SuperForm 是一個專用的製造過程仿真軟體。它套用了最佳化體成型過程的一種突破性的技術。它是市場上最成熟的鍛造過程與製造過程的仿真工具。SuperForm具有二維、三維熱機耦合分析、損傷分析、成型仿真等功能；並將材料資料庫、設備運動控制庫等集成為一體。SuperForm 由支持創建工藝仿真模型、處理分析結果的互動式圖形界面和分析求解加工過程溫度、變形、成型力的求解器高度集成，無縫連線。SuperForm 的圖形用戶界面以MSC.Mentat 選單設計思想為基礎，精簡了與塊體成型無關的其它場問題界面，專門設計了按體成型過程的工藝術語和流程創建分析模型、處理分析結果的相應選單，是為滿足體成型行業的特殊要求而專門設計的。SuperForm獨家擁有的三維六面體格線自動劃分及自動重劃分功能和對高度非線性問題的快速求解能力，使其成為名符其實的全三維、全自動、高效精確的體成形仿真軟體。SuperForm不斷的擴充和完善，已成為全球著名公司如Mercedes Benz, GKN Automotive, Hirschvogel Umformtechnik, Philips, Leiber, Mannesmann, Manshadi & Kolev, Wieland Werke 等開發新產品、設計新加工工藝不可缺的必備工具。
基本介紹
- 中文名：SuperForm
- 分類：仿真軟體
- 套用：最佳化體成型過程的一種突破性技術
- 使用：開發新產品、設計新加工工藝
功能,分析類型與材料模型,接觸,單元技術,載入步長自動控制,網路自適應技術與自動重劃分,求解技術,2D-3D分析自動過渡,結構分析,用戶子程式,
功能
在SuperForm界面中建立的各種加工工藝過程的仿真分析模型都需由求解器模組分析完成。SuperForm的求解器是快速處理二維和三維鍛造、擠壓、軋制過程中大變形/大應變幾何非線性、材料非線性和接觸邊界非線性組合在一起的高度非線性求解器。支持的材料模型包括基於Von.Mises屈服準則和各向同性硬化的彈塑性模型以及不考慮彈性影響的剛塑性模型。並可考慮材料的應變率敏感特性和材料參數的溫度敏感特性。對熱
加工工藝，用全耦合的熱-結構分析處理塑性變形生熱和摩擦生熱問題，並且考慮大變形幾何非線性對熱邊界和力邊界條件的影響。可處理由相變引起的潛熱和接觸傳熱等非線性熱傳導邊界條件。同時提供了豐富的材料資料庫可供用戶選用。用戶也可為自己的專用材料創建資料庫備用。由於採用特殊的單元技術和快速的方程組求解方法，分析過程的求解速度快、精度高。SuperForm求解器支持的格線自動重劃功能，使得鍛造分析無需人工干涉自動完成。
以下從分析角度介紹SuperForm 求解器的功能和特色。
分析類型與材料模型
在工藝仿真中，常用兩類方法模擬金屬流動。用剛塑性模型模擬金屬流動更新的歐拉方法描述，無疑是數值上最為有效的方法。但它忽略了材料在加工初始階段和卸載期間的彈性變形，以及無法考慮工件的膨脹，使分析結果存在精度上的損失。以更新的拉格朗日方法描述的彈塑性分析在計算上雖有較多繁瑣中間環節，而且數值上實現起來不如剛塑性分析簡便，但可提供彈性應力、回彈、模具膨脹和工件殘餘應力結果。採用彈塑性分析獲得的成型工件殘餘應力，在分析模擬成型工件的熱處理，或成型工件進入使用狀態的靜動力分析中是非常重要的初始條件。SuperForm既支持基於更新歐拉方法的剛塑性分析，也允許完成基於更新拉格朗日方法的彈塑性分析。
鍛造加工的實踐表明，對體成型仿真常常需要納入溫度的影響，以便考慮材料性質隨溫度變化，或者引入摩擦生熱、塑性功生熱和工件向環境熱耗散等諸多因素的影響。只有採用了依賴於溫度變化的屈服應力，才可以期望正確地描述工件局部硬化。在冷鍛工藝仿真中，考慮溫度對材料性質的影響，有助於精確預測材料流動、開裂、最後形狀和材料體積。SuperForm將描述彈性材料流動或剛塑性材料流動的選項與引入溫度影響的選項組合成四種分析類型，即彈塑性、剛塑性、熱彈塑性、熱-剛塑性，供用戶自由選擇。
接觸
在像體成型這類壓力加工過程中，工件與模具、模具與模具之間的相互作用是通過接觸算法考慮的。SuperForm繼承MSC.Marc軟體所擅長的基於直接約束的疊代法處理接觸問題，為加工工藝仿真提供了包括變形接觸體、剛性接觸體，允許傳熱的剛性接觸體和對稱面等多種接觸體定義。SuperForm的接觸算法能夠完全自動地控制工件與模具之間的接觸。通過按表格或函式形式給定的模具隨時間變化的空間位置，來自動施加約束，驅動自動接觸分析。對於有多個模具依次參與加工的多步成型，只需逐組模具分別定義，這種自動的接觸分析便可以使各步成形自動銜接。
鍛造工藝經常需考慮工件與模具的傳熱，利用SuperForm 的接觸分析與熱傳導分析的耦合功能，完成這種接觸面間熱交換的熱接觸分析。
摩擦力的影響在體成型分析中極為重要。SuperForm的接觸摩擦支持的摩擦模型有經典的和修正的Coulomb摩擦、剪下摩擦和軋制摩擦。接觸摩擦算法的處理方法有兩類：一類是將靜摩擦到滑動摩擦的突變簡化成光滑過渡的數值處理，對滑動摩擦模擬的效果較好；另一類是真實地模擬靜摩擦與滑動摩擦之間突變的數值處理方法，能精確模擬粘性摩擦。
SuperForm接觸算法具有探測自身接觸的能力，用於模擬工件加工過程中流動受阻出現的重疊十分有效。
SuperForm接觸算法本身並不限制接觸面相對滑動大小和接觸面的變形量，與格線自動重劃技術和時間步長自適應控制技術的完美結合，使其特別適於分析體成型類具有很大材料流動的接觸分析。
單元技術
SuperForm提供了專門分析塊體成型的單元，如三角形/四邊形的平面應變、軸對稱和四面體/六面體的三維實體單元。這些單元都經過改進，具有比常規等參元更精確、更穩定的特徵。例如，包含內部自由度的低階單元可以模擬彎曲變形。對於進入全塑性後材料的近似不可壓縮性，這些單元能夠模擬出相應的不可壓縮位移模式。單元的數值積分可採用常規全積分或帶有沙漏控制的減縮積分方案。
載入步長自動控制
分析過程中可以採用固定時間步或固定位移步的等步長控制載入，也可採用自適應步長控制載入，有兩類自適應步長控制：一類是基於塑性應變增量控制的自動步長控制；另一類是允許同時滿足多種變數（應變增量、位移增量、應力增量和塑性應變增量）約束的自動步長控制。採用這些自適應的載入步長控制技術處理接觸和有限塑性變形組合的高度非線性問題,表現出很好的疊代收斂性和求解精度。
網路自適應技術與自動重劃分
在SuperForm中採用的全自動格線自調控技術，可避免在追蹤過大的材料流動過程中，因試圖改善格線畸變而採取的繁瑣的手動格線重新劃分操作。
SuperForm增強的格線自動重劃分技術不但能依據分析的需要自動調整格線的疏密，還能對因過度變形產生的畸變格線自動的重新劃分，以消除格線畸變對求解精度的影響。
實際分析中僅靠這樣的格線重劃並不能完全保證分析不至於因單元畸變而中斷。因為SuperForm不限制增量步內變形大小，所以當某一個載荷步長較大，進行增量步內的平衡疊代時可能會產生嚴重的格線畸變導致分析被迫中斷，這表明計算這個增量步前，有必要提早重劃格線。對此情形，SuperForm提供的另一項保險措施是只要激活了從計算中斷處重起動的選項，程式便會自動恢復到中斷的前一個增量步,並在該增量進行格線重劃，然後繼續分析。從而保證計算的順利進行。
SuperForm的自動格線重新劃分與自適應載入步長控制的完美結合，能夠保證體成型的加工分析由始至終，自動進行直到仿真結束。
求解技術
用有限元法分析體成型問題時，會最終落實到求解以單元節點的位移，溫度為自由度的非線性代數方程組。SuperForm對非線性方程組的疊代解法是牛頓-拉夫森疊代。而求解代數方程組的方法為稀疏存儲的直接解法和稀疏存儲的疊代解法。由於加工工藝仿真問題的規模一般較大，需要的記憶體較多，利用稀疏的矩陣存儲可以極大地節省大量不必要的記憶體占用，使較大規模問題的分析儘量在記憶體中完成，提高計算效率。另外，在加工過程分析中代數方程組的求解工程量占據了很大比重。選擇計算快捷、記憶體需求少的代數方程組求解器十分必要。SuperForm提供的稀疏存儲疊代求解器，具備了求解效率高、精度好的特點，能支持大規模的成型分析。
2D-3D分析自動過渡
多數鍛造可按軸對稱或平面2D問題處理，也有相當比例的鍛造是全三維問題。而實際情況中，一些3D零部件多步鍛造工藝的前幾步加工是2D問題，後幾步加工為全3D問題。針對這種情形，用全2D的多步鍛造分析雖然省時但無法獲得對成型的3D產品的精確模擬。而全部用3D鍛造分析，對前幾步的2D鍛造來說，又是計算機時和記憶體的很大浪費。SuperForm提供的多步鍛造分析能夠自動將2D軸對稱模擬向3D模擬無縫過度，將2D軸對稱分析的應力、等效塑性應變、溫度、應變，塑性應變和熱應變等狀態量自動轉化為3D 模型的狀態量，作為進入後續3D分析的初始狀態，繼續後續的3D分析。這種功能允許在一次分析中完全自動地進行先二維後三維的多步鍛造分析。
結構分析
SuperForm作為體成型加工分析專用軟體，它並不限於只進行鍛造分析，也支持結構分析。例如，完成了鍛造模擬後，通常要評估成型產品內的殘餘應力，以及這種殘餘應力對產品在後續使用過程中的影響。這就需要模擬成型產品經過熱處理後殘餘應力重新分布，或者成型產品處於一些假想的運行或使用狀態下，在外載荷作用下殘餘應力的作用等，採用SuperForm的結構分析可以完成這種對加工成型產品的結構分析。SuperForm的結構分析可以完成這種對加工成型產品的結構分析。SuperFrom 也使鍛造加工分析與成型產品的結構分析無縫連線，實現分析的一體化。
用戶子程式
儘管SuperForm 是一個專用的體成型軟體，但並非一個黑匣子，它具有極強的開放性。SuperForm為用戶提供了30餘個可訪問和修改程式預設設定的用戶子程式接口，這些子程式覆蓋的範圍為：
用戶定義的載入、邊界條件和狀態變數，為用戶自定義節點力、面積力、體積力、節點位移、節點熱流、表熱流、體積熱流、內熱源、表面對流等力平衡分析與傳熱分析的邊界條件和初始條件提供入口。
對接觸分析，用戶可定義剛性接觸體運動軌跡，接觸體的摩擦係數，接觸體與環境，接觸體之間的對流放熱係數。
用戶定義的本構關係例如定義非線性地基的剛度，剛塑性材料的流動，材料屈服應力、粘性係數等的入口。
輸出量。用戶可以定義新的進入可視化後處理的輸出變數。也可定義需記錄進文本結果檔案的所需計算結果。還能提取計算過程中單元上的應力應變等狀態量。允許進入單元循環、非線性疊代始末、增量步始末的循環，完成變數的初始化和賦值更新。這些入口都為用戶提供了訪問並控制有限元分析流程的必要工具。
用戶利用SuperForm提供的這些開放性接口，可以完成許多重要的仿真分析。例如，鍛造過程中材料特性的變化是決定鍛件產品質量的至關重要因素。完成高溫鍛造後的成型產品在冷卻至室溫的過程中會產生金屬相成分的組織變化、產生組織應力，影響材料特性。通過數值模擬評價這種材料微觀特性變化及其影響，使用戶對鍛造加工工藝及其成型產品具有深入了解。了解是第一步，只有建立在了解基礎上的改進，才是有針對性和實效的。上海交通大學機械系材料學院引進SuperForm後，利用用戶子程式接口，將相成分隨時間、溫度的演化，以及生成的組織應力和對材料特性的改變引入鍛造分析中，成功地進行了熱鍛工藝仿真及組織變化的模擬。基於模擬結果重新設計仿真工藝或冷卻工藝，達到改善鍛件產品組織的目的。
SuperForm提供給用戶的材料庫雖然以金屬材料為主，但這並不限於只能完成金屬的鍛造仿真。利用用戶子程式接口，也可耦合入非金屬材料模型。例如生產電子顯像管的Pilips，利用SuperForm模擬玻璃的鍛造成型。玻璃顯像管的成型分成四個階段，其中成型玻璃階段材料的粘性通過在剛塑性模型加入隨溫度變化的粘性係數來描述。從相應的用戶子程式接口引入這種依賴於溫度的粘性係數。
