MSC.SuperForge技术简介与应用展望

一、 总貌

航空航天、汽车、船舶等行业许多重要的零部件都通过锻造加工生产出来。传统锻造工艺和模具设计通常借助于反复的实物试验，周期长、成本高，而产品性能并不一定最佳。相反，锻造过程的数值仿真技术的应用越来越显示其优越性。MSC.SuperForge是一个全新的工业锻造过程仿真软件包，由功能极强的有限体积求解器和WINDOWS NT风格的易用图形界面无缝集成。

利用MSC.SuperForge的锻造仿真技术，能够大幅度减少反复试验，缩短锻造工艺开发周期，加快产品投放市场时间，增加获利。MSC.SuperForge已被成功用于全球各大著名锻造公司和零部件供应商的锻造产品开发。

二 描述

锻造是高度非线性工艺过程，需要描述材料极度的3D变形和模具与工件之间复杂的相互作用。多数情形下，锻造的毛坯形状相当简单，但最终产品的几何形状非常复杂，达到极度的材料流动通常需要分段进行，多个锻造道次完成。面对如此艰巨和复杂的挑战，MSC.SuperForge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，使这一难题迎刃而解。 滑轮锻造 传统的有限单元随体网格，随着材料变形而产生形状奇异，无法回避的网格自动重新划分技术难度很大。而MSC.SuperForge采用的固定在空间的有限体积Eulerian网格技术，描述材料相对于固定网格的流动。

材料在固定网格中的流动MSC.SuperForge把跟踪工件表面几何的曲面分网技术与表面分辨率增强技术（RET）完美结合，无需有限单元网格重划，就能保证锻造分析的精度和效率。利用这种工件表面跟踪技术，材料在Eulerian网格中的流动可以自动地封闭在一个由三角形小平面围成的封闭几何曲面中，这些小平面不是有限单元元素，而是几何元素，起到非常方便地跟踪流动材料表面几何形状的作用。

这些小平面是随着封闭在其中的材料流动而运动，而且允许作为边界参与描述模具与材料的接触以及材料的自由表面运动。 包围和跟踪材料表面的小平面而表面分辨率增强技术（RET）提供了在模拟过程中自动细化这些表面小平面的能力。在多数锻造过程中，表面小平面的不断细分能保证工件外表面的连续变化，跟踪可能会变得越来越复杂的工件几何外形。

RET允许在初始工件形状简单时用较稀疏的小平面，随着锻造过程中工件几何形状变复杂, 根据需要自动细分其外表面。与有限元方法中的网格重新划分方法完全不同，RET在求解中既不是数值问题，也不必考虑其稳定性，它是几何面而不是有限单元，因而在表面细分时没有自由度等概念，也不存在通常有限单元网格重划分时的一些由于大变形导致的求解精度及过度的CPU时间等问题。

另外，MSC.SuperForge的RET技术也提供了自动稀化表面小平面功能，一旦自动细化的表面小平面数量过多，选择表面小平面的稀化器降低小平面数量，有利于提高计算效率。

工件表面小平面的自动稀化MSC.SuperForge的这种技术特别适于用相当少的CPU时间，模拟材料流动异常复杂的锻造过程。

叶片锻造过程MSC.SuperForge能够精确模拟锻造过程，使锻造工程师了解以下工艺因素对锻造影响：

· 模具几何

· 压机特性

· 温度环境

· 润滑条件

通过锻造过程仿真，用户能够明晰整个锻造工艺过程，包括：

• 材料流动
• 模具填充度
• 飞边区域
• 缺陷或重叠
• 模具载荷
• 双连杆锻造

三 特色

• 全新的图形用户界面： MSC.SuperForge
• 采用纯 WINDOWS NT 风格的图形界面，具有同Microsoft Office应用软件类似的易用性。
• 用户如果在PC机上已经熟悉了这类应用软件，再学习MSC.SuperForge 就变得非常容易。

MSC.SuperForge专为锻造工程师设计的图形界面，使锻造过程建模、仿真、评定和结果动画处理等一系列过程尤其简单。

WINDOWS风格的图形界面MSC.SuperForge的工艺过程窗口，是以结构化方式内置各种锻造过程。这就允许用户组合用不同锻造道次创建一个新的锻造过程，通过拖放技术，易于在锻造过程中把模具和工件模型分配给不同的加工道次。

同样利用拖放技术，将材料特性、压机类型，摩擦和热传导及模型间的导热等需要考虑的各种因素分配给模具和工件。完成锻造模拟后，结果自动转入可视化和动画处理。MSC.SuperForge 真正做到把锻造建模、分析与结果处理无缝连接。

直接输入模具几何无网格分析：MSC.SuperForge 无需用网格划分程序对模具和工件的CAD几何划分网格。以STL （StereoLithography)文件格式描述的CAD几何可直接输入图形界面。用户不需要额外掌握单元划分技术。

支持MSC.Nastran 的 Bulk Data 文件 格式：这就保证能够将老版本的MSC.SuperForge 上的锻造数据库模型转换成的bdf 文件格式，传入新版本的MSC.SuperForge 继续使用。在模具表面自动定位工件，支持全自动多道次锻造从定义好的工业锻造工艺过程中选择所需的锻造工艺定义坯料、模具和周围环境之间的热交换材料库：包含4类用户可定义的冷、热锻材料模型，能够描述包括加工硬化、应变率和温度效应的锻造专用材料特性。

此外，还提供拥有60多种材料数据的材料库。通过图形界面，用户可选中材料库中的合适材料，通过拖放分配给某个工件。用户也可以自行创建新材料，丰富材料库。

定义工件和模具之间的库仑摩擦或塑性剪切摩擦模型稀化：

MSC.SuperForge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。这使得在锻造过程中材料表面的小平面数量会上升。特别是对由一系列不同模具组成的多道次锻造过程，跟踪材料表面的小平面数量会非常大。

MSC.SuperForge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。采用图形界面的网格稀化器后，模拟速度大大加快，所需内存反而减少。表面稀化的精度由用户根据可以接受的体积增/减量来定义。

锻造的横挤效应：MSC.SuperForge 改进的分辨率增强技术 (RET)能够模拟锻造过程的材料横向流动。

2D锻造仿真：MSC.SuperForge 是3D的锻造模拟软件，也提供了2D的锻造模拟能力。采用全3D分析结合对称条件，对平面应变或轴对称锻造提供更精确的模拟。用户可以随意选择2D或3D的锻造过程分析。

如果想按2D锻造分析，在图形界面的3D模型上施加平面条件即可完成2D分析。2D分析结果按3D显示。高级结果可视化和动画处理：自动输入结果文件，支持等值线、速度矢量、切片、时程曲线、动画等多种后处理功能，并且允许多窗口显示，便于结果比较。此外，诸如部件几何尺寸测量、变量数值询问等结果解释工具，也一并提供。

结果后处理在线帮助系统：在线帮助系统为用户提供如何使用图形界面和锻造过程模拟指南，例如，帮助系统的 getting started 部分和输入数据的完整描述帮助用户快速学会使用MSC.SuperForge。

四 锻造数值模拟的益处

在费用昂贵的模具制造和工艺过程确定之前，用户采用数值工具模拟锻造过程，在时间和费用上都会受益。

MSC.SuperForge帮助用户：· 减少原型试验次数 · 改进模具设计、提高模具寿命 · 减少原材料浪费 · 以更经济和快速的计算机模拟和优化，减少反复试探次数 · 缩短产品开发时间，提高产品质量 。

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