前言

本指引適用鍛造成形以及相關行業(yè)；面向制定鍛造工藝、模具設計優(yōu)化、鍛造設備選擇、鍛件缺陷分析、工藝問題分析和鍛造工藝優(yōu)化等技術需要，可供具有一定理論基礎或技能特長并愿意進行工藝模擬學習和工作的技術人員參考。

本指引適用于金屬材料各種鍛造成形工藝，包括但不限于熱鍛、冷鍛和溫鍛。適用于常規(guī)鍛造工藝，及其他特種鍛造工藝，如模鍛、擠壓、輾環(huán)和徑向鍛造等。

本指引適用于各種鍛造設備下的鍛造工藝模擬，包括但不限于機械壓力機、螺旋壓力機、鍛錘和液壓機等。

本指引同時涉及鍛造工藝，鍛前下料和鍛后熱處理工藝，并關注與鍛件機械性能相關的微觀組織模擬，以及鍛造模具的宏觀受力狀態(tài)模擬。

本指引在引導完善鍛造工藝模擬體系的同時，鼓勵應用本指引的單位和個人同時重視鍛造過程的物理模擬技術發(fā)展與應用。

本指引系統(tǒng)地介紹鍛造工藝模擬工程建設的一般步驟、分層分級的建設規(guī)范、以及新技術在本領域的可能應用趨勢。

第一篇 鍛造、鍛造工藝及工藝模擬概述

一、工藝模擬的意義與作用

金屬塑性加工是金屬加工的一種重要工藝方法，它不僅生產(chǎn)效率高，原材料消耗少，而且可以有效改善金屬材料的組織和力學性能。

鍛造是金屬塑性加工的一種主要工藝方法，在加壓設備及工（模）具的作用下，使坯料或鑄錠(塊或厚板金屬)產(chǎn)生局部或全部的塑性變形，以獲得一定幾何尺寸、形狀的零件（或毛坯）并改善其性能的加工方法。

可以這樣理解，鍛造就是將金屬棒材、線材、板材、鑄錠或塊金屬加熱或不加熱，在力（能）的作用下成形的一種加工方法。俗稱：打鐵。鍛造屬于金屬塑性成形，大都是體積成形，是指利用鍛造設備上的錘頭、砧塊或模具，對金屬坯料施力產(chǎn)生塑性變形。根據(jù)鍛件的尺寸和形狀、采用的工模具工裝結構和鍛造設備的不同，鍛造分為自由鍛和模鍛，鍛造出來的產(chǎn)品稱之為自由鍛件和模鍛件。

自由鍛是用簡單、通用性工具，或者在鍛造設備上、下砧之間直接對坯料施加外力，使坯料變形，而獲得所需的鍛件幾何形狀及內(nèi)部質(zhì)量的鍛造方法。模鍛則是利用模具使坯料變形而獲得鍛件的鍛造方法。

一般是將粉狀、粒狀或纖維狀的金屬或非金屬材料放入成形溫度下的模具型腔中，然后加壓合模而使其成形并固化的制造方法稱為模壓成形，又稱壓制成形或壓縮成形，模壓成形也可以歸類于模鍛范疇。

大鍛件是相對概念，分大型模鍛件、大型自由鍛件、大型環(huán)形件和大口徑厚壁無縫管件。使用8MN以上自由鍛液壓機或30kN以上自由鍛錘生產(chǎn)的自由鍛件稱為大型自由鍛件。使用60MN以上模鍛造力機、80MN以上模鍛液壓機或100kN以上模鍛錘生產(chǎn)的模鍛件為大型模鍛件。大型鍛件主要用于電力、冶金、石化、船舶、機車車輛、模具、航空航天、兵器、重型機械和汽車、礦山機械、通用機械等領域。

金屬的擠壓、鐓鍛和回轉加工成形等屬于特種塑性成形，在國內(nèi)外也列為鍛造生產(chǎn)工藝類，生產(chǎn)的產(chǎn)品也被稱為鍛件。

金屬回轉加工成形包括僅金屬坯回轉、僅工具回轉、或兩者都回轉，從而使金屬坯料變形的塑性加工方法，包括縱軋、斜軋、擺輾、輾環(huán)、楔橫軋、輥彎（或彎卷）、輥鍛、旋壓和徑向鍛造等。成形環(huán)件內(nèi)徑Φ500mm以上的為大型環(huán)件；擠壓管件內(nèi)徑Φ300mm以上壁厚30mm以上的為大口徑厚壁管件。

現(xiàn)代鍛造技術對毛坯與模具設計以及材料塑性流動控制等方面要求越來越高，所以采用基于經(jīng)驗的試錯設計+高成本的現(xiàn)場調(diào)試方法已不能滿足實際需要，引入以計算機為工具的現(xiàn)代數(shù)字化設計分析手段已成為行業(yè)共識。

隨著信息技術和通信技術的發(fā)展，鍛造行業(yè)的數(shù)字化時代已經(jīng)到來。數(shù)字化技術是指利用計算機軟硬件及網(wǎng)絡、通信技術，對描述的對象進行數(shù)字定義、建模、儲存、處理、傳遞、分析、綜合優(yōu)化，從而達到精確描述和科學決策的過程和方法。數(shù)字化方法在鍛造行業(yè)中最重要的應用就是工藝模擬。

鍛造成形時，材料特性、變形速度、溫度、摩擦條件、坯料形狀尺寸、模具幾何外形等因素對成形有著非常重要的影響。金屬鍛造成形過程是復雜的非線性問題，包含材料非線性，邊界非線性、幾何非線性，采用傳統(tǒng)理論計算方法很難計算成形過程中材料流動、應力應變。對于復雜產(chǎn)品，變形過程中材料流動通過理論計算難以完成。通過工藝模擬可以回答經(jīng)驗設計無法回答的問題，了解鍛造成形的全過程，包括鍛造過程中各階段材料填充模具的情況、材料變形趨勢、材料內(nèi)部的應力、應變、應變速率、成形載荷及速度矢量場等，以此指導鍛造成形的工藝設計、模具設計、毛坯的設計、壓力機的選擇以及成形質(zhì)量的控制等，已經(jīng)成為眾多鍛造企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)鏈中不可缺少的一環(huán)。同時，工藝模擬對于優(yōu)化已有產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝同樣具有重要意義，通過工藝模擬能夠直觀地重現(xiàn)生產(chǎn)中出現(xiàn)的缺陷和問題，深入分析出現(xiàn)問題的原因并且針對問題進行大量優(yōu)化計算得到最優(yōu)的工藝。目前，工藝模擬在鍛造工業(yè)中取得成功的領域有：制定鍛造工藝、分析模具應力、分析鍛造工藝缺陷、預測鍛件組織性能等。另外，通過工藝模擬可以減少昂貴的車間試驗，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，減少鍛造生產(chǎn)成本。

概括地講，工藝模擬協(xié)助制訂鍛造工藝，確定需要的成形工步，目標就是合理地設計出成形工步及操作流程，其中任一工步的分析都基本上涉及以下幾個方面：

（1）建立金屬材料內(nèi)部變形區(qū)與未變形區(qū)間的運動關系（如外形、速度、應變、應變率），即金屬塑性流動的預測。

（2）確定材料與工藝的成形極限，即確定工件成形后是否會出現(xiàn)表面或內(nèi)部缺陷。

（3）預測成形工藝所需的變形力，應力，以便模具及設備設計、制造或選用。

（4）確定或預測內(nèi)部組織結構、影響變形和零件機械性能的因素；

（5）預測分析模具的受力情況，對模具應力集中區(qū)域進行二次優(yōu)化設計。

二、工藝模擬的定義

工藝模擬（processing simulation）一詞1993年經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布，最初作為電子學名詞使用，其定義是利用軟件對化學、物理、生物和其它技術過程進行基于模型的表達和操作。在鍛造行業(yè)中，工藝模擬主要包括鍛造工藝及模具模擬，以及相關前序和后序工藝模擬，鍛造前序可以延伸到鑄造、軋制成形，后序可以延伸到熱處理工藝、消除殘余應力的冷壓工藝等全流程工藝模擬等。

鍛造工藝數(shù)值模擬指科技工作者或工藝技術人員使用專業(yè)的計算機模擬軟件模擬整個成形過程各種物理量的變化，預測成形過程中溫度場，應力場、應變場和成形力等重要信息，并將各種物理量以云圖或動畫的形式在計算機上顯示出來。從中可以獲取工件的詳細變形過程、各種物理量隨空間和時間的變化以及產(chǎn)生的各種主要成形缺陷，如開裂、折疊與回彈等等。

第二篇 工藝模擬所需資源

一、工藝模擬需要的硬件、軟件

首先需要強調(diào)，為了能有效地開展模擬工作，工藝模擬必須建立獨立的運算系統(tǒng)或使用獨立的計算機，將進行模擬的系統(tǒng)和計算機獨立，不可兼用。這是提升模擬效率，保證模擬精度的重要保證。特別需要指出的是日常工作使用的電腦不可作為模擬電腦使用。

硬件需要

計算機/工作站：根據(jù)模擬需求以及專業(yè)軟件的不同選擇相應的硬件，可咨詢軟件公司獲得具體配置，目前模擬軟件普遍需要臺式計算機、工作站甚至服務器，便攜式筆記本大多不能夠勝任。如果有多個使用者需要提交模擬任務一般推薦工作站，若這些任務超過現(xiàn)有工作站所用的內(nèi)核數(shù)的CPU，則建議適用服務器（或集群），并需要配置作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)。

CPU（處理器）：高時鐘速率芯片，按對模擬時間的要求選擇。

內(nèi)存：快速內(nèi)存有利于提高計算速度，建議2400Mhz，4GB以上

硬盤：硬盤越快，模擬速度越快

顯卡：參考CAD軟件的要求選擇

顯示器：需要有一定的分辨率，以便于結果分析，主要參考CAD軟件的要求選擇.

例如可依據(jù)以下配置進行選擇：

特別說明，以上給出的建議是基于2021年12月之前計算機發(fā)展的水平，以及該日期之前應用軟件所存在版本確定，由于計算機技術和應用軟件的不斷升級和變化，在采購各軟件時，需要依據(jù)各軟件公司當時的具體建議執(zhí)行。

本處的所有陳述對模擬工程建設提出了必須要考慮的硬件因素，這些因素必須予以遵守，應該說是需求的最低標準。

軟件需要

系統(tǒng)平臺：目前工藝模擬用專業(yè)軟件普遍能夠在Windows系統(tǒng)上運行，在選用Windows系統(tǒng)時，需要與銷售軟件公司確認。由于應用軟件開發(fā)速度等原因，可能會不建議使用Windows的最新版本。依據(jù)目前情況（2021年12月前）部分軟件可以在Linux, Unix 等平臺上運行，購買軟件時需要與銷售軟件公司確認。

CAD軟件：工藝模擬需要的幾何輸入由CAD軟件得到，常用的有AUTOCAD、UG、CATIA、Pro-E、Solidworks等。

模擬軟件：工藝模擬專用軟件，常用的鍛造成形模擬軟件有QFORM、DEFORM、Forge NxT、SIMFACT、AFDEX和 EESY-to-FORM等，目前沒有完全國產(chǎn)的用于鍛造的模擬軟件系統(tǒng)，有一款中國企業(yè)與日本大學合作開發(fā)的精密鍛造模具輔助設計軟件，是RIPLS/鍛王軟件，這款軟件也有金屬塑性成形工藝模擬功能。

需要特別指出的是在進行模擬工程建設中必須充分考慮硬件和軟件的配置，需要將配置建議和自己確定的配置放置在雙方簽訂的技術或商務合同中，并隨時咨詢軟件銷售方升級建議，更新配置，防止配置不合適而影響后續(xù)操作使用。

工作環(huán)境

計算機、工作站以及服務器通常對于工作溫度有一定的要求，應保證一定的散熱空間，對于工作站和服務器需要保證工作環(huán)境的溫度在適當范圍內(nèi)。

機房設備基本上都是電子設備，電子設備是由大量的電子元件、精密機械構件和機電部件組成的，這些電子元件、機械構件及材料易受環(huán)境條件的影響，如果使用環(huán)境不能滿足使用要求，就會直接影響計算機系統(tǒng)的正常運行，加速元器件及材料的老化，縮短設備的使用壽命，因此要合理設計機房。

場地的選擇。計算機機房應避開有害氣體來源及存放腐蝕、易燃、易爆物品的地方，應避開低洼、潮濕、落雷區(qū)和地震活動頻繁的地方，應避開強振動源和強噪音源，應避開電磁干擾、電磁輻射，應避免設在建筑物的高層或地下室及用水設備的下層或隔壁。

機房內(nèi)環(huán)境設計。計算機房內(nèi)環(huán)境應本著安全、防火、防塵、防靜電的原則來設計，并應符合下列要求

安全。計算機機房最小使用面積不得小于20m²，一般一套機器的占用面積按1.5-2m²；計算機機房的建筑地面要高于室外地面，以防止室外水倒灌；機房頂棚與吊頂燈具、電扇等設備務必安裝牢固，用電線路設計必須考慮安全用電；門窗應安裝防盜網(wǎng)和防盜門，機房內(nèi)應安裝自動報警器。

防火。機房裝修應采用鋁合金、鋁塑板等阻燃防火材料；應配備滅火器，計算機數(shù)量較多的機房應采用煙霧報警器，機房內(nèi)嚴禁明火與吸煙；消防系統(tǒng)的信號線、電源線和控制線均應穿過鍍鋅鋼管在吊頂、墻內(nèi)暗敷或在電纜橋架內(nèi)敷設；應保證防火通道的暢通，以便發(fā)生緊急情況時疏散人員之用。

防塵。墻壁和頂棚表面要平整光滑，不要明走各種管線和電纜線，減少積塵面，選擇不易產(chǎn)生塵埃、也不易吸附塵埃的材料（ 如鋼板墻、鋁塑板或環(huán)保漆）；裝飾墻面和地面、門、窗、管線穿墻等的接縫處，均應采取密封措施，防止灰塵侵入，并配置吸塵設備。最理想的是安裝新風系統(tǒng)

防靜電。機房應嚴禁使用地毯，特別是化纖、羊毛地毯，避免物體移動時產(chǎn)生的靜電(有時摩擦產(chǎn)生的靜電可達幾萬伏，會擊穿設備中的集成電路元器件和芯片(集成電路元器件和芯片的抗靜電電壓僅200~2000V))，最好安裝防靜電地板。

溫度和濕度。由于機房內(nèi)的設備大部分均由半導體元器件組成，它們作時會產(chǎn)生大量熱量，如果沒有有效的措施及時散熱，循環(huán)積累的溫度就會加速設備老化，導致設備出現(xiàn)故障，過低的室溫又會使印刷線路板等老化發(fā)脆、斷裂；相對濕度過低容易產(chǎn)生靜電干擾，過高又會使設備內(nèi)部焊點及接插件等電阻值增大，造成接觸不良；為此，機房內(nèi)應配備高效、低噪音、低振動、有足夠容量的空調(diào)設備，使溫濕度盡可能符合《電子計算機機房設計規(guī)范》的有關要求，一般空調(diào)參數(shù)為；溫度，夏季：23 ± 2℃，冬季：20 ± 2℃；濕度45%~65%；同時應安裝通風換氣設備，使機房有一個清新的操作環(huán)境。

防災設計和防災備份。

如果使用PC機進行模擬，也需要考慮PC機使用環(huán)境建設，建議建立獨立的模擬工作室，保證機器鍛造24小時工作和人員長時間逗留。

二、工藝模擬可以解決的問題，模擬軟件的主要功能

工藝模擬軟件一般由前處理模塊、求解模塊和后處理模塊三個部分組成，他們的主要功能分別為：前處理模塊：模具和坯料的幾何信息、材料信息、成形條件（設備參數(shù)、成形工藝等）的輸入，并建立邊界條件，形成能夠表征實際工況的模型。求解模塊：調(diào)用各種算法對前處理模塊中生成的模型進行計算求解。后處理模塊：將模擬結果可視化，輸出使用者所需要的結果數(shù)據(jù)。通過這三個模塊，模擬軟件能夠?qū)﹀懺爝^程進行全流程、全工藝的連續(xù)分析，得到包括切削、加熱、成形、熱處理等工藝環(huán)節(jié)的材料流動、模具填充、應力應變、晶粒流動、金屬微結構和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等極有價值的工藝分析數(shù)據(jù)。解決的主要問題和主要功能具體列舉如下：

l 新型鍛件產(chǎn)品開發(fā)：鍛造工藝制定以及優(yōu)化、鍛造模具設計、鍛造設備選擇、工件組織預測、成形缺陷預測、鍛造模具壽命預測、鍛件成本預測。

l 原有鍛件產(chǎn)品優(yōu)化：鍛件缺陷分析、工件/模具形狀優(yōu)化、鍛件材料利用率優(yōu)化、鍛造工藝優(yōu)化、模具優(yōu)化設計。

l 冷、溫、熱鍛成形和熱-力耦合分析；

l 提供材料流動、模具填充、成形載荷、模具應力、纖維流向、缺陷形成等信息；

l 剛性、彈性和熱粘塑性材料模型，適用于大變形分析；

l 彈塑性材料模型適用于分析殘余應力和回彈問題；

l 能夠劃分多面體網(wǎng)格，能夠劃分同一部件不同材料的網(wǎng)格；

l 可準確預測折疊，充型不足、裂紋、飛邊等缺陷，材料變形流線與實際保持一致；

l 流線和質(zhì)點跟蹤可以分析材料內(nèi)部的流動信息和各種場量分布；

l 溫度、應變、應力和損傷及其它場變量等值線的繪制使后處理信息更加豐富；

l 自動接觸條件及完美的網(wǎng)格再劃分使得成形過程中即便形成了缺陷，模擬也可繼續(xù)；

l 磨損分析模型用于評估成形過程中模具磨損情況；

l 基于損傷因子的裂紋萌生及擴展模型可以分析剪切、沖裁和機加工過程；

l 模具應力分析功能用于分析組合模具及多襯套擠壓模具再成形過程中的變形和損傷；

l 可以分析成形過程中材料和環(huán)境的熱交換；

l 提供依據(jù)模具運動時間、載荷力、成形溫度、閉模間隙等精確成形行程控制準則；

l 可計算熱鍛過程中由于空氣和潤滑劑高溫蒸發(fā)所造成的材料充填不滿缺陷；

l 可將計算結果傳遞到ANSYS、ABAQUS等軟件，實現(xiàn)殘余應力、單元、成形形狀、應變，進行成形-結構-疲勞的連續(xù)性分析

l 成形過程中再結晶現(xiàn)象及微觀組織結構的變化；

一般情況下，模擬軟件基本包括一個材料數(shù)據(jù)庫，有各種鋼、鋁合金、鈦合金和高溫合金材料模擬需要的數(shù)據(jù)。但多數(shù)情況下，為了保證模擬結果更加準確和接近實際，需要使用者自定義材料數(shù)據(jù)庫，軟件允許使用者自行輸入材料數(shù)據(jù)庫中沒有的材料數(shù)據(jù)；同時也需要使用者自行定義鍛造設備。

一般情況下，模擬軟件也會包含一個鍛造設備數(shù)據(jù)庫，主要數(shù)據(jù)有液壓機、鍛錘、螺旋壓力機和機械壓力機，依據(jù)特殊需要，也會提供其它特種鍛造設備數(shù)據(jù)庫，但有的時候，這也需要使用者依據(jù)實際自己得到的數(shù)據(jù)，對設備數(shù)據(jù)庫進行修正，建立自己的設備數(shù)據(jù)庫。

需要特別說明，以上提及的功能和能解決的問題，是最為基本的內(nèi)容。但對于不同的軟件，也具有不同的情況，需要使用者在選擇軟件時必須就以上技術點進行咨詢。隨著軟件開發(fā)的不斷發(fā)展，軟件具有的功能和解決的問題也在不斷地變化中，一些軟件可以提供特種鍛造工藝的模擬，一些軟件沒有。多數(shù)情況下，模擬軟件都是在基本功能的情況下提供獨特的模擬模塊，基本功能不同的軟件，內(nèi)容不同，需要使用者依據(jù)需要具體了解和調(diào)研。

三、工藝模擬需要的人員

工藝模擬應由企業(yè)技術研發(fā)人員或?qū)�業(yè)的研究分析人員進行，應具備一些模擬需要的基本知識。工藝模擬人員應具備優(yōu)秀的數(shù)據(jù)收集能力、問題提出分析解決能力、邏輯思維能力、數(shù)據(jù)分析能力以及認真踏實、勤學好問、責任心強等個人素質(zhì)。具體要求：

（1）掌握金屬塑性成形理論基礎知識：

①了解常用材料（鋼、鋁合金及鈦合金）晶體機構及性能曲線；

②了解常用材料在特定溫度下屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面縮減率等相關數(shù)據(jù)；

③掌握金屬塑性成形中材料應力應變分析方法、屈服準則、金屬滑移理論、金屬應力應變關系（本構方程）、金屬塑性成形過程中的摩擦和潤滑及塑性成形的幾種理論解法。

（2）實際生產(chǎn)經(jīng)驗，掌握鍛造成形工藝基本知識：

①具有鍛造技術和工藝的基本概念和知識；

②了解典型產(chǎn)品的鍛造成形工藝；熟知將要進行模擬的工藝關鍵參數(shù)，為后續(xù)工藝調(diào)整或優(yōu)化奠定基礎；

③了解通用鍛造成形設備（電動螺旋壓力機、熱模鍛壓力機、液壓機等）以及特種成形設備（楔橫軋機、輥鍛機、旋壓機和楔橫軋機等）；

④了解模具材料性能（鍛造過程中模具受力狀態(tài)，摩擦系數(shù)、溫度、噴霧潤滑等對模具磨損的影響）；

⑤應具有生產(chǎn)一線的經(jīng)驗或體驗。

（3）掌握有限元基礎理論：

①有限元解決工程實際問題的理論基礎；各種有限元單元類型的使用范圍；有限元求解方法以及誤差分析；

②劃分質(zhì)量網(wǎng)格；成形材料的幾何非線性和接觸非線性；

③鍛造成形工藝仿真軟件的前處理、求解器及后處理；有限元仿真實現(xiàn)步驟：劃分網(wǎng)格、賦予材料模型及邊界條件的設置；后處理中材料的應力應變場、速度場、收斂依據(jù)、摩擦條件等基本理論問題。

（4）計算機與軟件知識與技能

①具有一定的計算機軟硬件知識，并具有簡單故障的處理能力；

②需要的配套軟件知識、使用能力和技巧。

③實際的計算機操縱技能，具有CAD制圖建�；�礎。

特別說明：人員要求，不一定由一個人全部擁有上述要求，可以是團隊合作。

第三篇 工藝模擬技術應用

一、工藝模擬分析的操作流程

模擬規(guī)劃，收集所需數(shù)據(jù)

①規(guī)劃要通過模擬得到哪些方面的信息；

②確定使用二維模擬或者三維模擬，需要進行模擬的數(shù)量；

③收集模擬需要的數(shù)據(jù)，包括工件和模具的幾何信息、材料參數(shù)、初始狀態(tài)和邊界條件。

幾何描述，建立幾何模型

①利用CAD軟件對工件和模具進行幾何描述，建立模具3D造型，得到模擬的幾何模型。有限元模擬仿真軟件一般都具有CAD系統(tǒng)的文件接口，通過接口可將CAD設計的模具幾何導入到有限元模擬軟件。

前處理，建立模擬模型

①選擇合適的模擬模塊，根據(jù)工藝選擇熱處理、熱成形等模塊；

②輸入實體描述，包括幾何模型以及其網(wǎng)格、溫度、材料等；

一些軟件需要進行網(wǎng)格劃分，將幾何模型轉化成離散化的有限元網(wǎng)格。一些軟件不需要人工選擇網(wǎng)格劃分。所有軟件在變形模擬過程中，軟件能夠?qū)ψ冃螐碗s的區(qū)域進行自動重劃分。如果需要人工選擇網(wǎng)格劃分，初始化時網(wǎng)格劃分的原則是在滿足質(zhì)量、精度的條件下適當考慮電腦的硬件條件，避免由于網(wǎng)格尺寸太小造成計算機運算時間過長。

③選擇/輸入材料性能，從材料庫中選擇或者輸入材料在變形條件下的性能，若數(shù)據(jù)庫中沒有相關數(shù)據(jù)需要進行實驗得到；

根據(jù)產(chǎn)品的特性，選擇合適的材料模型。材料的應力應變曲線對材料塑性流動影響較大。如果軟件的材料庫中有合適的材料可以選擇，直接選取相應的材料數(shù)據(jù)輸入即可。如果材料庫缺少相應的材料數(shù)據(jù)，需要通過插值擬合（插值和擬合都是根據(jù)某個未知函數(shù)（或已知但難于求解的函數(shù)）的幾個已知數(shù)據(jù)點求出變化規(guī)律和特征相似的近似曲線的過程。但是插值法要求的是近似的曲線需要完全經(jīng)過數(shù)據(jù)點，而擬合則是得到最接近的結果，強調(diào)最小方差的概念。插值和擬合的區(qū)別如下圖所示）或者通過實驗測得材料應力應變數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理后獲得應力應變曲線，導入有限元軟件中進行工藝模擬運算。

④選擇求解算法。對于準靜態(tài)成形過程，應盡可能選用隱式算法求解，避免采用動力算法時人為引入慣性效應，同時隱式算法采用迭代法，求得的應力應變場更為準確；對于高速成形過程，考慮材料的慣性效應，優(yōu)先考慮顯式算法；對于采用隱式算法無法收斂的準靜態(tài)問題，也可采用顯式算法進行求解，此時應注意合理選擇時間步長。

需要特別說明，不同的軟件對于這一問題的解決方式不同，需要依據(jù)不同軟件的結構來進行規(guī)劃和確定。

⑤定義實體之間相互作用，包括接觸、摩擦和熱傳遞等；

設定模擬成形過程中各種邊界條件，包括環(huán)境溫度、模具初始溫度、坯料與模具熱傳導系數(shù)、坯料與環(huán)境熱傳導系數(shù)、坯料與模具之間的摩擦系數(shù)；模具運動過程定義及終止位置；也就是定義模擬控制，定義工藝過程的環(huán)境、計算步長、計算時間等。

不同軟件，具有不同的輸入方式和操作，一般依據(jù)軟件引導可以完成選擇和輸入。

⑥其他特殊條件，包括材料的組織、需要追蹤的位置等特殊模擬需求需要的輸入。

運行模擬

①設定模擬所用的計算機以及CPU核數(shù)，模擬的儲存位置、多個模擬的計算順序等，運行模擬。

求解階段一般不需要用戶干預。成形過程由于具有高度非線性性質(zhì)，計算量很大。計算過程有關的文字信息、運算狀態(tài)可以從輸出窗口獲得，可以通過圖形窗口獲得已經(jīng)計算完成的時間步的中間結果。在計算過程中，可能出現(xiàn)某些錯誤諸如網(wǎng)格發(fā)生嚴重畸變導致運算停止，在這種情況下需要人工干涉，繼續(xù)模擬，無法解決的情況下，需要與軟件公司服務人員溝通，尋求協(xié)助。

后處理，分析結果數(shù)據(jù)

① 觀察模擬結束后的數(shù)據(jù)信息，包括幾何體信息、場信息如應變、溫度、應力和其他模擬數(shù)據(jù)信息，如模具載荷等。

②輸出圖形或數(shù)值信息以在其他應用中使用。

后處理通過讀入分析結果數(shù)據(jù)文件，能夠提供工件在變形過程中任何時間步的各種物理數(shù)據(jù)，包含材料應力應變場、任意部位的速度場；追蹤工件內(nèi)任意點的物理量與時間的變化曲線，壓力機力能曲線等。用戶能直觀方便地觀察模擬結果，預測材料流動趨勢及成形缺陷，為工藝優(yōu)化提供重要的參考依據(jù)。

需要特別注意，不同的軟件輸出的格式，保存的結果格式不同，在軟件應用中需要執(zhí)行確定自己習慣和需要的格式和內(nèi)容。

③ 加強結合現(xiàn)場工藝的模擬結果解讀與細致分析

一般的工藝模擬流程圖

二、輸入工藝模擬需要的數(shù)據(jù)（邊界條件）及注意事項

工藝模擬需要的輸入條件以及注意事項如下：

有的軟件依據(jù)模擬的需要，需要確定：

注意數(shù)據(jù)收集的準確性，了解誤差來源，這對數(shù)值模擬結果的正確解讀具有重要意義。

三、工藝模擬需要的數(shù)據(jù)收集和獲得方式

工藝模擬需要的數(shù)據(jù)類型依據(jù)軟件不同而需要有所不同，下表列出的是必需的一些數(shù)據(jù)，以及獲取方式。在采購軟件時，需要依據(jù)軟件需要與軟件銷售商確定需要的數(shù)據(jù)表，依據(jù)數(shù)據(jù)表建立“工藝模擬卡”，而后開展模擬工作。

必需的數(shù)據(jù)如下：

邊界條件是工藝模擬需要數(shù)據(jù)的通用稱呼，上表已經(jīng)列出了最為重要的邊界條件。依據(jù)軟件的不同，邊界條件需要不同，但所有的邊界條件都必須從實際生產(chǎn)中測量或者通過經(jīng)驗設定。

就開展的模擬控制條件，需要依據(jù)計算機條件與模擬時間來確定，這也與使用的模擬軟件相關，需要與軟件銷售商進行技術確定。

為了引導企業(yè)正確開展模擬，這里提出了建立“工藝模擬卡”的應用，下表為比較典型的一個“工藝模擬卡”（格式），企業(yè)可以依據(jù)本卡建立某零件的“工藝模擬卡”。

工藝模擬卡（格式）

“工藝模擬卡”是指導開展模擬工作的重要文件，也是重要的技術文件，應該與模擬結果和模擬判斷，以及鍛件圖、工藝卡等一起存檔。

建議：如果時間允許，宜開展鍛造工藝過程的全流程模擬，充分再現(xiàn)工藝過程；如時間不允許，可僅收集出問題工序，開展針對性的模擬工作。

四、工藝模擬的主要輸出內(nèi)容及結果分析與判斷準則

工藝模擬的主要輸出內(nèi)容

工藝模擬可以預測出工件變形的詳細過程，并定量地給出工程師們所關心的與變形有關的各種物理量在工件或模具上的空間分布以及隨時間的變化。通常包括：工件與模具的幾何外形、位移、速度、（彈性和塑性）應變、應變率、應力、載荷和工件變形流線等。對于熱鍛，還包括溫度以及微觀組織（如再結晶體積分數(shù)和晶粒度）。如果工件為多孔材料，還另外包括材料密度。即鍛造工藝模擬可以在不做任何成形試驗的情況下就能使技術人員知道他所設計的工藝、模具和鍛件坯料是否合理，如果不合理，可以修改設計重新輸人數(shù)據(jù)再模擬一次直到設計滿意為止。應用這項技術可以最大限度地減少試驗次數(shù)﹐使工藝優(yōu)化和新產(chǎn)品試制降低成本，縮短周期。

一般情況下，工藝模擬輸出的內(nèi)容包含下表內(nèi)容，主要分為：模具（一般為剛形體）和工件（變形體）。但依據(jù)模擬軟件的不同，輸出內(nèi)容和格式有所不同，為此在訂購軟件時，必須考慮是否包含了企業(yè)需要的輸出結果和格式，以合同的形式予以明確和確認。

另外，依據(jù)使用模擬軟件的模塊不同，比如特殊工藝模擬，或者鍛前工藝模擬和鍛后工藝模擬，以及機械和物理性能模擬，輸出的結果有所不同，因此需要企業(yè)依據(jù)需要和要求咨詢軟件銷售商或開發(fā)商。

結果分析與判斷準則

幾何外形結果：通過分析模擬結果中工件/模具的幾何外形和精確尺寸可以判斷產(chǎn)品是否符合實際產(chǎn)品情況，以及對模具壽命進行預測。

載荷結果：通過模擬的載荷結果可以指導產(chǎn)品的設備選擇。

位移、速度結果：通過模擬的位移、速度結果可以分析鍛造工藝中的材料流動，以指導工藝和模具的優(yōu)化設計。

應力應變結果：通過模擬的應力應變結果可以分析材料的變形程度以及模具的受力狀況，以控制鍛件質(zhì)量、優(yōu)化模具結構以及優(yōu)化鍛造工藝。

溫度場結果：通過模擬的溫度場結果可以了解工件/模具在成形過程中的溫度演變情況，結合應力應變結果，可以分析其組織演變、缺陷產(chǎn)生趨勢等，以指導工藝和模具的優(yōu)化設計。

其他結果：根據(jù)模擬得到的其他特定結果，如微觀組織、材料密度變化等都對實際生產(chǎn)有著直觀的指導意義。

依據(jù)國外使用模擬技術的經(jīng)驗，工藝模擬必須有鍛造工程師參與，工藝模擬軟件是工程師工作的一種工具，模擬軟件本身不能判斷其模擬結果的正確性和適應性。因此工藝模擬軟件在使用中必須堅持三個原則：

一個是模擬次數(shù)必須足夠的多，對于一個從來沒有鍛造過的零件，在使用工藝模擬技術協(xié)助工藝設計、模具設計和設備選型時，必須要進行多次模擬，一般應該在修正各種參數(shù)的情況下，進行不少于27-33次的模擬。對于一個類似與以前生產(chǎn)過的零件的鍛件進行模擬，模擬次數(shù)也不應少于10次。第二是使用工藝模擬技術必須對現(xiàn)有產(chǎn)品進行反復模擬，并進行驗證，積累經(jīng)驗，建立企業(yè)需要的數(shù)據(jù)庫。這不但有利于原來鍛件工藝的改進，也是模擬技術經(jīng)驗的積累，推進新產(chǎn)品開發(fā)成功的重要途徑。 第三是工藝模擬是一門技術，需要的知識面比較廣。工藝模擬選擇參數(shù)必須盡可能地靠近實際生產(chǎn)情況，取值必須科學合理，不可過分理想化和人為化，必須聽取和參考老技術人員的經(jīng)驗，否則可能會嚴重影響工藝模擬的效果。

五、工藝模擬軟件常見故障或顯著錯誤判斷原則

模擬中發(fā)生模擬故障，猶如使用機器鍛造發(fā)生故障一樣，非常正常，也需要及時修正，盡力避免非法和非理性操作。

既然工藝模擬是一門獨特的工程技術，因此從事模擬的人員必須要進行必要的培訓和訓練，特別是要反復用已有的成功鍛件事例進行訓練，否則工藝模擬無法正常使用，也很難起到應有的效果。

需要特別指出的是，不同的模擬軟件所發(fā)生的故障千差萬別，難以琢磨，因此發(fā)生故障并不可怕，可怕的是總發(fā)生故障，如果相同故障重復發(fā)生，而非使用者問題，必須要協(xié)商軟件銷售商或開發(fā)者進行解決。

在大多數(shù)情況下，會發(fā)生模擬硬件、工作平臺和使用的配套軟件與模擬軟件不兼容，這就需要嚴格按照模擬軟件的需要做好硬件、工作平臺和軟件的準備。

六、工藝模擬軟件的驗證方法

工藝模擬軟件的結果一般采用實驗或生產(chǎn)試驗來驗證。

1．通過工藝試驗進行驗證：按照最優(yōu)化的工藝模具造型和軟件模擬中選用壓力機類型，加工工藝模具和選擇合適的壓力機。工藝試驗的邊界條件嚴格遵照模擬中設定的邊界條件，進行工藝試驗。將實際成形力、成形能量、成形力變化曲線、工件最終成形形狀與仿真結果進行對比分析，驗證專業(yè)金屬成形模擬軟件的準確性。

2．企業(yè)不應該僅有一種模擬軟件，為了能讓工藝模擬起到應有的作用，企業(yè)至少應該擁有兩套不同種的工藝模擬軟件，通過多種有限元模擬軟件進行仿真計算，對比分析結果的準確性。在實際應用中，也可以采用通用的有限元模擬仿真軟件進行更為詳細的前處理設定，結果與專業(yè)金屬成形軟件模擬結果進行對照，進一步對比分析專業(yè)金屬模擬軟件的準確度。

3．采用理論計算和模擬仿真結果進行對照。金屬成形過程中材料流動、成形力可以通過理論方法或經(jīng)驗公式進行計算，將計算結果和模擬結果進行對照分析，驗證專業(yè)金屬成形模擬軟件的準確性。

4．模擬計算結果一般分為定性分析、定量分析、定性+定量綜合分析。

5．善于利用統(tǒng)計學知識對模擬結果加以分析。

6．合理利用正交實驗準則，選取不同維度輸入工藝參數(shù)類型，研究同類鍛件模擬的輸出結果，可以有效的校驗模擬軟件的工藝適用范圍、計算偏差等。

第四篇 模擬工程建設注意事項

一、模擬工程建設特點和行業(yè)應用現(xiàn)狀

從第二篇工藝模擬所需資源以及第三篇工藝模擬技術應用的步驟與流程來看，鍛造工藝模擬工程建設具備以下特點：

1．基礎投資費用高

模擬分為前處理、模擬、后處理等過程。三個步驟均依賴于配置不低的計算機硬件、價格不菲的大型專業(yè)軟件、以及要求較高的運維保障環(huán)境。

2．人員的技術要求門檻高

應用模擬技術需要較高的人員技術素養(yǎng)。一個工程技術人員，要想達到熟練地、有價值地使用模擬軟件，不僅要懂得鍛造工藝的基礎理論，還要懂得模擬所需的理論知識，如塑性成形原理、有限元分析基礎理論知識等，而且還要具有一定年限的工藝、模具設計的經(jīng)驗，現(xiàn)場調(diào)試、工藝質(zhì)量處理、鍛件缺陷分析的實操經(jīng)驗。具備這樣水平人員的培訓，在企業(yè)內(nèi)部，一是需要較長的培養(yǎng)時間（平均5-8年），二是培訓的代價也很高。

3、模擬結果的應用容易受到制約

一個企業(yè)所生產(chǎn)的鍛件產(chǎn)品在整個鍛造行業(yè)產(chǎn)品分類中占據(jù)一個較窄的幅度，所以企業(yè)花大力氣投資、進行人員培養(yǎng)，也僅僅用在一個較窄的產(chǎn)品類別、工藝種類上，經(jīng)濟性值得思考。另外，模擬的結果可分為定性的、定量的、或者定性定量相結合的，在企業(yè)實際應用中，很容易導致：工藝簡易的零件，不需要模擬，憑借技術人員的豐富經(jīng)驗即可掌握；工藝復雜的零件，模擬的結果采用度有限，感覺結果不可用。這是因為技術人員在復雜零件和復雜工藝之間，沒有建立起有效的定向分析的聯(lián)系模式，模擬技術受到應用制約的另一個因素。

4、工程系統(tǒng)閑置率高

如果把一個模擬工程系統(tǒng)的使用效率用一個時間指標來衡量，即時間利用率，就是將模擬準備時間、模擬計算運行時間、包括后臺計算等時間總和加以統(tǒng)計，除以系統(tǒng)可開動的總時間，即得到利用的效率。從行業(yè)總體來看，這個系統(tǒng)的時間效率平均值是一個較低的水平，閑置明顯。

正是由于模擬技術的應用具備以上的特點，所以制約了行業(yè)工藝模擬工程建設的發(fā)展�，F(xiàn)階段，行業(yè)的模擬工程建設大致有以下兩種模式：

第一種模式，單項、局部應用模式。

這種模式是在中大型企業(yè)中加以應用。首先，中大型企業(yè)有能力進行投資；第二，企業(yè)有一定的生產(chǎn)規(guī)模、零件和工藝品類較多，技術人員和技術儲備較廣，有一定應用基礎；第三，企業(yè)具備模擬分析的內(nèi)在需求。

這種模式下，一般按用戶終端計算的節(jié)點數(shù)在個位數(shù)，模擬軟件單一，人員技術面較窄，模擬應用局限于本企業(yè)內(nèi)特定的一些工藝類別。

第二種模式，工藝模擬聯(lián)合模式。

這種模式主要應用于：一種是大型、特大型企業(yè)的技術中心，還有一種是數(shù)個企業(yè)、高校等聯(lián)合起來的模擬應用陣地。

這種模式下，按用戶終端計算的節(jié)點數(shù)有的多達數(shù)十個，模擬軟件品種較多，工藝和產(chǎn)品類別涵蓋較廣，技術支持較為全面。例如，一些大型聯(lián)合平臺，將技術人員分為前端造型人員、前端數(shù)據(jù)處理人員、模擬技術人員、后端數(shù)據(jù)處理人員、系統(tǒng)基礎研究人員、系統(tǒng)維保人員等。分工細化，一方面能有效地降低模擬人員的技術門檻，同時也提高了聯(lián)合平臺系統(tǒng)的使用效率。

二、模擬工程未來建設模式

基于以上的原因，鍛造行業(yè)應用模擬技術的企業(yè)數(shù)量并不是很廣。因此，前節(jié)所述第一、第二類應用模式，也僅局限在較小比例的鍛造企業(yè)中應用。更多的企業(yè)，依然還沒有開展模擬技術的應用。原因：用不起（企業(yè)規(guī)模�。�；沒啥用（幾十年就生產(chǎn)三五個零件，沒啥問題不清楚）；用了也白用（好不容易有了復雜零件需要用到模擬，但是由于經(jīng)驗欠缺，得不到所需的結果）。

但是現(xiàn)在，由于新的技術出現(xiàn)，鍛造行業(yè)的模擬技術發(fā)展，又迎來了新的契機。分析如下：

主要的新技術是通訊方面5G技術、計算機技術和人工智能技術。計算機技術主要體現(xiàn)在：新一代物聯(lián)網(wǎng)（將取代現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)或者說是現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的升級，其基礎設施建設已布局完成并開始應用）；云存儲和云計算（含大數(shù)據(jù)應用、新型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等）。5G通訊技術的主要特點：高帶寬、低時延、多點接入性等。人工智能技術，雖然仍處于高速發(fā)展的起步階段，但其應用面的擴張速度、對傳統(tǒng)行業(yè)的沖擊已經(jīng)有所體現(xiàn)。為了能適應這種新技術的發(fā)展，也有人提出一種模擬軟件新的應用理念，也就是第三種應用模式，被稱為“云端智能模擬模式”。其核心含義如下：

一是將模擬的主計算放置在云端。現(xiàn)有的云技術發(fā)展已很成熟了。鍛造工藝所需的云計算算力已經(jīng)不是問題�，F(xiàn)有云計算成本性價比較高。而且我國現(xiàn)階段冗余算力對于鍛造行業(yè)僅用于模擬的算力覆蓋也是綽綽有余。主計算放置在云端，極大節(jié)省終端用戶投資。

二是終端用戶只需要解決簡單的I/O問題。終端用戶不需要投資昂貴的硬件；不需要投資大型的專用軟件。即使是輕量級的I/O軟件，將來隨著行業(yè)應用規(guī)模擴大，也可以做到免費。終端用戶只需要描述問題即可。特別需要指出的是未來終端用戶不再需要復雜高端技術人才。（這個不僅取決于系統(tǒng)，還需要體系的建設做出改變）

三是，5G的高帶寬、低時延特點正好解決了模擬所需的海量數(shù)據(jù)傳輸。就現(xiàn)有的模擬數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡傳輸，可能縮短到秒級、分鐘級。

四是，智能技術+新型數(shù)據(jù)庫技術，可以做模擬條件、模擬過程、模擬結果、模擬環(huán)境等優(yōu)化工作。

綜上所述，如果用一句通俗的話來概括這種未來的應用模式，就是：全國的鍛造行業(yè)，都在共用一個模擬軟件（鍛造云端智能模擬），不需要懂很復雜的理論，只需要描述需求，輸入并上傳需求，很快就得到想要的結果。

有理由相信，第三種工藝模擬建設模式，可以實現(xiàn)多方共贏：

1．首先終端用戶實現(xiàn)模擬的“白菜價”和低技術門檻；

2．現(xiàn)有軟件提供商由銷售成套軟件贏利轉變?yōu)樘峁┰朴嬎愎�時服務贏利。

由于現(xiàn)有鍛造企業(yè)數(shù)、已實施（購買）模擬軟件企業(yè)數(shù)處于相對平衡狀態(tài)，軟件提供商的利益獲取已到瓶頸或發(fā)展空間有限；而由于模擬成本降低帶來用戶群體擴大、導致行業(yè)模擬產(chǎn)業(yè)規(guī)模的增長，軟件提供商也將是長期獲利。

3．行業(yè)協(xié)會提供中間諸多資源整合、衍生服務，起到任何上、下游替代不了的作用，也必將創(chuàng)造應有價值。另外，本發(fā)展趨勢與行業(yè)協(xié)會宗旨高度吻合。

假如按第三種模式來建設和應用模擬系統(tǒng)，需要做的事情：

1. 現(xiàn)有模擬系統(tǒng)上云�？赡芤延邢到y(tǒng)具備此功能；沒有此功能的略加改造、開發(fā)、升級。

2. 創(chuàng)新商業(yè)運作模式、統(tǒng)合多方資源。傳統(tǒng)模擬軟件廠商，將不再以銷售成套軟件作為盈利點，將用云端計算工時獲取利益；

線下終端用戶，不再需要大量固定資產(chǎn)投資，只需按需求、按流量、按算力支付費用；

技術上，還需要整合、開發(fā)前處理輸入標準、后處理輸出標準、結果運用及解讀等技術。

行業(yè)組織將推動整合各利益體、商業(yè)化組織及運作、中間過程服務等。

三、協(xié)會在新的工程建設模式中所起的作用

依據(jù)第三種工程建設模式的設想，作為行業(yè)牽頭單位和聚合平臺的中國鍛壓協(xié)會，將推動做以下事情：

1．整合各方資源。模擬軟件選型、升級改造、上云；組織國內(nèi)力量聯(lián)合開發(fā)國產(chǎn)模擬軟件；組織開發(fā)前、后端接口軟件。

2．推進商業(yè)平臺的建設。運作；協(xié)調(diào)投資主體；規(guī)劃運行模式；協(xié)商利益劃分。

3．推動衍生服務發(fā)展。建立模擬資源庫（材料庫、性能參數(shù)庫、模擬作業(yè)數(shù)據(jù)庫等）；聚合模擬技術人才（系統(tǒng)開發(fā)人才、鍛造模擬理論研究、技術應用人才等）；提供造型數(shù)據(jù)輸入代理服務、輸出數(shù)據(jù)解讀服務（各種類型應用）、云端模擬計算過程服務；相關技術培訓業(yè)務。

4．指引模擬平臺創(chuàng)新發(fā)展。分步實施、滾動發(fā)展；協(xié)調(diào)解決平臺運行過程中出現(xiàn)的問題（包括技術、管理、商業(yè)問題）；不斷融合新技術，研究平臺未來發(fā)展。

附注

參與本指引起草和審校的單位和人員有：

（1） 重慶大學 周杰教授；

（2） Forge模擬軟件中國代理 雷訊先生；

（3） Qform模擬軟件中國代表 北京富京技術公司 董卓先生；

（4） 上海交通大學 趙震教授、胡成亮教授；

（5） 東風鍛造有限公司 朱家剛高級工程師；

（6） 江蘇森威精鍛有限公司 楊益工程師；

（7） 江蘇龍城精鍛集團有限公司 孫偉工程師。