数值模拟技术在大型锻件生产中的应用

数值模拟技术在大型锻件生产中的应用
　摘　要　数值模拟技术在保证工件质量、减少材料消耗、提高
生产效率、缩短试制周期等方面显示出无可比拟的优越性。在钢锭凝
固方面，有限元模拟程序 MIPS 可以分析凝固过程中温度场的分布，
确定不同时刻凝固前沿的位置，而且能预测缩孔和疏松的位置及尺
寸。使用该程序对 220 吨钢锭的生产工艺进行优化，成功地解决了疏
松进入锭身的问题。在锻造方面，已开发出了基于 ANSYS 的三维大变
形弹塑性、弹粘塑性程序，可以分析复杂的三维金属塑性成形问题。
热处理专用软件 NSHT 不仅可以分析加热、淬火及回火过程中温度场
分布，而且可以给出应力的分布及相态的变化过程，并已在实际生产
中取得了成功。
前言
　　大锻件生产具有单件、小批的特点。生产前需要大量的人力
和物力准备原材料、模具或辅具，前期投入相当大，一旦产品报废，
将造成很大的损失，这对工艺制定的合理性提出了很高的要求。在生
产新产品或制定新工艺时，工艺人员往往无法根据经验确定工艺是否
合理，只能采用大量实验的方法进行研究。由于大型锻件尺寸较大，
不可能进行 1∶1 的实物实验，而小件实验有时会与实际生产过程相
差过大。而且物理实验通常只能给出工艺过程某
个阶段的结果，无法全面了解整个工艺过程，具有一定的局限性。由
于大锻件生产的这些特殊性，采用先进的数值模拟技术改变工艺制定
过程中仅凭经验决定的现状是具有重要意义的。
1　数值模拟技术在现代制造中的地位和作用
　　随着计算机技术的飞速发展，人类社会已经步入了信息时代。计
算机及网络不仅改变了人们生活方式，也同样改变了传统机械制造的
概念与方法。随着计算机辅助技术(CAX)的广泛应用，计算机已经深
入到工业生产的各个环节之中。一个现代的产品制造过程可以由图 1
来描述。当接到生产任务时，首先采用 CAD(Computer
Aided
Design)系统进行产品设计，其设计结果将由 CAE(Computer Aided
Engineering)系统对其生产工艺的可行性及合理性进行评估，如果其
不满足制造要求或所需要成本太高，将返回到 CAD 系统中进行重新设
计：如果通过了 CAE 的评估，就将采用 CAM(Computer Aided
Manufacturing)系统进行实际的生产制造。这一生产模式已在工业发
达国家得到了广泛的应用，并且近年来更提出了并行工程技术
(Concurrent Engineering)与虚拟制造技术(Virtual
Manufacturing)等新概念和新方法，将产品设计、工艺制定、生产制
造及管理中的 CAD、CAE、CAM、CAPP、MRP 等计算机辅助技术，通过
先进的信息技术结合起来，从而达到进一步缩短产品设计、制造周期，
提高产品质量，降低成本，增强产品竞争能力的目的。但不论哪一种
方法，CAD/CAE/CAM 等仍是整个计算机辅助技术的核心与基础。