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1、simufact 钣金冲压及焊接一体化仿真钣金冲压及焊接一体化仿真 Simufact.forming 钣金冲压及焊接一体化仿真整体解决方案 西模发特信息科技（上海）有限公司 2014年 1 月 27日 一、钣金冲压及焊接一体化仿真软件购买的必要性一、钣金冲压及焊接一体化仿真软件购买的必要性 现实钣金冲压生产过程中大部分零部件都通过先冲压后焊接装配加工生产出来，首先，影响以上工艺的因素众多。这些参数均会对零件本身产生影响，如果工装设计或工艺参数不合理，将会导致产品出现缺陷，造成人力和物力资源的浪费。传统的冲压及焊接工艺工装设计主要依据经验数据，工作量大、周期长、效率低、费用高、缺少科学性和预见性

2、。我们通过实际的物理实验，往往需要多次实验才能得到较为合理的工装设计和工艺参数，对人力和物力的消耗极为巨大。随着计算机技术在仿真领域中的广泛应用，材料加工过程的数值仿真技术也越来越显示出其优越性。对冲压及焊接过程进行计算机模拟，可从以下几个方面显著地减少能耗和节约资源：（1）减少物理实验次数，节约能源及相关人力物力，提高工作效率（2）减少因物理实验或工艺不当造成的材料和模具损耗（3）减少工时（4）优化工艺路线，减少工艺步骤（5）缩短新产品研发时间，加快产品上市步伐（6）降低废料率，减少资源耗费（7）人力资源，在实际零部件的生产中，往往是多种工艺混合使用，从原材料到成品往往是一个工艺链，特别是结

3、构件中的主要结构件，对产品质量要求极为严格，如果工艺链中的任何一种工艺出了问题，均会对最终的产品带来质量问题。而以往的仿真软件无法对产品加工的工艺链仿真，只是局限于某一种工艺。这种简化的模型由于没有考虑前一步工序的影响，将会导致计算结果与实际结果存在较大误差。而德国 Simufact 公司开发的 simufact 钣金冲压及焊接工艺一体化仿真平台可以对钣金冲压及焊接进行模拟仿真，不同工序数据可以无缝链接，极大的提高了仿真模型与实际工艺链的吻合性及仿真的精确度。为了提高贵厂在材料加工工艺设计优化方面的效率，缩短设计周期，减少成本，通过利用德国 Simufact 公司的专业的钣金冲压及焊接一体化工

4、艺仿真模拟软件 simufact 软件进行计算机仿真，使得工装和工艺参数的设计由经验型向科学计算型转变，提高材料加工工艺装备设计的科学性和精确性。在现有生产工装不变的前提下，实现提高产品质量的目的。simufact 全工艺链仿真 下图为两个零件先冲压，然后焊接装配的一体化仿真案例，如图所示，当不考虑冲压工艺影响时，计算出的应力与变形分布与考虑冲压成形影响的计算结果完全不同。经过对比 Z向变形可以发现，两种结果相差大约 3倍。（a）不考虑冲压成形影响（b）考虑冲压成形影响 焊后塑性应力 （a）不考虑冲压成形影响（b）考虑冲压成形影响 焊后变形 Z向变形对比表 下图为拼焊板压弯案例，两块板先经过激

5、光焊接，然后进行压弯。如图所示，可以看出，整个工序成形完成后，最大应变出现在焊缝与成形模具接触处。而不考虑焊接的影响时，最大应变并不是出现在该处位置。等效应变分布 综上所述，如果不考虑前一步工艺的影响，仿真结果必然不精确，给仿真带来极大的误差。因此，我们极有必要在实际仿真时考虑上一步工艺对下一步工艺带来的影响。因此，仿真也应该按照实际工序进行一体化仿真。另外，实际结构中重要的钣金类结构件均为有一定厚度的中厚板材冲压而成，如果使用壳单元或膜单元仿真，势必对结果带来一定影响，比如：形状、应力、应变差值计算不精确。如下图所示，对于有一定厚度的板材、管材进行仿真时，最好使用实体单元进行建模仿真，这样对

6、于变形后零件的形状、零件中应力及应变等变量的差值计算有较高的精度。二、钣金冲压及焊接一体化仿真软件的组成部分和技术要求二、钣金冲压及焊接一体化仿真软件的组成部分和技术要求 2.1、钣金冲压及焊接一体化仿真软件的主要组成部分、钣金冲压及焊接一体化仿真软件的主要组成部分 目前有限元工艺仿真软件主要由三部分组成，包括用户界面（GUI）、求解器及相关数据库，这三部分也直接决定了软件是否易用、求解是否稳定且精确及数据库是否全面，这三部分的主要功能如下：1、用户界面（GUI）：用户操作界面，用户可使用软件界面进行自由锻工艺仿真有限元模型的建立，包括相关边界条件定义、几何模型导入、后处理结果查看等功能。2、

7、求解器（solver）：在整个软件中担负计算功能，负责对前处理建立好的有限元模型进行计算并得出计算结果。3、数据库：主要为材料数据库，设备数据库及边界条件等数据库。2.2、钣金冲压及焊接一体化仿真软件的主要技术要求、钣金冲压及焊接一体化仿真软件的主要技术要求 对于钣金冲压及焊接工艺仿真，要求软件能实现以下功能，从而帮助我们提高效率、节约材料、优化人力物力配置，提高产品精度、优化工艺：1、软件应采用 windows 风格界面，易学易操作，软件应包括前处理模块、求解器模块和结果显示模块。2、软件应包含常用的钢材及有色金属等热处理模拟所需参数的材料库，并可以进行自定义材料库的扩充。且软件可以考虑材料

8、不同相成分的不同属性，使模拟结果更加精确。具有和材料分析软件 JMatPro的接口，可将 JMatPro的材料数据导入进行模拟分析。3、软件应能够进行全工艺链仿真，如：冲压工艺模拟的结果可以用于焊接工艺的仿真，方便进行一体化工艺模拟。4、具有钣金冲压、锻造及焊接等专业仿真模块，便于用户完成钣金冲压、锻造及焊接材料加工工艺的材料非线性和接触边界非线性仿真分析，为工艺参数的制定和工装的设计提供相应指导。预知加工结果（成形后的形状、材料的流动情况、预测相关缺陷）、优化成形工艺、预测加工过程中的组织转变、预测设备所受载荷。5、软件应可以进行冷成形及热成形模拟，整个模拟过程均考虑热传导，包括工件与空气、

9、工件与工装模具、工装模具与空气间的热传导。6、软件可以进行四面体网格、六面体网格、实体壳单元的划分和重划分。具有筒形回转体六面体网格自动划分专用工具。软件具有实体/实体壳单元可以对中厚板冲压及旋压进行精确模拟。7、热分析过程，包括结构热传导及外界环境的热对流和热辐射 8、软件可以考虑焊接及热处理过程中的夹具及装卡条件，如：完全固定，支撑及受力等装卡条件。9、软件可以采用 CCT及 TTT曲线对热处理工艺中的相变过程进行仿真，从而预测工件在热处理后的组织性能。10、软件可以对模具定义弹簧，包括单个刚体上作用的弹簧，比如冲压工艺中的压边圈，也可定义刚体之间的弹簧。11、软件应能进行气保焊、氩弧焊、

10、激光焊及电子束等常见焊接工艺的仿真，且软件根据实际焊接工艺流程开发，具有中文界面，简单易用。12、软件应能方便定义多个焊接机械手模型，每个焊接机械手均可以根据用户需求自行定义不同的焊接路径，且工艺间隙、传热和焊接时间、方向、路径等均可以通过程序进行修改。焊接路径及热源方向能在全局或局部定义并在立体图上通过箭头显示。13、软件应能对搭接焊进行仿真，考虑搭接焊时的接触非线性。14、软件应能对焊缝热影响区网格进行自动细化，对于大型结构，细化后的网格可以在计算过程中随着温度的降低自动粗化。15、软件对于传统低热流密度的焊接方法（如 SMAW,GMAW 等）可采用双椭球热源模型。16、软件对于高能束焊接

11、方法（如 EBW,LBW 等）可采用圆柱体热源模型（面体组合）。17、软件的热源模型可以组合使用，且热源可以自动定位到焊缝表面。18、软件不需要网格节点匹配。19、软件可以导入实际焊接夹具模型，并可以考虑夹具于焊接构件之间的热传导。20、软件对于非线性问题（几何、材料等）计算，应具有良好的收敛性，并能由用户来进行运算模型和时间步长的调整。21、软件应能考虑材料加工过程中的大应变、大变形等非线性行为。22、软件求解器应包含：直线迭代法求解器、稀疏矩阵求解器、混合迭代求解器、多波前法直接迭代求解器、共轭梯度迭代求解器、并行直接稀疏矩阵求解器等多种求解器。23、软件应具有强大的后处理显示功能，并能满

12、足如下要求：可以分不同时间段在不同节点、单元、高斯节点上显示不同的计算结果，并能将模拟结果以图片和动画方式保存。可以制作任意结点处的各种结果曲线，并能将数据导出为 excel 格式进行处理。可以显示残余应力、各向分应力、切应力、各向变形、总变形及温度场结果。24、软件应支持 WINDOWS 2000/XP/2007 等主流操作系统 25、软件可以运用 Fortran 等语言进行软件的二次开发。三、三、Simufact 材料加工一体化仿真软件整体解决方案材料加工一体化仿真软件整体解决方案 3.1 德国德国 SIMUFACT ENGINEERING 公司介绍公司介绍 SIMUFACT ENGINE

13、ERING 公司是世界知名的 CAE软件及咨询服务公司，成立于1995 年，总部位于德国汉堡。核心业务是金属成形、焊接及热处理工艺仿真软件的开发、维护及相关技术咨询服务。公司不断汲取该领域最新的分析理论和仿真技术，引领全球金属成形工艺模拟技术的最新发展方向。SIMUFACT 公司一直以来就是美国 MSC.Software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 年收购 MSC.Software的MSC.Maufacturing（即以前的 MSC.Superform 和 MSC.Superforge）软件，并在此基础上经高度整合研发出 Simufact.form

14、ing及 Simufact.welding软件，产品性能极大提升，使得高度复杂的金属成形工艺链仿真成为现实，标志制造业模拟仿真新时代的来临。SIMUFACT 公司在全球各地拥有分公司以及办事处。SIMUFACT 在中国的唯一总代理，西模发特信息科技（上海）有限公司，拥有独立的技术支持和售后服务能力，其专业的 CAE技术人员和 SIMUFACT 全球技术研发和技术支持人员共同为国内外客户提供优秀的技术支持服务。3.2 Simufact 材料加工一体化仿真软件介绍材料加工一体化仿真软件介绍 Simufact.forming及 Simufact.welding是由德国 Simufact 公司和美国

15、MSC.Software 公司达成协议，基于 MSC.Superform 和 MSC.SuperForge 的基础上开发的独立软件。Simufact.forming 主要用于锻造、钣金冲压、旋压、挤压及热处理，Simufact.welding主要用户焊接工艺的仿真。Simufact 软件可以进行材料加工一体化仿真，数据无缝链接，软件的主要功能包括：锻造工艺仿真 Simufact 软件可以对模锻、挤压、辊锻、楔横轧、孔型斜轧、环件轧制、挤压、锤锻、多向模锻等工艺进行仿真 钣金冲压仿真 Simufact 可以对传统钣金冲压拉伸、中厚板成形、钣金热成形工艺及管材成形等工艺进行仿真。焊接工艺仿真 可对

16、气保焊、氩弧焊、激光焊及电子束等常见焊接工艺的仿真，用户只需定义简单焊接工艺参数即可进行焊接仿真。并可以考虑成形及热处理的影响。工艺参数优化 工艺参数优化。工装优化 可对实际工装进行优化。温度场分析 热力耦合计算，温度场预测分析。应力应变分析 工件加工时不同部位应力应变分析。设备吨位分析 设备吨位及模具各向受力分析。相变分析 可对热加工及热处理过程中的相转变进行分析。硬度分析 可对热加工及热处理完成后工件硬度进行分析。3.3 simufact 软件工作原理软件工作原理 结果分析 计算 相关参数设置 几何建模 修改工装设计，重新计算 修改工艺参数，重新分析 通过 CAD软件建立几何模型，然后导入

17、 simufact 软件中。设置好相关参数如：工艺参数（转速、压下速度、压下量、摩擦等）、材料性能参数（材料数据库中选择/手动添加新材料）、其它计算控制参数等。然后提交给计算机进行计算。计算完成后，通过后处理分析计算结果。能否正确成形。如果不能，我们需要返回重新设计工艺参数，然后进行计算分析。通过在计算机上进行多次仿真，便相当于做了多次的物理实验，结合实际工程经验。我们便可以很快得出合理的工装设计和工艺参数匹配。3.4 simufact 国内客户成功案例国内客户成功案例 3.4.1 钣金成形案例钣金成形案例 厚板成形模拟单元：实体单元/实体壳单元 优点：相对壳单元与膜单元计算要更加精确 适用：

18、厚度大于 2mm “通过实际使用及与实际对比发现 simufact.forming中厚板冲压模拟计算结果和实际生产呈现的结果基本一致，simufact 采用实体单元进行中厚板钣金成形模拟，相对于壳单要精确。”某汽车零件厂工艺部门工程师 3.4.4 焊接案例焊接案例 有限元模型:材料：16MnCr5，常温屈服应力约为 400Mpa左右。焊接两个零部件相连处的三道焊缝 焊接工艺及参数：采用机械手进行焊接，焊缝之间移动时间约为 8S，整个焊接过程约为 650S。焊接参数：焊接电压：30V，焊接电流 150A，焊接速度 400mm/min；图 21为建立的焊接仿真模型。图 9为建立的焊接仿真模型 为了

19、分析 3条焊缝采用何种焊接顺序焊后变形最小，我们需要计算不同焊接顺序合焊接方向。经过初步分析，一共三条焊缝，同时考虑焊接先后顺序和焊接方向时，一共有 24种不同的工艺。如图 10 所示，如图 10(a)表示的焊接工艺，先焊“1”，然后顺时针依次焊接“2”和“3”，焊接方向按照顺时针为“+”，逆时针为“-”，我们就将这种工艺表示为：“123”，以此为标准。如图 10(b)所示的工艺，先焊“2”，方向为逆时针，因此表示为“-2“。然后顺时针焊“1”，最后顺时针焊“3”。就表示为：“-213”。2-2 3 1 3 1 （a）123（b）-213 图 10 焊接顺序和焊接方向示意图 在 Simfact

20、.welding中，焊接宏观分析主要有三方面，即焊接残余应力分析、焊后变形分析和焊接温度场分析。在工程上，前两种分析更为重要，更具有实际意义。通过分析不同方向的应力和变形我们可以选出最优的焊接工艺方案。图 11各图显示了不同采用不同焊接工艺焊接完成后构件上 Y方向的焊接残余应力分布。从各图中可以看出，Y向应力较大区域基本上集中于序号“3”的焊缝周围。序号“2”焊缝周围较小，序号“1”焊缝周围受力很小。其中连接板和管材靠近焊缝处受到-Y方向的应力（图中蓝色区域），根据采用的工艺不同，在-330Mpa左右。而焊缝周围则主要受到+Y向的应力，根据采用的工艺不同，大多数均稳定在 470Mpa左右。构件

21、其余地方的应力基本上较低，均保持在 50Mpa左右。由于序号为“3”和“2”的焊缝周围受到沿 Y正反两个方向的较大应力作用。因此可得，无论采取何种工艺进行焊接，构件沿 Y方向的破坏主要发生在序号为“2”和“3”的两个焊缝周围。（限于篇幅，没有列出所有图片）（123）（132）图 11 Y向应力分布云图 由图 12可以看出，采取不同工艺时，构件上出现+X向（图示红色区域）和-X向（图示蓝色区域）变形。（限于篇幅，没有列出所有图片）（123）（132）图 12 X方向变形分布云图 表 1为各向应力和变形的最大值汇总。从表中我们不难看出，经过观察发现 X、Y、Z向较大变形量在表中用红色字体标出。然后

22、对相应的工艺进行排除。经过对比发现工艺“-231”和“-23-1”焊接完成后，构件中各向变形及总变形在这 16种工艺中是较小的。但是进过前面应力的分析结果，我们发现采取工艺“-231”焊接后构件中的应力较工艺“-23-1”焊完后的应力要大。综合考虑分析，工艺“-23-1”在 24种不同工艺中是最为合理的。表 1和 2 为各向应力和变形的最大值汇总 通过各向应力和变形的分析，我们得出工艺“-23-1”（图 25所示工艺，先逆时针焊标示为“-2”的焊缝，然后顺时针焊标示为“3”的焊缝，最后逆时针焊标示为“-1”的焊缝）焊后，构件的变形及应力最优。除焊后构件上各个方向上变形的分布之外，图 13显示了

23、焊接完成卸载后构件的总体变形情况，放大系数为 20 倍。网格为构件的原始形状，从对比图中可以看出，上述各个方向变形的综合效果是使得连接板向上移动，开口部分有分开趋势，管材左端上翘，三角底板左右两端均向左侧变形，但左侧变形量大于右侧。最大变形量约为 1.08mm 左右。出现在连接板开口处，编号为“2”的焊缝下侧，如下图红色区域。-2-1 3 (a)最优焊接工艺示意图(b)最优工艺变形趋势图 图 13 最优工艺示意图 由此，我们根据 Simfact 中焊接模块预测了构件焊后的变形情况，再配合少量试验即可对焊接工艺进行优化，控制构件焊后变形。某汽车厂焊接工艺工程师 3.5 simufact 硬件参考

24、配置硬件参考配置 综合考虑性能，价格因素，以下类似的系统可作为软件的硬件运行环境：HP Z800（Xeon X5650*2/32GB/4000GB）CPU主频：2.66GHz CPU型号：Xeon X5650 CPU数量：2颗 主板芯片组：2个 Intel 5520 内存大小：8GB 最大内存容量：192GB 硬盘容量：2TB.光驱类型：DVD 显卡芯片：nVIDIA Quadro 3.7 售后服务能力介绍售后服务能力介绍 本地化的培训与技术支持，西模发特信息科技（上海）有限公司配备专职技术支持工程师，进行产品的售前售后咨询与培训(使用语言中文)。技术支持的目的是为用户提供关于本产品的相关技术

25、支持与服务，以便用户在使用授权产品解决工业实际问题时发挥最佳功效。西模发特信息科技（上海）有限公司提供如下几种方式的技术支持:远程支持：第一步：通过电子邮件、电话热线和网络远程提供疑难解答;第二步：利用电子邮件、FTP 传输、磁盘、网盘等交换电子文件，提供解答。回复时间：承诺在 3个工作日内针对用户的问题提供与软件相关的计算机模拟解决计划或解决方案。现场支持：现场支持所包括的内容有：在以上二种远程支持方法都不足以解决贵公司的问题时，双方可商量由西模发特信息科技派遣专业工程师赴贵公司现场进行技术支持。更进一步的技术支持：更进一步的技术支持包括高级技术培训，版本升级培训，客户界面等。由贵公司提出并

26、由双方对派遣人员收费、开销等参照本协议的相关条款进行讨论同意后个别实施。对于一般问题，将在一个工作日内负责答复；如果不能在 24 小时内处理解决的，将在 24小时内给出最终处理期限。对于复杂的问题处理，依托中国本地公司/技术研发中心及国外技术队伍，给出最终的处理方案。提供技术支持的主要方式有：26、远程支持；27、现场支持；28、更进一步高级技术培训，版本升级培训。免费的软件升级维护服务 对新购买 License的用户提供 12个月内免费升级。在合同签字后，最终用户能获得自验收合格之日起 12 个月的产品维护、升级服务，无需支付任何费用。详尽的培训计划 西模发特信息科技为用户提供详尽的培训计划

27、。根据用户的实际现状，为用户量身制定详细地培训计划，具体培训内容由用户提出构想，经过双方协商沟通后进行制定。四、结论四、结论 通过以上分析发现，德国 SIMUFACT 公司的材料一体化仿真模拟软件具有以下优势：1、软件操作界面：simufact.forming软件采用 windows风格界面，界面简洁，操作简单。能够满足我厂技术人员的使用要求。2、软件材料数据库：simufact.forming软件不仅具有丰富的钢、铁以及有色金属合金的材料数据库，还可以自己定义扩展材料数据库，并且与著名的材料数据计算软件Jmatpro 有数据接口，完全能够满足我厂材料数据要求。3、一体化工艺仿真：目前，其它仿

28、真软件大多数只能实现一种或几种工艺类型的仿真，而实际零件加工过程为多种工艺相结合的过程，目前，大多数用户由于以往已经采购了不同类型的专业软件，只能自己开发多个不同软件之间的接口，但是由于软件的国别、厂商、求解器、编码方式及底层数据的不同，给开发相应的接口带来了极大的困难。Simufact 软件专门针对材料加工的相关工艺开发，来自于制造工艺发达的德国，可以实现材料加工的一体化工艺仿真。4、软件求解器：simufact.forming求解器基于世界著名的非线性求解器 MARC 开发，包含直线迭代法求解器、稀疏矩阵求解器、混合迭代求解器、多波前法直接迭代求解器、共轭梯度迭代求解器、并行直接稀疏矩阵求

29、解器等多种求解。保证了求解的精度。5、兼容扩展性：simfuact.forming软件功能强大，可以实现锻造、挤压、轧制、折弯、冲压、旋压、热处理及焊接等工艺的仿真。Simufact.froming软件可以使用 Fortran语言进行二次开发。并且 simufact.forming软件与其他铸造软件拥有数据接口，从而方便地进行材料加工一体化仿真。6、国内成功案例：simufact.forming软件的钣金冲压、旋压、热处理及焊接求解功能已经在国内如洛阳 014 基地、中国二重、太原重工、中信戴卡、一汽富维、东安航空发动机等客户得到了有效地验证，得到客户的一致好评。进一步保证了软件在材料加工一体

30、化工艺仿真方面的功能可靠性。7、软件供应商：simfuact.forming软件是由世界著名的材料加工工艺仿真解决方案供应商-德国 SIMUFACT 公司开发，德国 SIMUFACT 公司成立于 1995 年，多年来一直专致于材料加工工艺仿真模拟的研究。SIMUFACT 公司拥有强大的技术开发及技术支持能力，并且全球各地拥有分公司和办事处。SIMUFACT 公司在全球拥有众多成功用户。8、中国唯一总代理：西模发特信息科技（上海）有限公司由 CAE 行业资深专家李光杰先生和德国 SIMUFACT 公司合作于 2012 年 12月创立，专注于工艺仿真软件的推广和技术支持。西模发特具有软件销售及坚强的技术支持能力，保证了 SIMUFACT软件的技术支持和售后服务。综上所述，通过对软件的易用性，求解器稳定性与精确性、相关数据库、国内成功案例以及供应商情况的介绍，Simufact.Forming软件具有简洁的操作界面，采用改进的 MARC 求解器，计算过程稳定、求解结果精确，同时具备开放性的数据库。因此，推荐贵厂采用 Simufact.Forming软件作为材料加工一体化工艺仿真软件。