金属成型CAE软件自主研发

The goal of the “Made in China 2025” is to achieve the intelligent manufacturing engineering, and the key mainly lies in the Computer-Aided Engineering (CAE) software, which is the core of R & D capability and technological innovation of industrial companies. So far, most of the relevant softwares applied in China are imported. Some domestic universities and research institutes developed a number of computational packages to solve a certain particular problem, but such packages don’t have all functions that a complete CAE platform has. Most of the industrial simulations are carried out in commercial software such as ANSYS. However, foreign cutting-edge technology is rarely integrated in such commercial software, it is so very important to develop CAE software with own intellectual property rights to improve the accumulation of scientific knowledge and technological innovation ability. Based on the previous CAE project supported by the Natural Science Foundation of China, the present subject aims to develop specific software for industrial manufacturing, especially metal forming. This software will integrate pre-processing, solver and post-processing functions. The contact between the mold and the workpiece, the elastic-plastic deformation with remeshing, the spring-back phenomenon and the crack / damage of materials will be solved. The research results will further promote the development of China's manufacturing industry from large to strong.

“中国制造2025”规划的目标是实现智能制造工程。其中，计算机辅助工程（CAE）软件是企业研发能力和技术创新的核心。目前，我国相关软件多靠进口，国内高校和科研院所开发的计算软件具备解决某种特定问题的能力，但尚未形成完整的CAE平台。工业仿真大多在ANSYS等商业软件上进行，然而国外前沿尖端技术极少集成在此类商业软件中。因此，开发具有自主知识产权的CAE软件，提高科学知识积累和技术创新能力，显得尤为重要。本课题在自然科学基金资助开发的CAE共性平台基础上，定制开发工业制造专用仿真软件。该软件将集成前处理、求解器和后处理等功能。同时，解决金属成型过程中，模具-工件接触状态的精确模拟、弹塑性大变形数值仿真及网格重分、加工回弹现象模拟、加工裂纹/损伤对材料性能的影响。研究成果将进一步促进中国制造业从大到强的发展。

“中国制造2025”规划的目标是实现智能制造工程。其中，计算机辅助工程（CAE）软件是企业研发能力和技术创新的核心。项目以自主研发自主知识产权的金属成形定制化CAE软件为目的，在自然科学基金资助开发的CAE共性平台基础上，定制开发工业制造专用仿真软件。该软件将集成前处理、求解器和后处理等功能。同时，解决金属成型过程中，模具-工件接触状态的精确模拟、弹塑性大变形数值仿真及网格重分等影响。研究成果将进一步促进中国制造业从大到强的发展。.项目分别从理论探索、数值实现和软件开发三个维度研究金属成型问题中涉及的材料非线性、几何非线性、接触状态非线性特性，取得了一定成果：.理论层面：从双势本构积分出发，推导了考虑大变形框架下的等向强化Prager-Ziegler模型与随动强化Armstrong-Frederick模型；基于双势接触理论，进一步拓展应用于塑性大变形接触问题；项目在摩擦本构中考虑磨损因素，还自研出一套考虑压力相关的摩擦本构模型。.算法层面：自研出一套基于双势接触理论的柔度因子选取算法；结合Uzawa模型和磨损双势本构，推导出一套考虑磨损的双势摩擦算法；为了更快实现碰撞检测，项目自研了一套自动碰撞检测算法，大大提高了金属成形过程接触求解效率；自研出一套考虑材料非线性、几何非线性和接触状态非线性的金属成形多重非线性精细算法。.软件层面，项目结合自研的金属成形算法，基于OMTDesk软件开发平台，项目定制化开发了一款金属成形CAE软件FEM/Form。数值模拟块体锻压成形过程，探究了材料屈服强度与摩擦系数对块体回弹量的影响。数值模拟挤出成形过程，关注挤出件上的点与管腔间的接触状态。当摩擦系数增大，成功模拟出挤出件边缘打卷现象。FEM/Form能根据问题定制功能，更具针对性。通过FEM/Form与ANSYS和ABAQUS的对比，验证了FEM/Form在生产中计算结果的可靠性。数值模拟小半径直管绕弯成形，对于绕弯过程中的管端变形、截面变化、管壁厚度等进行了讨论。与现有资料进行对比，证明了FEM/Form在实际生产中具有实用性。.CAE软件需要大量的理论积累、实践积累，本项目FEM/Form的成果研发为国产自主知识产权的金属成形定制化软件奠定了一个良好的基础，相信后期FEM/Form仍会不断集成更多优秀的算法、技术，打造出中国自主知识产权的CAE软件。