金属高速体积成形是工业中重要的加工技术之一,在航空、航天等工业领域有着广泛的应用。由于成形速度高,变形期间产生明显的动态效应,与准静态体积成形有明显不同。采用有限元方法分析该问题时应使用动力分析方法,同时还要考虑变形期间的能量转换关系,才能准确地反应真实的变形特点。但是,目前有限元算法不能同时考虑这两个因素。因此,本文对金属高速体积成形过程有限元分析关键技术进行了研究,分析了高速成形时金属的变形和流动规律,为实际生产中的高速体积成形工艺数值模拟优化提供了手段。本文首先根据能量限制型设备的工作原理分析了变形期间的能量转换过程,提出了基于能量法的锤头速度计算方法,并以此为基础建立了适合高速体积成形过程的动力分析有限元列式,将其变形过程看作是绝热过程,推导了热力耦合有限元方程。采用主从面接触搜索算法处理高速体积成形过程的接触问题,对于二维问题,使用坐标象限法判断坯料和模具之间的接触状态,接触区域采用罚函数计算接触力并施加位移约束条件。在开发的二维有限元分析程序中,提出了一种间接的四边形网格划分方法,该方法首先将传统的Delaunay法和推进波前法相结合划分背景三角形网格,再将背景三角形网格合并为四边形网格,最后采用拉普拉斯方法进行光顺,提高网格质量,并可以实现网格重划。使用开发的三维动力分析有限元程序对给定打击能量条件下的块体高速镦粗过程进行了研究,分析了金属质点流动规律、应变分布、温度分布等,研究了打击能量对变形过程的影响。使用开发的二维动力分析有限元分析程序对给定打击能量条件下的圆柱体高速镦粗过程进行了研究,得到了变形期间金属的流动规律以及打击能量和高径比对变形过程的影响规律。在落锤冲击试验机上进行块体和圆柱体的高速镦粗实验,分析了打击能量和高径比对变形后试样几何、成形载荷、变形能等的影响规律,将有限元分析结果与试验结果进行了对比,两者吻合较好,表明所开发有限元分析程序的有效性。为了研究金属高速成形过程中应力波传播对变形过程的影响,采用开发的有限元分析程序研究了高速镦粗过程材料内部的应力波传播,分析了应力波传播对应力、应变分布的影响,同时通过工业纯铅、高导无氧铜、铝合金三种材料,研究材料参数对应力波传播的影响规律。采用开发的二维动力显式有限元分析程序研究轴对称盘形件的锤锻成形过程,通过变形期间的速度矢量场和塑性应变分布分析锤锻期间的金属流动规律和惯性充填现象,研究了打击能量、坯料高径比、模锻斜度和界面摩擦对变形过程的影响规律,并在落锤冲击试验机上进行盘形件锤锻实验,分析了过程参数如打击能量、高径比等对变形后几何、成形载荷等的影响规律,将有限元分析结果与试验结果进行了对比,两者吻合较好,表明所开发二维有限元分析程序的有效性。