金属塑性体积成形有限元模拟—QForm软件应用及案例分析

金属塑性成形工艺是一种重要的金属材料加工方法。在汽车制造、轨道交通、航空航天、船舶

重工、国防军工、能源电力、

冶金建材等行业应用非常广泛。

本书是材料加工专业应用图书。对金属塑性体积成形有限元模拟QForm软件做到了论述全面、客观，是一本极具参考价值且能辅助相关教学的书籍。

金属塑性成形工艺是一种重要的金属材料加工方法。金属材料经过塑性加工成形工艺过程后，既能获得所需零件宏观外形，又能改善金属微观组

织性能，在汽车制造、轨道交通、航空航天、船舶重工、国防军工、能源电力、冶金建材等行业应用非常广泛。

近年来，国家对装备制造行业的发展非常重视，提出了提高基础工艺、基础材料、基础元器件研发水平

和系统集成水平等具体要求，并写入国家五年发展计划中。金属塑性成形作为基础工艺，其水平的提高具有重要的战略意义。金属塑性成形的数值模拟始于20世纪60年代，有限元法于20世纪80年代中后期得到突飞猛进的

发展。进入21世纪后，随着计算机硬件的快速发展，有限元模拟技术已经成为金属塑性成形模拟的核心方法，目前已经成为从事金属塑性成形工艺设计人员的重要工具。

QForm是由俄罗斯的QuantorForm公司于1991年

开发的一款金属塑性体积成形工艺的有限元模拟软件，可以用于分析金属成形过程，模具受力及磨损，热处理及微观组织变化，已经销售到全球35个国家和地区，被众多企业、大学和研究机构使用。

本书包括四个部

分，共19章。第1章介绍了金属塑性成形的金属学原理，包括金属的晶体结构、单晶体的塑性变形方式、多晶体的塑性变形方式等；第2章介绍了金属塑性成形的力学原理，包括应力分析、应变分析、屈服准则、真实应力

应变关系、摩擦和润滑等；第3章介绍了金属塑性成形典型工艺，包括自由锻、模锻、回转成形和特种成形工艺；第4章介绍了金属塑性成形有限元理论基础，包括弹塑性有限元理论、刚塑性有限元理论、粘塑性有限元理

论，以及锻造过程中的热力耦合分析，摩擦分析；第5章介绍了QForm功能；第6章介绍了QForm软件界面及基本操作；第7章介绍了二维轴对称模型的模拟方法；第8章介绍了多工序问题的二维三维无缝集成模拟方法及耦合

模具分析；第9～11章分别介绍了发动机曲轴、汽车铝合金三角臂及铁路货车钩尾框框体等典型锻件的锻造成形过程的有限元分析；第12～19章分别介绍了其他应用实例的分析过程，包括自由锻、轧制、辊锻、摆碾、型

材挤压、热处理、微观组织等的分析。

本书由北京机电研究所的蒋鹏、宋彤、贺小毛和北京创联智软科技有限公司的刘寒龙、崔启玉编写。其中第1～4章由蒋鹏、贺小毛编写，第5～8章由刘寒龙编写，第9～11章由

宋彤编写，第12～19章由刘寒龙、崔启玉编写。

在本书编写过程中，北京机电研究所的曹飞研究员参与了许多工作，杨勇工程师、韦韡博士提供了典型案例模拟的有关素材，燕山大学的刘鑫刚副教授、祁荣胜老师、

王玲研究生对本书第二、第四部分内容做了校正工作，在此一并表示衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中难免存在疏漏之处，恳请广大读者朋友批评指正。

编者

2015年4月

第一部
分 金属塑性成形技术基础

第1章 金属塑性成形的金属学原理 2
1.1 概述 2
1.2 金属的晶体结构和变形机理 3
1.2.1 金属的晶体结构 3
1.2.2 单晶体的塑性变形
5
1.2.3 多晶体的塑性变形 6
1.3 金属的塑性及其影响因素 7
1.3.1 金属的塑性及塑性指标 7
1.3.2 影响金属塑性的因素 8
1.4 加工硬化、回复和再结晶 13
1.4.1 加工硬化 13
1.4.2 冷变形金属的静态回复和静态
再结晶 13
1.4.3 动态回复和动态再结晶 14
1.4.4 热加工后的静态回复和静态再结晶 15
第2章 金属塑性成
形的力学原理 16
2.1 应力分析 16
2.1.1 三维坐标系的应力分量和应力张量 16
2.1.2 任意斜面上的应力 18
2.1.3 主应力和应力不变量 19
2.1.4 主切应力和最大切应力
21
2.1.5 应力球张量和应力偏张量 22
2.1.6 八面体应力和等效应力 24
2.1.7 应力平衡微分方程 26
2.1.8 平面应力状态 27
2.2 应变分析 29
2.2.1 质点的应变
状态 29
2.2.2 小变形几何方程 34
2.2.3 应变连续方程 34
2.2.4 应变增量和应变速率张量 35
2.2.5 平面应变和轴对称应变 36
2.3 屈服准则 38
2.3.1 屈
雷斯加（H.Tresca）屈服准则 38
2.3.2 米塞斯（Von.Mises）屈服准则 39
2.4 应力应变关系（本构方程） 40
2.4.1 弹性应力应变关系 40
2.4.2 塑性应力应变关系的特点
41
2.4.3 塑性变形的增量理论 41
2.4.4 塑性变形的全量理论 44
2.4.5 真实应力—应变曲线的近似表达式 45
2.5 金属塑性成形中的摩擦与润滑 45
2.5.1 金属塑性成形中摩擦的特点与
分类 46
2.5.2 金属塑性成形中的摩擦机理 46
2.5.3 摩擦系数及其影响因素 47
2.5.4 不同塑性加工方法的摩擦系数 49
2.5.5 金属塑性成形中的润滑 50
第3章 金属塑性成
形典型工艺 54
3.1 概述 54
3.2 自由锻 55
3.2.1 自由锻工艺特点及锻件类型 55
3.2.2 自由锻造工艺过程 56
3.2.3 液压机上大型自由锻造工艺特点 57
3.3 模锻
58
3.3.1 模锻的特点和分类 58
3.3.2 热模锻 59
3.3.3 冷锻 61
3.3.4 温锻 62
3.4 回转成形与特种成形工艺 63
3.4.1 辊锻 63
3.4.2 楔横轧
67
3.4.3 辗环 68
3.4.4 摆动辗压 69
3.4.5 等温与超塑性锻造 72
3.4.6 半固态成形 73
3.4.7 液态模锻 75
3.4.8 粉末锻造 76
3.5 复合塑性成形技术 77
3.5.1 热锻冷锻复合成形 77
3.5.2 铸锻复合成形 78
第4章 金属塑性成形有限元分析 82
4.1 概述 82
4.2 变分法的基础知识 83
4.2.1 预备知识 83
4.2.2 变
分原理和里兹法 86
4.3 弹塑性有限元理论 87
4.3.1 弹性力学基本方程 87
4.3.2 虚功原理 89
4.3.3 弹性问题有限单元法 93
4.4 弹塑性有限元法 98
4.4.1 弹塑性有限
元法的本构方程 98
4.4.2 弹塑性有限元的解法简介 100
4.5 刚塑性有限理论 102
4.5.1 不完全广义变分原理 102
4.5.2 刚塑性有限元的解法简介 103
4.5.3 刚塑性有限
法计算过程中的
几个问题 109
4.6 粘塑性有限元理论 113
4.6.1 粘塑性体的Markov变分原理 113
4.6.2 粘弹塑性本构关系 114
4.6.3 弹粘塑性本构方程 114
4.6.4 刚粘塑性本
构方程 114
4.7 锻造过程中的热力耦合分析基础 115
4.7.1 热传导中的基本方程 115
4.7.2 热传导中的变分应用 116
4.7.3 塑性变形和传热过程的耦合 116
4.8 疏松
材料的本构关系 117

第二部分 QForm软件介绍及基本操作

第5章 QForm软件功能介绍 119
5.1 QForm发展概述 119
5.2 QForm功能介绍 119
5.2.1 金属成形 119
5.2.2 模具模拟 120
5.2.3 热处理及微观组织 120
5.3 QForm软件的特点 120
5.3.1 前处理特点 120
5.3.2 求解器特点 121
5.3.3 后处理特点 121
第6章 QForm软件界面及基本操作 122
6.1 软件界面 122
6.2 基本操作 123
6.2.1 前处理 123
6.2.2 QDraft：2D几何编辑器 124
6.2.3 QShape：3D几何编辑器 132
6.2.4 后处理 150
6.2.5 数据库 155
6.2.6 二次开发 155
第7章 QForm的二维轴对称模锻分析 162
7.1 问题描述 162
7.2 前处理设置 163
7.2.1 添加新工序
163
7.2.2 几何 164
7.2.3 工件参数 164
7.2.4 模具参数 166
7.2.5 停止条件 168
7.2.6 边界条件 168
7.2.7 锻打及模拟参数 168
7.3 模拟和后处理 169
第8章 多工序问题的二维三维无缝集成
模拟方法及耦合模具分析 170
8.1 问题描述 170
8.2 2D镦粗工序设置 172
8.2.1 添加新工序 172
8.2.2 几何 172
8.2.3 工件参数 173
8.2.4 模具参数 173
8.2.5 停止条件 175
8.2.6 边界条件 176
8.2.7 锻打及模拟参数 177
8.2.8 模拟和后处理 177
8.3 3D终锻工序设置
178
8.3.1 添加连续工序 178
8.3.2 几何 178
8.3.3 工件参数 179
8.3.4 模具参数 179
8.3.5 停止条件 179
8.3.6 边界条件 179
8.3.7 锻打及模拟参数 180
8.3.8 模拟和后处理 180

第三部分 典型锻件工艺过程有限元分析

第9章 发动机曲轴锻造工艺分析 183
9.1 曲轴锻造工艺 183
9.1.1 曲轴锻造特点 183
9.1.2 工
艺过程 183
9.2 预成形设置 183
9.2.1 添加新工序 183
9.2.2 几何 184
9.2.3 工件参数 186
9.2.4 模具参数 186
9.2.5 停止条件 188
9.2.6 边界条件 189
9.2.7 锻打及模拟参数 190
9.2.8 模拟和后处理 191
9.3 后续工序设置 192
9.3.1 预锻设置 193
9.3.2 终锻设置 197
9.4 模拟和后处理 198
第10章
汽车铝合金三角臂锻造工艺分析 200
10.1 三角臂锻造工艺 200
10.1.1 三角臂锻造特点 200
10.1.2 工艺过程 200
10.2 预成形设置 200
10.2.1 添加新工序 200
10.2.2
几何 200
10.2.3 工件参数 201
10.2.4 模具参数 202
10.2.5 停止条件 203
10.2.6 边界条件 203
10.2.7 锻打及模拟参数 204
10.3 后续工序设置 210
10.3.1 预锻设置
210
10.3.2 终锻设置 212
10.4 模拟和后处理 213
第11章 铁路货车钩尾框框体锻造工艺分析 215
11.1 钩尾框框体锻造工艺 215
11.1.1 钩尾框框体锻造特点 215
11.1.2
工艺过程 215
11.2 预成形设置 215
11.2.1 添加新工序 215
11.2.2 其他参数 216
11.3 后续工序设置 221
11.4 模拟和后处理 224

第四部分 QForm其他
应用实例分析

第12章 自由锻分析 228
12.1 问题描述 228
12.2 前处理设置 229
12.3 模拟和后处理 232
第13章 轧制分析 234
13.1 问题描述 234
13.2 前处理设置
235
13.3 模拟和后处理 237
第14章 辊锻分析 239
14.1 问题描述 239
14.2 前处理设置 241
14.3 模拟和后处理 244
第15章 摆碾分析 246
15.1 问题描述 246
15.2 前处理设置 248
15.3 模拟和后处理 251
第16章 型材挤压分析 254
16.1 问题描述 254
16.2 前处理设置 255
16.3 模拟和后处理 259
第17章 热处理分
析 261
17.1 问题描述 261
17.2 前处理设置 264
17.3 模拟和后处理 267
第18章 微观组织分析 269
18.1 问题描述 269
18.2 前处理设置 270
18.3 模拟和后处
理 271
第19章 环轧分析 273
19.1 问题描述 273
19.2 前处理设置 273
19.3 模拟和后处理 277
参考文献 279

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