在传统的制造工艺过程中，一般通过大量实验来确定制造过程中的各类工艺参数。然而，大量的试验必将会增加成本、降低效率、浪费劳动力。基于有限元软件的工艺仿真，是通过数值分析的方法来模拟加工工艺过程。总体来说，有限元分析可以分成3个阶段，即前处理、模型的提交计算和后处理。前处理的目的是建立工艺仿真模型，完成单元网格的划分；后处理的目的在于查看加工工艺结果。使用有限元方法建立制造工艺模型，对该模型进行自适应有限元网格划分，选用恰当的材料本构模型，施加准确的边界条件后，对制造过程进行物理仿真，得到较为准确的力、热、应力、应变等过程参数值，为工艺选择、工具选择以及工艺参数优化等提供重要的理论指导。
加工制造工艺仿真的优势主要体现在以下几点：
（1）通过对加工过程中力、温度等的预测，发现加工过程潜在的问题；
（2）通过对比不同加工工艺的仿真结果，增强工艺方案的可靠性；
（3）提高效率，缩短产品投向市场的时间；
（4）模拟试验方案，减少试验次数，减少试验经费；
1）Dynaform
Dynaform软件是美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形数值模拟的专用软件，是LS-DYNA求解器与ETA/FEMB前后处理器的完美结合，是当今流行的板料成形与模具设计的CAE工具之一，主要应用于冲压、压边、拉延、弯曲、回弹、多工步成形等典型钣金成形过程，以及液压成形、辊弯成形、模具设计、压机负载分析等领域。
Dynaform软件的操作环境属于集成式操作环境，使用时无需数据转换，拥有完备的处理功能，可实现无文本编辑操作，且每个操作均在同一界面下进行。软件使用的求解器为业界著名的、功能最强的LS-DYNA处理器，利用其先进的动态非线性显式分析技术可以解决复杂的金属成形问题。
Dynaform软件包含BSE、DFE、Formability三个大模块，几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素，包括：最佳冲压方向与坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角的设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数与切边线的求解、压力机吨位设置等。Dynaform软件设置过程与实际生产过程一致，操作上手容易。可以对零构件冲压生产的全过程进行模拟：坯料在重力作用下的变形、压边圈闭合、拉延、切边回弹、回弹补偿、翻边、胀形、液压成形、弯管成形等。基于该模拟技术，可以及时发现生产过程中工艺的缺陷与不足，及时调整工艺，减少生产资源的浪费。Dynaform仿真典型冲压应用如图1所示。
图1 Dynaform仿真典型应用
2）Simufact
Simufact软件是基于MSC.Software的MSC.Maufacturing（原MSC.superform和MSC.superforge）软件开发出来的先进的材料加工及热处理工艺仿真优化软件。Simufact将MSC．Marc和MSC．Dytran求解器融合在一起，提供FEM和FVM两种求解方法，能够解决各种复杂的金属成形工艺问题，且具有极高的计算精度。Simufact采用的固定在空间的有限体积Eulerian网格技术，是一个固定的参考框架，单元由节点连接构成，节点在空间上固定不动，非常适于精确模拟材料大变形问题，完全避免了用有限单元技术难于处理而又无法回避的三维网格的重划分问题。
Simufact可以模拟金属成形工艺生产过程中可能出现的问题，包括金属成型工艺分析、微观组织分析、热处理分析以及结构分析。金属成型工艺分析包括自由锻、模锻、辊锻、旋压、墩挤、挤压、焊接、拉拔和轧制等体积成形工艺和冲压等板料成形工艺；微观组织分析包括塑性变形或热处理过程中材料的相变、动态再结晶、产生的微观组织变化等；热处理分析包括热-固耦合分析、热处理和热加工过程中的稳态/瞬态热传导、对流散热、热辐射、摩擦生热和热应力分析等；结构分析包括成形过程中材料的断裂，预应力模具受力分析，模具失效、磨损和寿命分析，成形和卸载后材料的回弹及残余应力分析等。Simufact热锻仿真如图2所示。
图2 Simufact软件热锻仿真
3）Deform-3D
Deform-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门用于分析各种金属成形过程中的三维流动。典型的Deform-3D应用包括锻造、挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工手段。
Deform软件可以进行成形分析与热处理分析。成形分析中，软件可以对冷、热锻的成形与热传导进行耦合分析，并提供材料流动、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，如图3所示。热处理分析中，可以进行正火、退火、淬火、回火、渗透等工艺过程，并能预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量，如图4所示。
图3 Deform成形工艺仿真
图4 Deform热处理工艺仿真
4）AdvantEdge
AdvantEdge是Third Wave Systems公司推出的金属切削有限元仿真软件，用于优化金属切削工艺。AdvantEdge可以分析的工艺包括车削、铣削、钻孔、攻丝、镗孔、环槽、锯削、拉削等，对于进给在10nm以上1mm以下的微切削目前只支持2D车削仿真。软件材料库有130多种工件材料（铝合金、不锈钢、钢、镍合金、钛合金及铸铁等），刀具材料库有Carbide系列、立方碳化硼、金刚石、陶瓷及高速刚系列；涂层材料有TiN、TiC、Al2O3、TiAlN等；支持用户自定义材料及自定义本构方程；可以仿真切削力、温度、应力、应变率、残余应力与刀具磨损等，刀具磨损仿真如图5所示。
图5 刀具磨损仿真
成形制造仿真可以对零件生产的全过程（如板料成形、模具设计、铸造、焊接等）进行模拟，可以及时发现生产过程中工艺的缺陷与不足，提高成形质量。
（1）冲压成形仿真
冲压成形主要应用于汽车制造领域，如对发动机罩、车门等复杂薄壁板件冲压成形进行模拟仿真。材料在成形过程中受到影响的因素很多，比如受到材料、几何形状、接触的非线性等因素的影响，在加工过程中很难对材料的流动进行精确控制。因此，材料成形过程由于诸多的影响造成了零件的表面质量、力学性能以及几何精度等一系列缺陷。在冲压成形过程中，主要的成形缺陷有：起皱、拉裂和回弹。运用有限元软件对冲压过程进行仿真，可以对坯料在重力作用下的变形、压边圈闭合、拉延、切边回弹、回弹补偿、翻边、胀形、液压成形、弯管等过程进行模拟，有效预测成形缺陷，并通过改变冲压方向、凸凹模圆角设计、冲压速度、压边力、压力机吨位等进行工艺优化，如图6、图7所示。通过仿真极大地缩短了工程师的设计时间，而且预测的准确度也比较高。
图6 不同压边力条件下车门的成形极限
图7 工序回弹模拟分析
（2）铸造成形工艺仿真
对铸件形成过程进行计算机模拟，能够得到形象准确的可视化效果。通过计算机显示铸造过程温度、充型速度、压力和凝固时间变化，并对可能产生的缺陷提出预报，如图8所示浇注系统充型过程速度场示意图。
图8 浇注系统充型过程速度场示意图
通过对铸件充型和凝固过程的模拟，可以形象准确的显示在给定浇冒口系统下物理场的变化情况，夹渣和其他非金属夹杂物可以引入金属液流中并模拟其运动轨迹。通过优化浇冒口系统和出气系统可以避免由于紊流情况引起的氧化物夹杂、冷隔、缩松、缩孔和气孔等缺陷。图9所示为通过模拟软件中的热分析缩孔缺陷模块，对缩孔发生位置和面积大小进行预测的结果。
图9 缩孔缺陷预测效果图
（3）焊接成形工艺仿真
焊接工艺的仿真，主要是针对焊接温度场、残余应力、变形等方面，旨在改善焊接部件的制造质量，提高产品服役性能，优化焊接顺序等工艺过程。传统焊接质量的好坏非常依赖焊接工人的经验，而焊接数值模拟技术就是利用数值模拟方法找到优化的焊接工艺参数，例如焊接材料、温控条件、夹具条件、焊接顺序等。有限元仿真软件具有材料的固体塑性焊接工艺分析能力，可实现对摩擦焊（搅拌摩擦焊、惯性摩擦焊、压力焊、旋转摩擦焊等）、电阻焊（点焊、缝焊、对焊、凸焊等）的模拟，通过计算焊缝温度场、应力应变、扭曲变形、焊缝形状等焊接数据，评估焊接性能，优化焊接工艺参数。
通过焊接温度场的模拟可以判断固相和液相的分界，能够得出焊接熔池的形状，如图10所示。焊接温度场准确模拟的关键在于提供准确的材料属性，热源模型与实际热源的拟合程度，热源移动路径的准确定义，边界条件是否设置恰当等。焊接成形工艺仿真主要是为了减少残余应力，控制变形，防止缺陷的产生。
图10 焊接温度及应力分布图
有限元仿真技术在机加工领域有着广泛的应用，利用有限元软件来模拟切削加工过程成为了一种重要的辅助方法，对实际生产加工有预测及指导作用。
（1）切屑形成
金属的切削过程与切屑的形成机理是紧密联系在一起的。根据切屑形貌特征，一般将切屑分为四种类型。通过对切屑形成机理的研究，有助于优化切削参数，减小刀具磨损和保证加工质量，同时降低加工成本。在金属切削过程中，由于锯齿状切屑会对切削力、刀屑接触区温度场、加工表面质量以及切削系统动态行为造成影响。因此，研究人员将更多的精力集中在对锯齿状切屑的形成机理以及锯齿状切屑对切削过程的影响研究等方面，特别是针对钛合金、镍基合金、铝合金以及淬硬钢等应用广泛的金属材料。切屑形成仿真如图11所示。
（a）锯齿状切屑仿真与试验结果对比
（b）7050铝合金铣削切屑仿真
图11 切屑形态仿真实例
（2）切削温度与切削力
有限元法作为一种有效的分析工具，被广泛应用于切削温度和切削力的预测。进行切削速度、进给量、切削深度等切削参数对切削温度、切削力影响的相关仿真研究，有助于后期工艺参数的选择，对工艺参数优化具有重要的指导意义。具体实例如图12所示。
（a）热分配系数对刀具温度场分布的影响（b）切削反力变化曲线
图12 切削温度、切削力仿真实例
（3）刀具磨损
在切削过程中，刀具磨损无法避免，而刀具的磨损又是造成工件表面质量下降的重要因素之一。因此预测刀具磨损，对于实现刀具切削性能最大化和生产成本最小化而言，是一项非常重要的任务。利用刀具磨损仿真，可以有效地对发生在初始切削阶段的磨粒磨损和稳定切削阶段的扩散磨损进行预测，如图13所示。
图13 试验与仿真刀片磨损速率比较
（4）残余应力
加工工件内残余应力的存在会对裂纹的萌生、增殖以及零件的最终失效造成潜在威胁。由于对残余应力的试验测量及模型仿真较为困难，造成研究结果之间也存在差异性。有些学者报道表面残余应力是拉应力，而有些学者认为是残余压应力。对于加工表层拉应力的产生，普遍认为是产生的切削热引起热膨胀；而对于压应力的产生，主要是因为机械载荷造成的塑性变形。残余应力的产生与切削过程中材料的塑性变形和温度场是紧密联系的，由切削开始到结束的整个过程，刀具的磨损直接影响到切削表层的塑性变形程度和温度梯度分度，进而影响到残余应力的分布规律，甚至关系到产生的是拉应力还是压应力。因此，如何模拟刀具磨损过程中残余应力场的分布，对预测最终零件的疲劳寿命具有重要意义。具体实例如图14所示。
图14 沿切削方向刀刃半径对残余应力深度的影响
编辑：刘杨
编审：辛召
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