安世亞太仿真課堂分享:DEFORM Spinning輪轂旋壓仿真新技術

1、背景

旋壓加工是一種非常特殊的成型加工方法，具備高速旋轉及高應變率的特點。在輪轂的生產加工過程中，與鑄造加工和鍛造加工不同，它綜合了擠壓、拉伸和彎曲等多種特徵於一身，共同來完成各種迴轉體零件的縮口、卷邊和脹形等工藝。眾所周知，旋壓技術作為無屑型金屬成型工藝的一種，具有很多優良的特徵，比如節省材料、加工設備簡單和成本低等諸多優點被廣泛應用在民用和軍用企業中。

在旋壓技術和旋壓設備迅速發展的同時，使用有限元軟體進行模擬仿真分析應運而生，為旋壓成型工藝方案的評判和優化提供理論依據。目前，大多學者都是使用通用有限元分析軟體來進行輪轂旋壓工藝過程的模擬仿真。針對輪轂旋壓成型模擬仿真普遍存在如下一些問題：

模擬計算時間非常長，普通軟體基本需要數周時間才能計算完畢，企業難以接受；幾何模型簡化太多，與實際結果差異較大；前處理過程操作複雜，對使用人員要求較高。

針對上述技術難點，美國SFTC公司開發的Deform軟體率先結合顯式算法和ALE算法兩者的優勢，結合六面體單元的網格細化技術，將其應用於輪轂旋壓成型模擬計算；憑藉Deform軟體易操作性的特點，簡化了輪轂旋壓前處理操作流程，並很大程度上提高了輪轂旋壓模擬計算速度，使得工程師能夠快速獲得模擬計算結果，提高了設計效率和計算精度。

2 、軟體功能

Deform是一個基於有限元方法的工藝模擬系統，專門用於分析各種金屬成型和熱處理工藝，可以提供極有價值的工藝分析數據。典型的Deform應用包括鍛造、旋壓、熱處理和其他的成型加工手段。經過三十多年的發展，Deform軟體具有著卓越的準確性和穩定性，而且易於使用，模擬引擎在大流動、行程載荷和產品缺陷預測等方面同實際生產相符，保持著令人嘆為觀止的精度，被國際成型模擬領域公認為處於同類型模擬軟體的領先地位。

針對於旋壓成型仿真分析，Deform軟體具備以下功能：

可進行普通拉伸旋壓、強力旋壓、縮孔旋壓等旋壓工藝的計算；

具有Spinning，Flowforming旋壓類型的專用模塊及操作流程；

具有專用筒形件、彈殼等深衝壓、旋壓模板，操作方式流程化，簡單易學；

拉伸旋壓及流動成型工藝模板

具有筒型坯模型及軋具模型自動產生方式；

能夠設置多組旋輪的同時運動，實現複雜運動軌跡的計算；

複雜及多數量軋具可實現準確自動定位；

旋壓模具定位

可完全採用全六面體網格及重劃分技術，保證模擬結果的高精度；

具備Lagrange，ALE，Explicit等計算方法，快速實現複雜旋壓過程分析；

可任意定義旋輪旋壓路徑，通過空間運動軌跡或G代碼進行設置或導入；

具有拉伸旋壓多道次旋壓模擬功能，可以一次性設置旋壓流程表，實現全流程模擬；

多道次旋壓工藝流程表

優化工具旋轉速度、進給深度、旋輪尺寸等參數，預測成型形狀、成型缺陷等。

3 、六面體網格劃分及自動重劃分技術

鑄造之後的輪轂坯料形狀複雜，考慮到旋壓過程只對下半部分輪輞進行旋壓分析，而該部分在Deform軟體中可以劃分六面體網格，減少計算量，提高計算精度。由於旋壓過程中涉及幾何非線性、材料非線性和接觸非線性等問題，因此六面體網格重劃分技術非常重要。Deform軟體針對於旋壓分析開發了專業的六面體劃分和自動網格重劃分技術，使得大變形計算能夠順利進行。

六面體網格劃分如下圖所示：

六面體網格劃分技術

4 、輪轂旋壓成型仿真應用案例

輪轂旋壓成型過程及旋輪運動方式等均比較複雜。目前，極少的軟體可以對輪轂旋壓成型過程進行模擬仿真，它們均存在前處理操作極其複雜或者計算時間非常長的問題。Deform軟體率先將顯式算法和ALE算法結合在一起，並將其應用於輪轂旋壓成型模擬計算，簡化了操作流程，縮短了計算時間，提高了設計效率。

以某公司的輪轂旋壓成型仿真為例。鑄造後的輪轂坯料形狀複雜，材料為鋁合金。輪轂坯料形狀如下圖所示：

輪轂坯料

旋輪運動軌跡如下圖所示：

旋輪1運動軌跡

旋輪2運動軌跡

旋輪3運動軌跡

成型完成後形狀及等效應變結果如下圖所示：

成型後的形狀

等效應變

5、計算時間

以上算例在個人筆記本Thinkpad W541 4核上計算大概需要5-6天左右的時間。如果在伺服器上隨著核數的增加計算所需時間會更少。

6 、總結

Deform軟體首創將顯式算法和ALE算法結合在一起，並將其應用於輪轂旋壓成型模擬計算，可以縮短模擬計算時間，提高計算精度和研發效率。