项目名称：    塑性成形数值模拟理论与模具优化设计方法

推荐单位：    山东省

项目简介：    本项目属于塑性加工工艺及设备科学技术领域。

多工序精密塑性成形的预成形和模具形状优化设计是塑性加工领域的重点和难点问题，缺乏有效的理论设计方法，本项目主要研究内容如下：

（1）重点研究了模具优化设计方法所涉及的基础理论问题。提出了基于塑性有限元的灵敏度分析理论和多工序成形模具优化设计方法，推证了节点坐标/温度/速度、单元刚度矩阵/节点力向量对设计变量的灵敏度方程及其数学关系，开发了模具形状优化设计软件，解决了模具形状、坯料尺寸和制坯镦粗比的优化设计，突破了精密塑性成形工艺模具设计与工程优化方法难以结合的难题。

（2）研究了上限元和有限元反向数值模拟理论与预成形设计方法，建立了较完整的反向模拟与预成形设计理论体系。提出了一种与现行模锻设计所用控制方式完全不同的控制材料“先内后外"流动的精密模锻方法，提出了基于锻件形状复杂程度的边界条件控制准则和反向模具接触跟踪方法等，成功应用于多种多工序锻造工艺和模具设计。

（3）系统研究了上限元和有限元数值模拟理论、方法和模拟技术，提出了合理的上限单元划分准则及其类型，建立了各类单元的基本方程。解决了塑性有限元模拟的关键技术和算法，建立了四边形网格自动生成的区域分解算法和变密度三维全六面体网格自适应生成算法，开发了网格自动生成和塑性成形过程模拟软件，丰富了塑性有限元理论和模拟方法。

本项目论文被SCI/EI收录114篇（SCI收录34篇，EI收录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他人引用国际期刊30种，SCI他人引用作者分布在美、英、法、德、韩、澳、印度、俄罗斯、葡萄牙等10余国家。理论研究成果被编入《中国模具大典》第一卷和《中国材料工程大典》第一卷。

主要发现点：  （1）将塑性成形数值模拟理论与工程优化方法相结合，针对未曾研究的多工序模具优化设计问题展开探索，提出建立了基于塑性有限元的灵敏度分析理论和模具优化设计方法，推证了节点坐标、节点速度、单元刚度矩阵、单元节点力向量、节点温度对优化设计变量的灵敏度方程及其彼此之间的数学关系；建立了单工序锻造毛坯形状和预锻坯镦粗比优化设计方法；自主开发了模具形状优化设计软件，成功应用于多工序体积成形中的模具形状、坯料尺寸和制坯镦粗比的优化设计。

所属学科：塑性成型学4601570。

支持本发现点的代表性论文：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数值模拟理论与预成形设计方法，系统建立了上限元和有限元的反向模拟理论和预成形设计方法，包括反向模拟方法、速度场迭代及收敛、几何迭代及收敛、边界条件控制等。提出了一种与现行模锻设计完全不同的控制材料"先内后外"流动的精密模锻方法，通过预成形设计，可定量控制飞边体积和实现少无飞边精密成形。研究发现反向模拟预成形设计关键是边界条件设定问题，提出了基于锻件形状复杂程度的控制准则和反向模具接触跟踪方法，成功应用于链轨节、透平圆盘和赛车后桥下臂等复杂多工序锻件的求逆过程和预成形设计。

所属学科：塑性成型学4601570。

支持本发现点的代表性论文：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）建立了上限元数值模拟基本理论、方法与关键技术，提出了合理的单元划分准则和单元类型，系统推导了各类单元的基本方程，规范和完善了上限元基本理论和数学方程。提出了模拟金属流动所遵循的准则，建立了上限元复合模拟块方法。建立了金属塑性成形过程有限元模拟的系列关键技术和算法，提出了一种密度控制和区域分解相结合的四边形网格自动生成算法和一种基于栅格法的变密度三维全六面体网格自适应生成算法，实现了在厚度较小的特征区域和曲率较大区域局部协调加密及平缓变密度的网格自动剖分。自主开发了四边形、六面体有限元网格自动生成与再生成软件和体积塑性成形过程有限元模拟软件。

所属学科：塑性成型学4601570。

支持本发现点的代表性论文：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.   赵国群

1. 本人对本项目1、2、3发现点有突出贡献。提出建立了基于塑性有限元的灵敏度分析理论和模具优化设计方法，推证了灵敏度方程及其数学关系，解决了多工序塑性成形的模具形状优化设计问题；建立了有限元反向模拟理论和预成形设计方法，提出了基于锻件形状复杂程度的控制准则和反向模具接触跟踪方法；建立了金属塑性成形过程有限元模拟的系列关键技术和算法，提出了一种密度控制和区域分解相结合的四边形网格自动生成方法和基于栅格法的变密度三维全六面体网格自适应生成算法。

2. 支持本人发现点贡献的论文为10篇代表作的01-03、05-08号PDF论文。

3. 投入本项目的工作量占本人科研工作量的70%。

2.   孙胜

1. 本人对本项目2、3发现点有突出贡献。建立了上限元反向模拟理论和预成形设计方法，提出了一种与现行模锻设计完全不同的控制材料"先内后外"流动的精密模锻方法；建立了上限元数值模拟基本理论、方法与关键技术，提出了合理的单元划分准则和单元类型，推导了各类单元的基本方程，规范和完善了上限元基本理论和数学方程。提出了模拟金属流动所遵循的准则，建立了上限元复合模拟块方法。

2. 支持本人发现点贡献的论文为10篇代表作的09号PDF论文。

3. 投入本项目的工作量占本人科研工作量的60%。

3.   管延锦

1. 本人对本项目1、3发现点有突出贡献。建立了金属塑性成形过程有限元模拟的有关关键技术和算法，包括边界条件确定方法、收敛方法研究、数学模型以及软件开发方面等；在网格自适应生成算法和理论成果工程应用方面做出了贡献。

2. 支持本人发现点贡献的论文为10篇代表作的10号PDF论文。

3. 投入本项目的工作量占科研工作量的55%。

4.   马新武

1. 本人对本项目发现点1、3有突出贡献。推证了节点温度对优化设计变量的灵敏度方程，实现了热成形过程的模具优化设计；建立了一种密度控制和区域分解相结合的四边形网格自动生成方法（区域分解法），在开发四边形网格自动生成与再生成软件和体积塑性成形过程有限元模拟软件方面作出了较大贡献。

2. 支持本人发现点贡献的论文为10篇代表作的05号PDF论文。

3. 投入本项目的工作量占本人科研工作量的55%。

5.   赵新海

1. 本人对本项目发现点1有突出贡献。建立了单工序锻造毛坯形状和预锻坯镦粗压下量优化设计方法；提出以锻件形状和锻件变形均匀性为优化目标，对锻造过程进行了多目标优化设计研究。

2. 支持本人发现点贡献的论文为10篇代表作的04号PDF论文。

3. 投入本项目的工作量占本人科研工作量的55%。

10篇代表性论文：  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