法求解彈塑性物體變形，計算較慢，且容易發生不收斂的情況。DEFORM軟件在v11版本之后引入了顯式求解算法，很好地解決了彈塑性模型的求解過程，對于旋壓彈塑性模擬完全能夠使用顯式算法，下面是一組案例，分別使用剛塑性體隱式求解和彈塑性顯式求解得到的結果。

精度對比

從圖中對比可以看出，旋壓模擬最后的結果基本相同，如果只是對工藝參數及材料流動規律研究，塑形模型也可滿足要求，而彈塑性模型更加接近實驗結果。另外從計算時間上來看，彈塑性模型采用顯式算法，與剛塑性模型隱式求解時間上幾乎相同，甚至更快一些。

03 結論

DEFORM軟件為旋壓模擬提供了方便快捷的向導式模塊和更多高級功能應用，為旋壓工藝提供了先進的研究方法。

來源： 安世亞太