項目名稱：    塑性成形數值模擬理論與模具優化設計方法

推薦單位：    山東省

項目簡介：    本項目屬于塑性加工工藝及設備科學技術領域。

多工序精密塑性成形的預成形和模具形狀優化設計是塑性加工領域的重點和難點問題，缺乏有效的理論設計方法，本項目主要研究內容如下：

（1）重點研究了模具優化設計方法所涉及的基礎理論問題。提出了基于塑性有限元的靈敏度分析理論和多工序成形模具優化設計方法，推證了節點坐標/溫度/速度、單元剛度矩陣/節點力向量對設計變量的靈敏度方程及其數學關系，開發了模具形狀優化設計軟件，解決了模具形狀、坯料尺寸和制坯鐓粗比的優化設計，突破了精密塑性成形工藝模具設計與工程優化方法難以結合的難題。

（2）研究了上限元和有限元反向數值模擬理論與預成形設計方法，建立了較完整的反向模擬與預成形設計理論體系。提出了一種與現行模鍛設計所用控制方式完全不同的控制材料“先內后外"流動的精密模鍛方法，提出了基于鍛件形狀復雜程度的邊界條件控制準則和反向模具接觸跟蹤方法等，成功應用于多種多工序鍛造工藝和模具設計。

（3）系統研究了上限元和有限元數值模擬理論、方法和模擬技術，提出了合理的上限單元劃分準則及其類型，建立了各類單元的基本方程。解決了塑性有限元模擬的關鍵技術和算法，建立了四邊形網格自動生成的區域分解算法和變密度三維全六面體網格自適應生成算法，開發了網格自動生成和塑性成形過程模擬軟件，豐富了塑性有限元理論和模擬方法。

本項目論文被SCI/EI收錄114篇（SCI收錄34篇，EI收錄80篇）；被他人引用358次，被SCI他人引用101次，被EI他人引用51次；SCI他人引用國際期刊30種，SCI他人引用作者分布在美、英、法、德、韓、澳、印度、俄羅斯、葡萄牙等10余國家。理論研究成果被編入《中國模具大典》第一卷和《中國材料工程大典》第一卷。

主要發現點：  （1）將塑性成形數值模擬理論與工程優化方法相結合，針對未曾研究的多工序模具優化設計問題展開探索，提出建立了基于塑性有限元的靈敏度分析理論和模具優化設計方法，推證了節點坐標、節點速度、單元剛度矩陣、單元節點力向量、節點溫度對優化設計變量的靈敏度方程及其彼此之間的數學關系；建立了單工序鍛造毛坯形狀和預鍛坯鐓粗比優化設計方法；自主開發了模具形狀優化設計軟件，成功應用于多工序體積成形中的模具形狀、坯料尺寸和制坯鐓粗比的優化設計。

所屬學科：塑性成型學4601570。

支持本發現點的代表性論文：Int. J. for Numer. Meth. in Engng, 40(1997)1213、Int. J. of Mach. Tools & Manuf., 37(1997)1251、J. of Mater. Engng. & Perform., 6(1997)303 、J. of Mater. Process. Tech., 128 (2002) 25、J. of Mater. Process. Tech., 147(2004), 217）。

（2）研究了基于上限元和有限元的反向數值模擬理論與預成形設計方法，系統建立了上限元和有限元的反向模擬理論和預成形設計方法，包括反向模擬方法、速度場迭代及收斂、幾何迭代及收斂、邊界條件控制等。提出了一種與現行模鍛設計完全不同的控制材料"先內后外"流動的精密模鍛方法，通過預成形設計，可定量控制飛邊體積和實現少無飛邊精密成形。研究發現反向模擬預成形設計關鍵是邊界條件設定問題，提出了基于鍛件形狀復雜程度的控制準則和反向模具接觸跟蹤方法，成功應用于鏈軌節、透平圓盤和賽車后橋下臂等復雜多工序鍛件的求逆過程和預成形設計。

所屬學科：塑性成型學4601570。

支持本發現點的代表性論文：Int. J. of Mach. Tools & Manuf. 35(1995)1225、Int. J. of Mach. Tools & Manuf., 36(1996)755、J. of Mater. Process. Tech., 121(2002)173）。

（3）建立了上限元數值模擬基本理論、方法與關鍵技術，提出了合理的單元劃分準則和單元類型，系統推導了各類單元的基本方程，規范和完善了上限元基本理論和數學方程。提出了模擬金屬流動所遵循的準則，建立了上限元復合模擬塊方法。建立了金屬塑性成形過程有限元模擬的系列關鍵技術和算法，提出了一種密度控制和區域分解相結合的四邊形網格自動生成算法和一種基于柵格法的變密度三維全六面體網格自適應生成算法，實現了在厚度較小的特征區域和曲率較大區域局部協調加密及平緩變密度的網格自動剖分。自主開發了四邊形、六面體有限元網格自動生成與再生成軟件和體積塑性成形過程有限元模擬軟件。

所屬學科：塑性成型學4601570。

支持本發現點的代表性論文：J. of Mater. Process. Tech.,34(1992)349、Int. J. Mach. Tools & Manuf.,34(1994)161、J. of Mater. Engng. & Perform., 6(1997)303、J. of Mater. Process. Tech., 147(2004) 217）。

主要完成人：  1.   趙國群

1. 本人對本項目1、2、3發現點有突出貢獻。提出建立了基于塑性有限元的靈敏度分析理論和模具優化設計方法，推證了靈敏度方程及其數學關系，解決了多工序塑性成形的模具形狀優化設計問題；建立了有限元反向模擬理論和預成形設計方法，提出了基于鍛件形狀復雜程度的控制準則和反向模具接觸跟蹤方法；建立了金屬塑性成形過程有限元模擬的系列關鍵技術和算法，提出了一種密度控制和區域分解相結合的四邊形網格自動生成方法和基于柵格法的變密度三維全六面體網格自適應生成算法。

2. 支持本人發現點貢獻的論文為10篇代表作的01-03、05-08號PDF論文。

3. 投入本項目的工作量占本人科研工作量的70%。

2.   孫勝

1. 本人對本項目2、3發現點有突出貢獻。建立了上限元反向模擬理論和預成形設計方法，提出了一種與現行模鍛設計完全不同的控制材料"先內后外"流動的精密模鍛方法；建立了上限元數值模擬基本理論、方法與關鍵技術，提出了合理的單元劃分準則和單元類型，推導了各類單元的基本方程，規范和完善了上限元基本理論和數學方程。提出了模擬金屬流動所遵循的準則，建立了上限元復合模擬塊方法。

2. 支持本人發現點貢獻的論文為10篇代表作的09號PDF論文。

3. 投入本項目的工作量占本人科研工作量的60%。

3.   管延錦

1. 本人對本項目1、3發現點有突出貢獻。建立了金屬塑性成形過程有限元模擬的有關關鍵技術和算法，包括邊界條件確定方法、收斂方法研究、數學模型以及軟件開發方面等；在網格自適應生成算法和理論成果工程應用方面做出了貢獻。

2. 支持本人發現點貢獻的論文為10篇代表作的10號PDF論文。

3. 投入本項目的工作量占科研工作量的55%。

4.   馬新武

1. 本人對本項目發現點1、3有突出貢獻。推證了節點溫度對優化設計變量的靈敏度方程，實現了熱成形過程的模具優化設計；建立了一種密度控制和區域分解相結合的四邊形網格自動生成方法（區域分解法），在開發四邊形網格自動生成與再生成軟件和體積塑性成形過程有限元模擬軟件方面作出了較大貢獻。

2. 支持本人發現點貢獻的論文為10篇代表作的05號PDF論文。

3. 投入本項目的工作量占本人科研工作量的55%。

5.   趙新海

1. 本人對本項目發現點1有突出貢獻。建立了單工序鍛造毛坯形狀和預鍛坯鐓粗壓下量優化設計方法；提出以鍛件形狀和鍛件變形均勻性為優化目標，對鍛造過程進行了多目標優化設計研究。

2. 支持本人發現點貢獻的論文為10篇代表作的04號PDF論文。

3. 投入本項目的工作量占本人科研工作量的55%。

10篇代表性論文：  1.   Forging preform shape design using optimization method, Int. J. for Numerical Methods in Engineering

2.   Sensitivity analysis based preform die shape design for net-shape forging, International Journal of Machine Tools & Manufacture

3.   Sensitivity analysis based preform die shape design using the finite element method., J. of Materials Engineering and Performance

4.   Preform die shape design for uniformity of deformation in forging based on preform sensitivity analysis, J. of Mate. Proc.Tech.

5.   Studies on optimization of metal forming processes using sensitivity analysis methods, J. of Mate. Proc. Technology

6.   Forging Preform Design With Shape Complexity Control in Simulating Backward Deformation, International Journal of Machine Tools & Manufacture

7.   Computer Aided Preform Design in Forging Using the Inverse Die Contact Tracking Method, Int. J. of Mach. Tools & Manuf.

8.   Die cavity design of near flashless forging process using FEM-based backward simulation, J. of Mate. Proc. Technology

9.   Reverse simulation using the simulation block technique and its application in the precision forging process, Journal of Materials Processing Technology

10.  Finite element modeling of laser bending of pre-loaded sheet metals, Journal of Materials Processing Technology