Simufact金属成形工艺仿真标准教程

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书名：Simufact金属成形工艺仿真标准教程

ISBN：978-7-115-55464-7

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版　　权

著　　　　刘劲松 王传辉 孙丹丹

责任编辑　颜景燕

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

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内 容 提 要

前　　言

我国的加工工业经过长期努力，在工艺指标方面取得了长足进步，目前正处于从并跑到领跑的关键时期，迫切需要通过生产过程智能化实现绿色高效生产，以促进工业文明与生态文明协调发展。数值模拟技术能够为加工工业生产转型升级提供强有力的支撑，在智能制造和工业4.0的时代，数值模拟软件的重要性进一步凸显。数值模拟对于零件加工成形工艺是强有力的设计、分析和优化的工具，可以预测成形期间零件形状的变化、坯料的变形规律、最终应变分布、温度场分布、全场应力应变分布、组织性能变化规律、工艺参数对产品质量和尺寸精度的影响规律、缺陷形成方式和区域等，并且可以在零件实际生产之前最大限度地优化工艺参数，所有这些对于成功地成形复杂形状的零件并减少成形时间是至关重要的。数值模拟能够处理各种复杂工程问题，同时它也是进行科学研究的重要工具。数值模拟分析已成为替代大量实物试验的数值化“虚拟试验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以使零件加工成形做到高效率和低成本。

近20多年来，热加工工艺数值模拟技术得到迅猛发展，成为该领域的研究热点。同时，中国在全球经济发展中扮演着愈来愈重要的角色，随着全球竞争的加剧，制造流程仿真对优化制造流程的作用凸显。在国内，尤其是从近几年开始，CAE应用方兴未艾，已经成功地引进了一批以Simufact为代表的通用有限元软件，解决了众多该领域的大型工程计算难题，并且取得了一定的经济和社会效益。Simufact软件是世界领先的金属成形工艺仿真软件，于21世纪初开始在我国的航空航天、铁路运输、石油化工、机械制造、能源、汽车、电子、造船、轻工、地矿、水利等领域得到推广和应用，为各领域中产品设计、科学研究做出了一定的贡献。Simufact是一个先进的材料加工及热处理工艺仿真优化平台，辊锻、楔横轧、孔型斜轧、环件轧制、摆碾、径向锻造、开坯锻、剪切/强力旋压、挤压、镦锻、自由锻、温锻、锤锻、多向模锻、板管的液压胀形等材料加工工艺均可用Simufact进行仿真。Simufact采用的求解器包括MARC（有限元法）与DYTRAN（有限体积法）两种，具备快速、高效的求解能力。

Simufact 公司是世界知名的CAE公司，成立于1995年，其总部位于德国汉堡。公司最初主要致力于金属的热锻和冷成形仿真解决方案，之后不断汲取该领域最新的分析理论和仿真技术。2015年被MSC公司收购，之后在2017年随着海克斯康收购MSC软件及其业务部门，Simufact正式成为海克斯康智能制造产品线的重要一环。

一、本书主要内容

本书以应用为主，理论为辅，通过各种典型零件加工案例，详细介绍了Simufact的应用及其相关的技术问题。全书共17章，第1章介绍了有限元技术的发展历史与应用状况，第2章和第3章介绍了Simufact的一些常用技术与基本操作界面，第4 17章分别从管材游动芯头拉拔模拟、叶片锻造模拟、多工位冷锻模拟、冷弯成形模拟、钣金成形模拟、旋压模拟、环件轧制模拟、自由锻模拟、机械连接模拟、热处理工艺模拟、发动机连杆多工步热成形模拟、点焊模拟、热冲压成形模拟与微观组织仿真等方面介绍了Simufact的一些典型应用案例，并给出了全部操作流程与分析方法。全书由刘劲松统稿，岳峰丽、孟凡玲、邓晓婷、李旺、王素梅、张昕、苌转、冯玫、雷党萍、孙丹丹、王传辉、李仁军分别参与了本书的编写、计算、测试与校对等工作。读者通过本书的学习，可以掌握有限元法解决实际工程问题的关键技术，学会应用本专业知识分析问题、解决问题的方法，将理论分析与工程实践紧密衔接在一起。

本书既适合作为材料与机械工程专业的本科生与研究生教材，也可作为相关企事业工程技术人员的应用参考书，还可作为Simufact数值模拟分析软件的培训教材。由于本书内容广泛，不同的读者均可以从中得到收获。对于初学者，可以达到入门的目的；对一些老用户，可以从中学到一些新功能，拓展思路；对于企业工程师，可以提升应用有限元技术分析解决实际工程问题的能力。

二、本书的配套资源

本书为读者提供了丰富的配套电子资源，以便读者朋友快速学会并精通这门技术。

1. 实例配套教学视频

编者针对本书实例专门制作了配套教学视频，读者可以先看视频，像看电影一样轻松愉悦地学习本书内容，然后对照课本加以实践和练习，能大大提高学习效率。

2. 实例的模型文件

本书附带实例的模型文件。

三、配套资源使用方式

为了方便读者学习，本书以二维码的形式提供了全书实例的视频教程。扫描“云课”二维码，即可观看全书视频。

云课

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四、致谢

本书的编写得到了沈阳理工大学研究生“课程思政”示范课程建设项目与沈阳理工大学实验技术基金项目的支持，同时也得到了辽宁省普通本科高等学校校际合作项目的支持。美国MSC软件公司北京代表处、德国Simufact公司与沈阳理工大学为促进有限元技术的研究和应用，通过友好协商，在2011年达成战略合作框架协议，成功将MSC系列软件与Simufact软件引入校园教学，建立了大型CAE工程软件培训基地。其中，沈阳理工大学材料学院与汽车学院的虚拟仿真实验教学中心坚持以“以设计为主线，突出专业领域的工艺设计能力、工装设计能力、大型工程软件应用能力和工艺实践能力”的实验教学理念进行教学，学生可以多层次、全过程地应用MSC Marc、MSC Adams与Simufact等软件，模拟和仿真整个材料成形过程，进行车辆动力学自动分析等，培养了大批CAE应用技术人才。

本书的编写得到了诺世创（北京）技术服务公司的大力支持与鼓励，市场部经理郭茵、技术经理孙丹丹等对本书的编写与出版给予了大力帮助，在此致以由衷的感谢！同时，中国科学院金属研究所张士宏研究员带领下的塑性加工先进技术研究组对本书也提供了很多宝贵建议与支持，最后还应感谢在本书编写过程中给予作者支持与关心的老师和同事们！

限于作者水平有限，加上时间仓促，书中不足和错误在所难免，恳请各位读者批评指正。欢迎广大读者登录QQ群157396210或者联系1114129974@qq.com指导切磋。

2021年3月于沈阳理工大学

第1章　绪论

1.1　有限元法定义

工程技术领域中的许多力学问题和场问题，都可以归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。简单情况可用解析方法求解控制方程得到精确解，复杂情况只能用数值方法求解控制方程得到近似解。常用的数值分析方法包括有限元法、边界元法、离散元法、界面元法等，其中有限元方法是一种应用广泛的数值分析方法。

有限元方法的基础是变分原理和加权余量法，其基本求解思想是把计算域划分为有限个互不重叠的单元，在每个单元内，选择一些合适的节点作为求解函数的插值点，将微分方程中的变量改写成由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性表达式，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。采用不同的权函数和插值函数形式，便构成不同的有限元方法。在有限元方法中，把计算域离散剖分为有限个互不重叠且相互连接的单元，在每个单元内选择基函数，用单元基函数的线性组合来逼近单元中的真解，整个计算域上总体的基函数可以看作由每个单元基函数组成的，则整个计算域内的解可以看作是由所有单元上的近似解构成^[1]。

1.2　Simufact软件简介

材料加工成形模拟技术经历了几十年的发展，国际上已经出现了一批材料加工成形模拟软件。随着全球竞争的加剧，制造流程仿真对优化制造流程的作用凸显。在国内，尤其是近几年，材料成形与控制工程中的CAE应用方兴未艾，已经开始应用了一批以Simufact为代表的通用有限元软件，成功地解决了众多领域的大型工程计算难题，并且取得了一定的经济和社会效益。

Simufact公司成立于1995年，总部位于德国，是世界知名的CAE公司，致力于金属成形工艺仿真软件的开发、维护及相关技术服务。Simufact公司一直以来就是美国MSC公司的商业合作伙伴，为其金属成形工艺模拟软件提供源程序并进行开发。2005年，Simufact公司和MSC公司达成协议，在MSC SuperForm和MSC SuperForge的基础上开发出Simufact Forming软件，可以用于模拟多种材料加工工艺过程，包括辊锻、楔横轧、孔型斜轧、环件轧制、摆碾、径向锻造、开坯锻、剪切/强力旋压、挤压、镦锻、自由锻、温锻、锤锻、多向模锻、板管的液压涨形等。Simufact还具有模具应力分析、热处理工艺仿真、材料微观组织仿真、焊接仿真等专业的配套模块。在仿真过程中，Simufact软件充分考虑材料、边界条件、工件接触分离特性等一系列非线性问题，能够将实际工艺过程及特点进行高质量复现，从而获取精确的仿真结果。Simufact求解器将全球领先的非线性有限元求解器MSC Marc和瞬态动力学求解器MSC Dytran融合于一起，提供有限单元法（FEM）和有限体积法（FVM）两种建模求解方法，具备快速、强健和高效的求解能力。

1．有限单元法求解技术

Simufact既支持基于更新欧拉方法的刚塑性分析，也支持基于更新拉格朗日方法的弹塑性分析。

更新的拉格朗日方法描述的弹塑性分析在计算上虽实现起来不如刚塑性分析简便，但是可以提供弹性应力、回弹、模具膨胀和工件残余应力等结果。Simufact对非线性方程组的迭代解法是牛顿－拉夫森迭代，而求解代数方程组的方法为稀疏存储的直接解法和稀疏存储的迭代解法。稀疏存储迭代求解器具备求解效率高、精度好的特点，能够支持大规模的、复杂的金属成形分析。

2．有限体积法求解技术

Simufact不仅采用传统的有限元法求解金属成形工艺问题，还首次应用有限体积法求解高度非线性大变形问题。金属成形是高度非线性工艺过程，多数情形下毛坯形状相对简单，但最终产品的几何形状非常复杂，采用基于有限体积的材料流动模拟技术，突破了传统有限单元技术模拟极度大变形材料流动的障碍。

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采用了分辨率增强技术（RET）自动加密工件表面离散的小平面，提高对材料流动描述的精度。多道次锻造过程，跟踪材料表面的小平面数量会非常大。Simufact提供的图形界面网格稀化器，可以在两个锻造道次之间稀化材料表面小平面，使模拟速度大大加快，减少所需内存。

Simufact热处理模块可对正火、退火、淬火、回火、时效、感应加热、冷却相变等材料的热处理工艺和加工过程中的微观组织转变进行模拟仿真。可对热处理和加工过程进行热力耦合分析，充分考虑材料、边界条件、接触等非线性问题，对现实进行虚拟仿真。

Simufact软件拥有材料数据库和加工设备数据库，数据库为开放式结构，用户可以对数据库进行修改和扩展。设备数据库中包含锻锤、曲柄压力机、螺旋压力机、液压机、机械压力机和辊锻机的参数，用户也可自定义工模具的运动方式。系统提供多种材料的数据库，包括普通钢材、工模具钢、铜合金、铝合金、钛合金和锆基合金等数据库。用户可将描述弹性材料或刚塑性材料流动的选项与引入温度影响的选项组合成四种分析类型，即弹塑性、刚塑性、弹粘塑性和刚粘塑性，供用户自由选择。

Simufact软件可以同时提交多个模拟任务，无须人工干预，系统按顺序自动完成各个模拟任务，如果某个模拟过程意外终止，那么将继续进行列表中的下一个模拟任务。

第2章　Simufact模拟过程中的常用技术

2.1　材料模型

目前国内所使用的仿真软件大部分是国外软件，软件内置的材料数据库大多数都是依照国外标准，Simufact Forming材料库中对应的国外材料牌号有美标、日标、德标，Simufact Forming 16.0 sp1版本中也把我国材料标准加入了材料库中，方便国内客户选择。如果材料库中没有用户所需的材料数据，这时需要用户根据实际情况导入新的材料数据。一般来说，大多数仿真软件均可由用户自定义材料数据，在Simufact Forming中添加材料数据较为便利，主要有以下4种方式。

（1）直接导入外部材料数据，支持的材料数据格式有*.xmt、*.sf、*.mfd、*.jmt、*.jmat、*.gmt，用户可以通过材料库中的“打开”图标，直接选择相应格式的数据导入。

（2）选择材料库中的近似牌号，对性能参数曲线按比例进行缩放，修改一些性能参数，快速创建材料。

（3）新建材料数据，逐项输入材料数据参数。可以按数据点坐标逐个输入，也可以导入材料数据曲线（如*.csv表格数据）。

（4）通过扫描数据曲线图进行导入，如实验所得材料性能曲线图或参考文献中得到的曲线图。

Simufact Forming材料库中的材料，按照材料属性进行归类，主要菜单有：基本特性、化学成分、粉末特征、热学性能、力学性能、流变曲线（应力应变曲线）、各向异性、断裂、电磁性能、微观结构、相变、扩散、蠕变。对于塑性成形，必须定义的菜单有基本特性、热学性能、力学性能、流变曲线，其他菜单可以根据分析需要进行定义。下面以Simufact Forming软件的材料库为例说明材料属性。

2.1.1　基本特性

Simufact Forming材料库中的“基本特性”菜单用于定义材料的名称、内部牌号、对应的国外牌号、材料组别、应用范围、热处理状态、输入源、注释等；主要是标记说明材料，便于用户在选择材料过程中参考，帮助用户快速确定此材料是否适用于当前定义的仿真工艺；方便用户进行自定义材料的管理。基本特性不用于求解过程中的计算。“基本特性”菜单如图2.1所示。

图2.1　“基本特性”菜单

2.1.2　热学性能

“热学性能”菜单主要用于定义热导率（Thermal Conductivity）、比热容（Specific Heat Capacity），如图2.2所示。比热容和热导率是材料的内在属性，通常在做热力耦合模拟时需要用到这两个参数，可以将其定义为常量，也可以定义为曲线。定义为曲线时，可以考虑材料在不同温度下的热学性能，使计算分析更加准确，这就需要更多的材料数据。定义曲线时，可以切换“类型”为“表格”。曲线的定义方法主要有以下3种。

图2.2　“热学性能”菜单

（1）逐个输入数据点坐标。

（2）导入数据表，支持的格式有*.csv、*.asc。

（3）扫描数据曲线图，支持导入的图片格式有*.png、*.jpg、*.bmp、*.ppm、*.tif、*.gif、*.xbm。

例如，材料库中的DB.C45-HT_jmat的热导率是按照表格曲线数据定义的，考虑了不同温度下的热导率，而且在Simufact Forming材料库中考虑相变的材料，对于不同性能参数也可以考虑不同相成分的影响。单击“显示表格”按钮，即可显示定义的表格数据曲线。图2.3为不同温度下不同相成分的热导率曲线。

图2.3　热导率曲线

2.1.3　力学性能

在“力学性能”菜单中，可以输入杨氏模量（Young’s Modulus）、泊松比（Poisson’s Ratio）、密度（Density）、热膨胀系数（Thermal Expansion Coefficient），如图2.4所示。这些参数可以定义为常量或曲线。可以在“类型”中切换“常量”或“表格”。以表格形式定义可以考虑不同温度下的杨氏模量、泊松比、密度、热膨胀系数，充分考虑成形过程中温度因素的影响。图2.5为杨氏模量曲线。相变材料也可以分别考虑不同相成分之间的差异。

图2.4　“力学性能”菜单

图2.5　杨氏模量曲线

2.1.4　流变曲线

流变曲线用来定义不同温度与不同应变速率下的等效塑性应变与流变应力之间的关系。添加定义的方式主要有两种，一种是通过表格定义添加，另一种是通过塑性模型公式定义添加。通过表格定义添加（见图2.6）适用于用户掌握了材料的实验数据表或材料曲线图。可以将实验所得的曲线数据逐个输入添加或者编写成Excel的csv格式文件直接导入，也可以通过曲线图扫描导入。

图2.6　流变曲线表格参数定义界面

另外一种方式需要对材料塑性模型做进一步的研究，根据材料数据分析模型公式，基于塑性模型公式，输入公式系数进行定义，如图2.7所示。

图2.7　流变曲线塑性模型公式定义界面

在Simufact Forming材料库中，流变曲线可以根据R_p0.2与R_m进行数据的缩放。这里可以通过定义缩放系数，也可以通过定义固定的R_p0.2与R_m值，自动计算缩放系数，对流变曲线按照一定系数进行缩放。对于与材料库中的材料数据性能相近的材料，可以基于Simufact Forming材料库中的材料，复制创建材料副本，更改材料名称，进行流变曲线的缩放。

2.1.5　损伤模型

Simufact Forming中提供了“Cockrofkrof-Latham”“Lemaitre、Oyane”“Johnson-Cook”“Gurson”“Bonora”“Forming Limit Diagram”损伤模型。在定义材料损伤模型时，需要确定临界损伤、最大应力、损伤系数等公式模型系数。“Johnson-Cook”损伤模型定义界面如图2.8所示。

图2.8　“Johnson-Cook”损伤模型定义界面

2.2　热交换

Simufact Forming在定义传热时，可以分别对模具和工件定义传热，并且考虑与环境之间的热交换。模具类型可定义为不带传热的刚体模具、带传热的刚体模具、变形体模具（在考虑传热计算上，与带传热的刚体模具相同，但也考虑模具的弹性变形）。

2.2.1　模具传热

模具传热设定界面如图2.9所示，可以定义模具初始温度（Initial Die Temperature）、模具对环境的热传导系数（Heat Transfer Coefficient to Environment）、模具对工件的热传导系数（Heat Transfer Coefficient to Workpiece）、模具对环境的热辐射率（Emissivity for Heat Radiation to Environment）。通过定义不同温度下的热传导系数，可以考虑不同温度下的热传导。对于模具与工件之间的热传导，还可以通过定义不同接触压强作用下的热传导系数，更加准确地反映成形过程中的热传导。

图2.9　模具传热设定界面

2.2.2　工件传热

工件传热设定界面如图2.10所示，可以定义工件初始或重新加热温度（Workpiece Temperature-Initial or Reheated）、工件对环境的热传导系数（Heat Transfer Coefficient to Environment）、工件对环境的热辐射率（Emissivity for Heat Radiation to Environment）。

图2.10　工件传热设定界面

2.3　运动学

Simufact Forming在定义运动时，主要是从设备、模具类型、边界条件等方面来设置的。本节主要介绍这三部分的内容。

2.3.1　设备

Simufact Forming设备库中包含常用设备及自定义设备，涵盖材料加工过程中所需的大多数设备，主要有曲柄压力机、锻锤、螺旋压力机、液压机、机械压力机、轨道锻造设备与自定义设备。

1．曲柄压力机

在手动定义设备的菜单中选择曲柄压力机，需要定义曲柄转动半径R、杆长L、转速（Revolution），单位可以在对应的下拉菜单中选择切换。

2．锻锤

在锻锤设备定义中可以对空气锤、机械锤、对击锤等进行定义。需要定义的参数有最大打击能量（Maximum Energy）、锤头质量（Mass）、打击效率（Efficiency During Stroke）、最大打击力（Maximum Impact Force）、对击锤下锤头质量（Counter Mass）。

3．螺旋压力机

螺旋压力机是靠储存在飞轮中的能量带动滑块运动，从而实现对坯料的打击，需要定义的参数有总能量（Gross Energy）、最大速度（Maximum Ram Speed）、打击效率（Efficiency During Stroke）、最大打击力（Maximum Impact Force）。

4．液压机

液压机是靠液体压力来传递能量的一种锻压设备，在匀加速、匀减速运动时，需要定义初始速度（Initial Velocity）、终止速度（End Velocity）、时间（Time）；在匀速运动时，只需定义速度（Velocity）；也可基于压力-速度表进行运动定义。

5．机械压力机

机械压力机需要定义最大行程（Maximum Stroke）和转速（Revolution）。

6．轨道锻造设备

轨道锻造设备需要定义角度（Angle）和参数P/Q，参数P/Q的值决定运动的轨迹。图2.11显示了不同P/Q值表示的不同运动轨迹。

图2.11　不同轨道锻造参数下的运动轨迹

7．自定义设备

在很多情况下，设备的运动方式没有规律，Simufact Forming提供了用户自定义设备。在表驱动（平移和旋转）（Tabular Motion（Translation & Rotation））中可以定义时间/速度、时间/行程、行程/速度、力/速度、直径/速度，可以导入外部运动轨迹数据（*.csv）。

2.3.2　模具类型

模具类型（Die Type）选项可以定义特殊的模具运动控制方式，模具类型中包括三种控制方式：模具弹簧、模具被动运动和通用弹簧（一般弹簧）。

模具弹簧只能添加在模具上，而不能用于设备等其他对象上。相对于通用弹簧来说，模具弹簧只能指定一个运动方向，且模具弹簧驱动下的模具运动范围也有限制。模具弹簧有两个位置限制其运动：模型的初始位置和沿指定运动方向最大允许位移的位置。在对其进行定义时，必须定义其方向和位移、刚度与初始力。刚度与初始力可以设置为随着时间或位移而变化。模具弹簧通常用于压边圈模具以及模具、弹簧联动的模具。“模具弹簧”设置界面如图2.12所示。

图2.12　“模具弹簧”设置界面

模具被动运动可以通过设备驱动、通用弹簧、固定的方式来指定模具各个方向的平动或者转动，如图2.13所示。通过模具被动运动，可以约束模具在X、Y、Z方向的平动或者转动，也可以通过设备来定义模具在X、Y、Z方向的平动或者转动。一般在定义通用弹簧的模型、设置局部坐标系的模型、被动运动的模型中需要定义模具被动运动。

图2.13　“模具被动运动”设置界面

通用弹簧，也称为一般弹簧，可以用于各种类型的模具。“通用弹簧”设置界面如图2.14所示，可以同时定义X、Y、Z方向弹簧的控制运动以及扭矩弹簧，也可以定义固定刚度和固定初始力、刚度变化表和固定初始力、力变化表格、稳定作用。

图2.14　“通用弹簧”设置界面

2.3.3　边界条件

边界条件主要有对称平面、约束平面、固定位移、固定节点、作用力、重叠边界条件等。

对称平面用于2D模型仿真、3D对称模型建模，可以直接通过插入对称平面，选择对称平面位置进行定义。

约束平面用于约束某一平面运动，需要插入接触表定义约束平面的接触关系。

固定位移用于固定单个节点、多个节点、面上节点的固定位移，用于初始位移控制，该位移量不宜设置过大。

固定节点用于固定指定的节点，约束X、Y、Z方向的自由度。

作用力用于指定选定的单个节点、多个节点、面上的节点在X、Y、Z方向上受到的力。

重叠边界条件主要用于模具之间的装配分析，设置过盈量，分析模具过盈装配产生的模具预应力。图2.15为固定位移与重叠边界条件设置界面。

图2.15　固定位移与重叠边界条件设置界面

2.4　摩擦模型

工件与模具接触时，需要定义摩擦模型。一般情况下，工件与模具接触面的摩擦条件影响金属流动、力的分布和成形载荷。Simufact Forming提供了4种摩擦模型：库伦摩擦、剪切摩擦、库伦-剪切摩擦和IFUM摩擦。

库伦摩擦模型适用于较低接触力的成形工艺。该模型指出摩擦力与作用在接触面上的正压力成正比，且与接触面积无关，与相对滑移速度无关。其实摩擦力与相对滑移速度关系较为复杂。如果摩擦剪切应力达到临界值，工件就会沿着模具滑动。当摩擦力高于材料的剪切屈服应力时，界面将不再有相对滑移而发生黏着现象，此时的状态将不适用库伦摩擦模型。所以库伦摩擦模型不适合用于高载荷状态，应用有一定的局限。

剪切摩擦模型也称为屈雷斯加（Tresca）摩擦模型，认为摩擦力不随着正压力的变化而变化，仅与剪切屈服应力成正比。当摩擦系数为0时，即无摩擦状态；当摩擦系数取1时，摩擦力达到最大值，表示摩擦剪切应力等于材料的屈服应力，即黏着摩擦状态。剪切摩擦模型适用于高应力状态的成形工艺。

库伦-剪切摩擦模型是库伦摩擦模型和剪切摩擦模型的耦合，适合于高、低接触力同时存在的成形工艺。

IFUM摩擦类型较为真实地反映了相对滑移速度对摩擦的影响。相对滑移速度越大，对剪切摩擦应力的影响就越小，剪切摩擦应力随着相对滑移速度的增大而减小，当相对滑移速度小到一定值时，剪切摩擦应力会达到最大值。调整参数C用于调整相对滑移速度对摩擦应力的影响。常摩擦系数m与剪切摩擦系数相同，符合剪切摩擦规则，可以通过环镦粗试验确定，参数m的推荐范围是0～1，这个范围以外的值仅在非常特殊的情况下才有意义。

图2.16为摩擦参数设置界面。通过该界面可以选择摩擦模型，定义摩擦系数。此外，还可以通过输入硬度和磨损系数来定义模具的磨损，如图2.17所示。硬度的输入可以选择洛氏硬度、维氏硬度等。如果模具的硬度和磨损系数随温度的变化而变化，那么还可以通过单击按钮，分别输入不同温度下的硬度和磨损系数，或者单击按钮导入csv格式的表格。

图2.16　摩擦参数设置界面

图2.17　模具磨损设置界面

2.5　接触表

Simufact Forming默认自动设置了变形体与刚性体的接触关系，当仿真模型中有多个变形体、设置模具类型为带传热的刚性模具时，或者在一些特殊的边界条件（如约束平面）下，需要用户手动创建接触表，定义接触关系。

接触表主要可以分成4个区域（见图2.18）。

图2.18　接触表设置

区域①：体，仿真模型中定义的变形体、带传热的刚性模具、变形体模具将会出现在该区域。

区域②：与……接触，仿真模型中定义的模具、工件、对称轴、约束平面等将出现在该区域。

区域③：接触选项，在区域①中选了体以及在区域②选择了与……接触后，就可以对应在区域③中进行设置，值为0.0即使用默认值。

区域④：概览，在这里可以看到所有的接触设置参数。

接触选项中包括接触方向、接触类型、接触公差、接触偏差、近接触公差、摩擦应力极限等参数设置。一般按默认值进行设置，特定情况下可参考各个参数意义进行选择设置。

（1）方向：是指所选接触对的接触检查方向。这里需要注意：在“成形控制”→“高级”→“接触”中设置点线接触时（一般工艺的自动接触设置即是点线接触设置），这里的设置才有影响（一般选择“默认”选项即可）。

默认：将在两个方向上进行接触检查，即首先从第一主体（区域①中的体）相对于第二主体（区域②中的与……接触）的节点进行接触检查，然后从第二主体相对于第一主体的节点进行接触检查。该选项几乎适应于所有的工艺，尤其适用于可变形部件的变形接触。

自动：求解器自动确定在两个可变形体之间的接触中，哪个接触体在外边界处具有最小的单元边长，然后从该部件相对于另一个部件的节点进行接触检查。

第一到第二：与“默认”选项相比，只包含第一个方向的接触检查，没有反方向的接触检查。

仅“默认”选项为两个方向的接触检查，其他选项只包含一个方向的接触检查。

（2）接触类型：是指所选接触对的接触类型。需要注意的是，无论点对段接触，还是段对段接触，这里的设置不受其影响。

接触：定义接触类型为“接触”时，一个体上的节点是允许在另一个体上发生相对滑移的，并且在模拟过程中允许它们的接触关系解除或发生分离。

粘接：一旦定义了粘接，则从仿真开始到最后接触对是不能发生分离的，接触节点的相对位移是不可能发生的。

在峰值温度时粘接：在达到特定的粘接温度之前相当于接触，一旦到达粘接温度，则相当于粘接。这里的粘接温度默认值是材料的液相线温度（也可以手动调整）。

在峰值温度时高级粘接：接触点/段达到液相线温度后，当冷却至固相线温度时则变成粘接，这些温度值在材料的热学性能中可以查看，此时固相线温度即为粘接温度。这里的温度也可以手动设置调整。

（3）接触公差（接触容差）：这是和接触表面相关的一个参数，是指节点和物体表面接触的距离，如果节点到表面的距离在接触容差内，则认为节点与表面是接触状态。软件默认的最小接触容差是1/20最小单元边长。如果这里设置为数值0，则代表使用全局默认容差。如图2.19所示，点A在接触容差内，则该点将在软件中做“移动”到表面的动作，成为接触。

图2.19　接触容差

（4）接触偏差因子：如图2.20所示，接触偏差因子更改了接触公差的区域范围，这个因子的取值范围为[0，1]，与刚体接触的默认值是0.9，与可变形体接触的默认值是0.5。

图2.20　接触偏差因子

（5）近接触公差：类似于接触公差，在指定距离内建立电和热接触行为，常用于热处理工艺中建立空气、水、油等介质与工件的热交换等。

（6）无应力接触计算：初始接触无须计算应力，节点只投影在表面而不产生应力。

机械性能选项用于定义接触作用力与接触分离极限应力等。

（7）分离力：定义节点可以与表面分离的应力值，即分离应力阀值。当节点/段的法向应力值大于这个数值时，表示即将产生分离。

（8）摩擦应力极限:定义摩擦应力极限，即接触体的最大摩擦剪应力。如果摩擦产生的剪应力达到这个极限值，那么施加的摩擦力就会减小，使最大摩擦力不超过给定值。此参数将覆盖工艺参数中的摩擦定律中的值。

（9）摩擦系数：如果两个接触体设置了不同的摩擦系数，则这里取其平均值。在这里可以对每个接触对进行摩擦系数的设置，如果设置了这个参数，则将与工艺参数中设置的摩擦系数取平均值。

一旦在工艺中插入接触表，这个接触表将首先填充默认的接触关系。如果插入接触表之后更改了模具等，则需要检查一下接触表设置，手动定义变动后的接触关系。