DOC《江苏科技大学》

江苏科技大学 大型仪器设备申购论证报告 设备名称:DEFORM金属成形分析软件 申购部门:材料科学与工程学院 负责人:石凤健 日期:2017.

12 DEFORM金属成形分析软件论证报告

一、设备购置的背景 金属塑性加工是金属加工的一种重要工艺方法,它不仅生产效率高、原材料消耗少、而且可以有效改善金属材料的组织和力学性能.塑性加工作为制造业的一个重要分析,广泛应用于工业制造中.随着社会经济的发展,塑性加工工业得到了前所未有的发展,新工艺、新技术、新设备和新产品层出不穷,行业发展对塑性加工技术提出了更高的要求,一是锻件单重增加,锻件组织性能和缺陷控制的难度进一步加大;

二是以净成形和近净成形为目标的精密塑性成形技术发展迅速. 要实现塑性加工制件质量和尺寸精度的稳定和提高,必须提高塑性加工技术的科学化和可控化水平.与传统的成形工艺相比,现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料塑性流动控制等方面要求更高,所以采用基于经验的试错设计方法已不能满足实际需要,引入以计算机为工具的现代设计分析手段已成为共识.对成形过程的虚拟仿真,可以在模具制造之前,检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性,分析材料的流动规律,预测是否产生缺陷,此外还可以对其它工艺参数进行优化分析.这样,可以确保工艺设计和模具制造一次成功,主要问题在设计阶段就完全解决,使塑性加工进入以模型化、最优化和柔性化为特征的工程科学阶段,提高塑性加工行业的科学化水平. 随着塑性加工模拟技术的不断发展和提高,模拟的目标和任务已不仅仅局限于成形预测,现阶段通过热力耦合模拟可有效预测锻造过程中坯件与模具的温度场变化、模具磨损量分布以及微观组织性能的预测,通过变形可有效地改变坯料的微观组织使成形后锻件的力学性能达到所规定的要求.因此可以说塑性加工模拟正从 成形 向 改性 升华. 材料成型及控制工程专业自2003年开设模具设计与制造方向,以金属塑性成形、压铸成型以及高分子材料注塑成型为主要专业方向,培养毕业生近千人.专业建设初期,学校投入专业建设经费进行了一定的硬件条件建设,在人才培养和科研方面发挥了积极作用.但CAD、CAE软件作为本专业的重要工具已成为毕业生的必备技能,同时也是本专业教师开始教学与科研的重要工具,因此,急需购置一套塑性成形分析软件.

二、设备购置的意义和必要性 1.意义 DEFORM金属成形分析软件在金属塑性成形尤其是材料体积成形领域具有重要地位,作为智能制造、虚拟制造的一部分,在企业生产中应用越来越普遍.该软件的购置作为材料学院虚拟仿真实验中心建设项目的重要部分,将为材料成型及控制工程专业本科课程教学(主流CAE软件概论、CAD/CAE软件应用训练)、毕业设计、本科生创新计划以及硕士、博士研究生课题开展提供条件.该软件的购置也将为教师开展金属成形过程仿真、成形工艺优化、微观组织性能预测、多场耦合模拟仿真、热处理过程模拟、摩擦焊等相关科研提供工具,拓宽教师科研领域,提高教师科研水平和竞争力,凸显学科特色.该软件还可为教师承担企业课题、加强校企合作提供平台. 2.必要性 (1)企业发展对人才的需要 金属成形是一个较为复杂的过程,尤其对于一些形状复杂或者成形难度大的材料尤其如此,传统的试错法周期长、成本高,已不能满足当前企业生产的需要,金属成形工艺以及工模具设计逐步由经验走向科学.CAE分析已成为成形工艺制定、模具设计、生产指导的必备环节.作为制造业大国,我国对于金属成形CAE分析人才需求量较大. (2)本科教学需要 鉴于上述发展趋势,我校材料成型及控制工程专业自2008级本科人才培养方案便开设了 主流CAE软件概论 选修课,主要让学生了解材料成形数值模拟基础知识及软件,但当前软件条件不能满足教学的需要. (3)虚拟仿真实验中心建设需要 随着虚拟现实技术的成熟,虚拟仿真实验室在教育领域越来越受到重视.通过将虚拟现实技术与国内外典型的CAE有限元分析软件对接,能够对学生的自主设计方案进行分析与验证,给出真实、专业、针对性的反馈,实现设计的优化,有效提升学生能力. (4)教师科研需要 材料成形过程仿真及工艺优化是材料学院尤其是材料成型及控制工程专业教师的主要科研方向之一,也是拟培育专业特色.该软件作为重要的工具可为教师在材料成形新工艺、新技术开发、新材料成形工艺制定、模具设计、高端零件成形成性控制、多场耦合宏微观仿真等方面提供平台.

三、可行性分析 1. 前期工作基础 金属塑性成形是材料成型及控制工程专业的主干方向之一,材料成形过程仿真作为金属塑性成形分析的重要手段一直受到专业的重视,在本科人才培养方案中开设了相关课程,专业教师在毕业设计、本科生创新计划、研究生培养方面以及教师科研等方面开展了多个材料成形新工艺、新技术的成形过程分析、模具设计优化以及微观组织预测等研究工作,因此,从教学以及科研的角度都急需购置金属成形分析软件以辅助教学与科研工作. 2. 国内外相关研究进展 金属塑性成形向着大型、精密、优质、柔性、智能化等方向发展,金属塑性成形过程仿真随着计算机技术与材料成形新技术的发展而快速发展. 金属塑性成形模拟技术从上个世纪七八十年代开始已经在全球范围内得以应用,以DEFORM为主的计算机模拟软件在进入中国后得到了各制造领域、科研院所的逐步引入及应用,随着工艺制造水平的进一步提高,塑性成形模拟软件也得到了长足的发展,从最初的模锻模拟,到随后的自由锻、轧制、切削,再到热处理、组织计算等,随着工业技术的进步而不断发展完善.国外的大多数著名制造企业如GE、GM、honeywell等都早就使用了模拟软件用于加工制造.国内也具有大量的企业用户,涵盖军工、航空航天、车辆、汽车零部件、钢铁冶金等领域,这些企业通过使用塑性模拟软件缩短了研发周期、降低了生成实验成本、提高了产品质量及经济效益,并在技术水平的提升上取得了不错的成绩.国内的绝大部分工科院校的材料加工专业、机械及机电专业都使用了DEFORM作为课题的研究开发、课程教学及与企业合作的产学研的项目的研究,取得了多项学术专利.至今,国内已经有大量著名高校及企业在使用塑性成形软件,包括: 北京机电研究所 北京科技大学 高效轧制研究中心 内蒙古第一机械集团公司 有色金属研究院研究生院 一汽技术中心 燕山大学 安特精密仪器 沈阳工业大学材料工程学院 太平洋精密锻造 大连理工大学材料工程学院 黑龙江北方模具 哈尔滨工程大学机电工程学院 中国船舶工业集团公司重庆重型锻压厂 上海大学 长安汽车 西南交通大学应用力学系 东风汽车 中国工程物理研究院 西安航空发动机(集团)股份有限公司 华中科技大学塑性成形国家重点实验室 中国船舶重工集团公司第12研究所 中南大学 材料科学与工程系 日星金属制品(上海)有限公司 西安交通大学机械工程学院 武汉钢铁(集团)公司科技创新部 西北工业大学 宝山钢铁股份有限公司 太原理工大学材料科学与工程学院 攀枝花钢铁研究院 西安航空职业技术学院 可胜科技(苏州)有限公司 上海交通大学 东风粉末冶金厂 南京工程学院 纳铁福传动轴 中南大学粉末冶金学院 文登天润曲轴 太原科技大学 邢台中钢轧辊 河北理工大学冶金与能源学院 蚌埠40电子研究所 长春理工大学 浙江工业大学机电工程学院化机所 东华大学 中国科学院金属研究所 南昌航空工业学院 上海汇众汽车 ……

四、性能参数和设备选型 1. 主要技术参数及配置 本次采购软件应具备如下配置: 2D/3D锻造模块 冷、温、热锻的成形和热-力耦合分析. 丰富的材料数据库,包括各种钢、铝合金、钛合金和高温合金. 用户自定义材料数据库允许用户自行输入材料数据库中没有的材料. 提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息. 刚性、弹性和热粘塑性材料模型,特别适用于大变形成形分析. 弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题. 多孔材料模型适用于分析粉末材料压实、锻造及烧结分析. 完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形. 用户自定义子函数允许用户定义自己的材料模型、压力模型、破裂准则和其他函数. 可准确预测折叠、充型不足、裂纹、飞边等缺陷,材料变形流线与实际物理结果保持一致. 流线和质点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布. 温度、应变、应力、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理信息更加丰富. 自动接触条件及完美的网格再划分使得在成形过程中即便形成了缺陷,模拟也可以进行到底. 多变形体模型允许分析一模多件或耦合分析模具应力. 磨损分析模型用于评估成形过程中模具磨损情况. 预成形设计模块为复杂锻件的多步模具设计提供指导. 基于损伤因子的裂纹萌生及扩展模型可以分析剪切、冲裁和机加工过程. 模具应力分析功能用于分析组合模具及多衬套挤压模具在成形过程中的变形和损伤. 完善的热边界条件可以分析热成形中材料与环境间的热交换. 恒定热流及热源功能用来分析保温模具加热部件的分布位置和焊接的温度场. 提供依据模具运动时间、载荷力、成形温度、闭模间隙等精确成形行程控制准则. 可计算热锻过程中由于空气或润滑剂高温蒸发所造成的材料填充不满缺陷. 实现薄板、厚板的冲压工艺分析,根据厚度云图预测冲压失稳、起皱、减薄率等缺陷. 可将计算结果数据传递到ansys软件,包括残余应力、单元、成形形状、应变,进行成形-结构-疲劳的连续性分析. Extruction型材挤压模块 高级ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)及S-S(Steady-state)稳态算法适合复杂非对称截面型材挤压成形过程. 具有向导式操作界面,自动产生型材或挤型模具,实现挤型设置过程的流程化管理,操作简便. 增量算法可模拟挤压过程材料分流及在焊合过程. 增量算法可实现型材挤压成形的裂纹、扭拧、波浪及弯曲等缺陷. 优秀的单元重划及节点粘接接触能力可模拟焊合过程中焊接面的形成. ALE稳态算法可在很少的时间步内收敛,快速获得流速、温度等场变量. 增量算法与稳态算法相结合可高效模拟从棒料挤压-分流-焊合-挤出稳定端面的整个过程.能够采用ALE算法快速预测型材变形、焊缝位置、焊合情况等. 分析挤压过程中再结晶现象及微观组织结构的变化. HT2/HT3热处理模块 模拟的热处理工艺类型:正火、退火、淬火、回火、时效处理、渗碳、蠕变、高温处理、相变、金属晶粒重构、硬化和时效沉积等. 精确预测硬度、金相组织体积比值(如马氏体、残余奥氏体含量百分比等)、热处理工艺引起的挠曲和扭转变形、残余应力、碳势和含碳量等热处理工艺评价参数,得到热处理变形和碳含量分布. 专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散. 可以输入淬火数据来预测最终产品的硬度分布. 可以分析各种材料金相,每种金相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性. 混合材料的特性取决于热处理模拟中每一步的各种金属相的百分比. 反向热处理辅助确定工件和热处理介质之间的界面换热系数. 具有FEM电感应加热及BEM电感应淬火等表面热处理分析功能,支持单频、双频感应电流. 可实现热处理工艺表制定、热处理介质设定、局部热处理等方式的设置. 通过材料合金成分配比及晶粒尺寸计算钢的热处理参数,包括TTT转变曲线、组织相性能(奥氏体、马氏体、珠光体、贝氏体等). Microstructure微观组织模块 模拟微观组织在金属成形过程、热处理过程及加热、冷却过程中的演变. 可导入EBSD实验微观相图作为初始晶粒分布,准确计算晶粒演变过程. 模拟晶粒生长,分析整个过程的晶粒尺寸变化. 计算成形及热处理过程中的回复再结晶现象,包括动态再结晶、中间动态再结晶及静态再结晶. 模拟晶粒织构变化过程. 具有多种组织计算模型,包含典型的JAMK方程. 用户可二次开发自己的晶粒演变模型用于微观组织计算. 具有元胞自动机法、蒙特卡洛法及相区法计算方法,可现实微观组织相图、晶粒尺寸、晶界及晶向,实现微观组织演变的可视化观测,可获得晶粒尺寸、偏差角、晶粒尺寸比等数据. 可通过显式算法计算金属断裂过程的微观孔洞的形成及组织裂纹. Machinig切削过程模块 模拟车、铣、刨及钻孔等机械加工过程;

模拟切削过程工件温度、变形及切屑产生;

预测切削刀具的受力、温度变化;

评估刀具的磨损情况;

模拟切削过程中工件发生的热处理相变;

可以分析各种材料金相,每种金相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性;

混合材料的特性取决于热处理模拟中每一步的各种金属相的百分比;

Cogging自由锻/旋揉成形模块 具有流程式的操作模板,可操作性强;

具有自由锻工模具模型自定义方式,方便使用;

可进行旋揉(径向锻造)成形的工艺分析,具备专业的旋揉成形设置流程;

可任意进行咬合、加热、锻打工序的多工步设置;

可分析成形过程金属流动、缺陷产生、工件形状、晶粒细化及优化工艺设计;

优化锻打次数、锻造比、拔长效率、加热温度、平砧结构等参数;

预测自由锻形状尺寸、折叠、表面裂纹、扭曲等成形缺陷;

具有锻锤设备库及多工步自由锤锻设置方式;

Ringrolling环材轧制模块 具有专用环轧模板,操作方式流程化;

具有环件模型及模具模型自动产生方式;

复杂及多数量模具可实现准确自动定位;

可完全采用全六面体网格及重划分技术,保证模拟结果的高精度;

同时进行轧制及温度的耦合分析;

可任意设置模具旋转运动方式,实现多步轧制;

可进行环轧变形过程模拟、模具应力及磨损分析;

预测环轧过程中出现的折叠、凹坑、蝶形、壁厚不均、压扁、椭圆、锥度等成形缺陷;

Shaperolling型材轧制模块 具有专用轧钢模板,操作方式流程化,简单易学;

可用于板材、型材、线材、管材、减径机组等的轧制分析;

具有钢坯模型及轧具模型自动产生方式;

复杂及多数量轧具可实现准确自动定位;

可采用ALE法、UL法及2.5D法计算轧制过程;

可完全采用全六面体网格及重划分技术,保证模拟结果的高精度;

同时进行轧制及温度的耦合分析,简便制定轧制工艺表;

可参数化建立轧辊界面模型,并结合DOE优化技术实现轧辊结构设计的自动优化;

可任意设置轧具旋转运动方................