基于ALE法的DEFORM旋压数值模拟

转自安世工仿安世亚太 2022-12-15

01简介

金属旋压是一种复杂的金属塑形变形过程，广泛应用于航空、航天、军工等金属精密加工技术领域。旋压主要分为普通旋压和强力旋压，其中强力旋压使初始坯料厚度发生改变，变形过程较复杂。目前旋压工艺的研究大部分仍采用传统的试验方法研究，对旋压的过程控制依赖于经验值，生产过程中一旦产生缺陷，原因也不能很好地解释。而在数值模拟仿真技术和软件成熟的今天，应当快速采用计算机数值模拟的方法对其进行了研究，对不同工艺参数下的强力旋压过程进行了模拟，获得了成形角、减薄率、进给比等工艺参数对等效应力和旋压力的影响规律，为旋压工艺参数的选择和优化提供了依据。

旋压过程是点接触并接触位置不断发生变化，在模拟计算时边界接触条件高度非线性，使得旋压成形机理较复杂，旋压工件各点的应力、应变分布很不均匀。因此大部分金属成形仿真软件对于旋压模拟都比较费力，设置过程复杂，计算速度慢，导致计算结果很难与实际保持一致，需要多次调试模拟设置，这些困难阻碍了数值模拟与旋压工艺的结合使用。对于旋压过程模拟，多年来SFTC公司对旋压模拟在DEFORM通用模块应用实践基础上总结经验，不断研发改进，在DEFORM软件最新版本v11.2中正式推出了专业旋压模拟向导式模块Flow Forming，将复杂的旋压有限元设置内部优化处理，工艺研发人员只需按照向导界面提示，导入实际几何模型和工艺参数，即可完成模拟，整个设置过程犹如高级仿真专家指导一般，实现了旋压模拟的高效、高精度仿真计算。

02技术特点

1、向导式工艺设置界面

Flow Forming旋压工艺仿真是DEFORM最新推出的向导式模块，该模块面向专业的旋压工艺技术人员，无需学习复杂的有限元理论和DEFORM软件的基础操作设置，只需按照界面提示，输入几何模型、运动参数、选择材料即可完成模拟设置。其余高级设置均自动生成或有推荐值填入。

设置流程树

物体定义

几何模型创建时，旋压的工件和模具几何均为轴对称物体，一般画图建模都是先创建二维几何，再绕对称轴旋转成三维模型。而Flow Forming旋压模块只需要工件和模具的2D几何截面，因此用户可以在软件中参数化建模或外部导入2D几何，物体之间位置关系在向导模块中能够自动定位对齐，省去了大量的建模工作。

自动定位功能

对于运动设置，SFTC公司综合旋压过程的运动特点，对运动输入界面做了精简改动，只包含了旋压才会出现的运动形式，一个平移运动和一个旋转运动，简化掉许多无关的功能界面，避免给用户造成设置干扰，又能够实现旋压需要的所有运动定义。材料库保留了DEFORM所有的材料数据，也可用户自定义各类复杂材料参数，其参数的全面性这里不再赘述，感兴趣的用户可查看其它DEFORM文章或与我们联系。

模具运动设置界面

其余的模拟设置Flow Forming旋压模块都会帮助用户快速完成，包括接触定义、步长、停止条件、算法选择等都有快速选择界面或推荐值，等使工艺人员将全部的精力投入到可变工艺参数的制定上，全心研究旋压成形规律，优化工艺参数。

2、ALE法与旋压的完美结合

DEFORM软件的Flow Forming旋压模块采用的是ALE任意拉格朗日欧拉算法。Lagrange法是网格节点与物质点保持一致运动，因此在描述运动边界或者运动界面时非常方便；而Euler法网格节点固定在空间，不随物体质点流动，因此在描述大变形时没有纠缠问题，缺点是处理对流效应比较困难，也无法精确确定运动边界。ALE法是融合了Euler法和Lagrange法各自的优点，使网格在整个分析过程中保持一种比较良好的状态，不会出现巨大的扭曲与变形，在保证精度的前提下提高了旋压计算效率。

Flow Forming旋压模块灵活应用了ALE法，具体如下图所示，通过向导模块自动生成的工件和旋压轮，对接触部位的网格和几何线条在旋转方向上自动局部加密，提高接触部分的计算精度。由于旋压过程中工件和旋压轮不断发生旋转，相互接触位置也在不断变化，ALE法正好能够克服了网格需要不断重划分的缺点，又能够保证旋压状态下工件边界形状的变化。

旋压过程中ALE法的几何和网格

对于强力旋压，工件壁厚减薄严重时，Flow Forming旋压模块又能够自动重划分工件的2D截面网格，使得整个计算过程都使用六面体网格，并且接触部位保持局部细化网格，实现高效高精度计算。

3、隐式与显式算法的应用

旋压过程在塑形变形较大时，工件一般作为刚塑性体处理，通常采用隐式算法即可高效求解，而对于弹性变形不可忽略的情况下，必须采用弹塑性模型才能得到精确模拟结果，采用隐式算法求解弹塑性物体变形，计算较慢，且容易发生不收敛的情况。DEFORM软件在v11版本之后引入了显式求解算法，很好地解决了弹塑性模型的求解过程，对于旋压弹塑性模拟完全能够使用显式算法，下面是一组案例，分别使用刚塑性体隐式求解和弹塑性显式求解得到的结果。

精度对比

从图中对比可以看出，旋压模拟最后的结果基本相同，如果只是对工艺参数及材料流动规律研究，塑形模型也可满足要求，而弹塑性模型更加接近实验结果。另外从计算时间上来看，弹塑性模型采用显式算法，与刚塑性模型隐式求解时间上几乎相同，甚至更快一些。