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有限元法是随着计算机硬件技术及其相关软件技术的发展而迅速发展起来的一种现在数值计算方法。它在金属塑性加工领域的出现开始于上世纪 70 年代。近 40 年的发展使得有限元法成为方法种类较为齐全、软件功能丰富、工程应用广泛,其中刚塑性有限元法的应用与发展尤为显著。
金属塑性加工是金属加工的一种重要工艺方法,它不仅生产效率高、原材料消耗少,而且可以有效地改善金属材料的力学性能和组织。而且塑性加工作为制造业的一个重要分支,广泛地应用于制造业。据统计,全世界四分之三的钢材需要经过塑性加工,在发展迅猛的汽车业 60%以上的零件是锻件跟冲压件,在其他比如航空、船舶以及军工等工业生产行业也占有相当比重。
塑性加工工艺模拟时采用的分析方法大致分为三类:(1)解析法,主要包括主应力法(切块法)、滑移线法以及上限法,它们均属于塑性力学中的经典解法;(2)实验与解析综合法方法,有相似理论法跟视塑性法;(3)数值法,它的产生是由于电子计算机的发展和应用,其中包括有限元法、有限差分法和边界元法。随着计算机的快速发展和广泛应用,数值模拟已经成为研究金属塑性成形工艺及理论的重要工具。在数值分析方法中,解析法和实验/解析法在实际应用过程中均有很大的局限性,而在数值法中有限元法又是最为广泛且有效的分析方法。有限元法与其他塑性加工模拟方法比较,有很强的功能,而且精度非常高,解决问题的范围也最为广泛。它可以依靠不同大小、形状以及类型的单元来离散任意形状的变形体,不仅能方便地处理塑性变形过程中的热传导问题,而且能很好地模拟金属成形过程中不同区域的变形情况,得出变形过程中任意时刻的位移场、速度场、温度场以及应力应变场等力学和流动信息。