1、第 30 卷 第 2 期2023 年 2 月塑性工程学报JOURNAL OF PLASTICITY ENGINEERINGVol.30 No.2Feb.2023综合评述引文格式:胡卫龙.仿真本构模型现状及适应未来智能化成形技术应具有的预测功能 J.塑性工程学报,2023,30(2):1-15.HU Weilong.Present situation of simulation constitutive models and expected predictive abilities to serve upcoming intelligent forming technology J.Journ
2、al of Plasticity Engineering,2023,30(2):1-15.第一作者:胡卫龙(通信作者),男,1959 年生,博士,高级技术专家,主要从事金属塑性成形理论与工艺研究,E-mail:weilong_ hu ya- 收稿日期:2022-10-17;修订日期:2022-12-07 仿真本构模型现状及适应未来智能化成形技术应具有的预测功能胡卫龙(特洛伊设计制造公司,密西根 48239)摘 要:本构模型的结构形式和应用实验数据的方式与能力是影响仿真预测精度最为关键的因素,只有清楚本构模型的现状,发现可能影响到预测精度的潜在问题,才能使本构模型获得有效的改进和完善。目前,随着
3、智能化技术在各行各业的兴起和应用,传统成形产业也必将迎来智能化的挑战,而仿真技术必将是智能化成形技术的一个主要组成部分。现有仿真模型和计算方法是否适应于未来智能化成形技术的应用要求,是非常值得讨论和研究的重要课题。为此,分析了现有本构模型的构建形式和基本预测特性,并基于目前所依托的基本理论概念讨论了现有本构关系(塑性应力-应变关系)存在的不足之处和需要完善的地方。在此基础上,进一步讨论了仿真本构模型对未来智能化成形技术发展所起的作用,以及可能会发生的根本性改变,特别是在仿真模型构建概念上的改变,即如何从采用传统的、固定形式的实验数据特性来描述任意加载状态的变形特性,发展到基于对包含任意加载状态
4、的大数据处理结果再现出具体成形件的变形特性。关键词:本构模型;智能化成形技术;板材冲压成形;各向异性;数值计算中图分类号:TG386.3 文献标识码:A 文章编号:1007-2012(2023)02-0001-15doi:10.3969/j.issn.1007-2012.2023.02.001Present situation of simulation constitutive models and expected predictive abilities to serve upcoming intelligent forming technologyHU Wei-long(Troy De
5、sign&Manufacturing Co.,MI 48239,USA)Abstract:The structural form,the way and the ability to apply experimental data of constitutive models are the most critical factors in affecting the simulation prediction accuracy.Therefore,only by knowing the present situation of constitutive models and discove-
6、ring the potential problems that may impact the prediction accuracy,the constitutive models can be effectively improved and perfec-ted.At present,as the emergence and application of the intelligent technology in various industries,traditional forming industry also inevitably needs to face the challe
7、nge of intellectuallization,and simulation technology must be a major part of the intelligent forming technology.Then,whether existing simulation models and calculation methods are suitable for the application requirements of future intelligent forming technology is an important topic worthy of disc
8、ussion and investigation.To this end,the construction forms and basic predictive characteristics of the existing constitutive models were analyzed,and based on the basic theoretical concept currently supported,some deficiencies of existing constitutive relations(plastic stress-strain relation)and th
9、e parts that need to be improved were discussed.On this basis,the effects of the simulation constitutive model on the development of intelligent forming technology,the fundamental changes that may occur,and especially the change in construction conception of the simulation model were further dis-cus
10、sed.That is how to develop from using traditional experimental data with fixed loading states to describe the deformation characteris-tic involving arbitrary loading conditions to reproduce deformation characteristics of specific formed parts based on big data processing results consisting of arbitr
11、ary loading conditions.Key words:constitutive model;intelligent forming technology;sheet metal stamping;anisotropy;numerical calculation 引言实现产品轻量化已经成为新技术开发需要首先考虑和解决的重要问题。对产品轻量化程度要求的不断提高也标志着传统成形产业正面临着技术上的一次革命。排除更换轻合金材料的选项,判断一个成形产品能否获得进一步的轻量化,完全取决于成形过程中材料表现出的综合可成形特性。只有依据成形件表现出的综合可成形特性才能找到实现产品轻量化的潜在途径。
12、例如,图 1 所示为对应不同厚度板材冲压件所表现出的可成形性状态。结果表明,如果 0.75 mm 为理想板厚,依据目前的冲压工艺,将出现 6.25%左右的破坏区域,即需要解决 6.25%区域的可成形性问题。仿真提供的数据还表明,成形件的大部分区域并没有发生足够量的塑性变形,或者说,只参与了占其自身材料可成形性非常小的一部分变形,而破坏区域只是表示这部分材料过度参与了变形。如果依赖目前成形工艺,很难使未发生足够塑性变形量的区域发生进一步塑性变形用于缓冲材料过度变形的区域,因此,最终只能选择1.2 mm 厚度的板材作为实际成形件尺寸。冲压成形工艺的检验标准与机械加工工艺(如车、洗和磨等)不同。机加
13、工艺检验的是加工件的整体加工精度,而冲压成形工艺涉及的是非常有限的局部可成形性问题,如开裂或起皱。而恰恰是这类局部成形问题为进一步开发出更加适合的成形工艺提供了一种可能性,也为未来实现智能化成形技术的终极目标展现出了一个可以施展拳脚的空间。如果智能化成形技术遵循的是“均塑变形”的执行目标,依据成形件的整体变形特性,解决图例所示的局部可成形性问题应属于非常简单的技术要求,也意味着,基于智能化成形技术的目标设计,可以实现使用 0.75 mm 板材代替 1.2 mm 板材的轻量化需要。因此,可以预测到,应用智能化成形技术所能实现的产品轻量化程度将会使传统成形工艺发生一次革命性突破,必将会带来不可估量
14、的经济和社会效益。图 1 不同厚度板材冲压成形极限状态(a)1.2 mm(b)1.0 mm(c)0.8 mm(d)0.75 mmFig.1 Limit state of stamping forming of sheet with different thicknesses 材料整体成形部分在冲压工艺中显示出的可成形性问题主要是由成形工艺决定的,而材料单元体的可成形性是由材料性能决定的。材料可成形性与工艺可成形性虽有不可分割的关联性,但亦有表现形式的不同。只要成形件显示出有限的局部成形问题,则基本属于工艺缺陷而不是材料的可成形性问题。工艺可成形性是以成形件的变形均匀度来表征的;而材料的可成形性
15、是由材料单元体的变形能力反映出来的。图 1 给出的例子也表明,遵循传统的模式改进冲压工艺(如调整压边力及改变辅助成形区域的几何形状等)已经无法彻底解决这类成形问题。这意味着传统的刚性“定点”式成形工艺需要引入柔性可“变”式的成形模式。“变”就意味着需要遵循一个目标的改变(类似极值优化概念),进而将传统“死”的成形工艺方式通过引入“智能”概念而成为“活”的可调整式成形工艺。实现智能化成形工艺将会对仿真精度的要求提升到一个新的级别。仿真工序也将会涉及到更多方面并发挥出更为关键的作用。目前,由于仿真精度的制约,所有仿真结果都只能起到辅助作用。但是,涉及智能化成形工艺时,由于成形工艺的可变性和受到自动
16、调整优化目标函数的控制,将不可能再依赖于传统的手工试模形式来确定最终的成形工艺过程,包括摸具的最终几何形状,而是需要完全依托动态的成形仿真状态来决定成形工序的运行模式,类似传统的生产前的试模将变成一种辅助检验工序。仿真2塑性工程学报第 30 卷能力及仿真精度将对智能化成形技术能否获得实际应用起到决定性作用。材料塑性本构模型对材料塑性变形特性的再现能力和所应用的数值计算方法是决定仿真预测精度最为关键的因素。基于现有本构模型的构建框架及对材料实验数据的应用形式,其对板材成形过程的预测能力必然会受到一定的制约。为了能够研发出与用于智能化成形技术相适应的本构模型,本文对现有本构模型及数值计算方法存在的缺陷有个较为全面而清楚的认识,并尝试以全新的概念探讨如何构建出适应未来智能化成形技术所需要的仿真本构模型的基本结构形式,以及它所应该具有的预测功能。1塑性应力-应变关系的发展历程以及与计算技术发展的关联性 类似于材料发生弹性变形需要遵循胡克定律获得加载与变形之间的对应关系,当载荷增加量使材料进入塑性变形以后,也需要对应了解材料单元体发生屈服后的塑性应力-应变关系。因此,所谓研究材料的塑性本构关系就
