金属成形数值模拟技术作为发展高精尖产业的重要环节,直接影响“中国制造2025”总体目标的实现。多重非线性精细算法是金属成形仿真的关键。研究发现,基于双势理论,弹塑性材料的双势表达不仅满足模型本构关系,还能较好地描述材料的正交性。此外,双势接触算法能高效、准确地求解接触力。但是,在多重非线性精细算法研究中,考虑大变形弹塑性材料双势表达的相关研究较少,运用双势接触求解金属成形问题仍待探索。不仅如此,基于多重非线性精细算法,自主开发金属成形定制化CAE软件难度大、工作多、专业性较强。尽管OMTDesk软件开发平台提供了强大的前后处理功能,但因为缺少金属成形模块,限制了其在工业制造中的应用。本文以金属成形模拟涉及的多重非线性精细求解算法为切入点,以双势理论为基础,研究了金属成形仿真所涉及的几何非线性、材料非线性和接触状态非线性问题。结合OMTDesk软件开发平台,自主开发出一套金属成形定制化CAE软件FEM/Form。本文从理论推导、数值实现、数值验证和软件开发及应用四个方面开展了研究工作:1.研究金属成形问题,对多重非线性精细算法三个非线性部分的理论表达进行推导。针对几何非线性,采用Updated-Lagrange框架,结合客观性要求,确定了大变形本构关系中涉及的相关变量。针对材料非线性,以双势理论为基础,设计了一套可有效建立弹塑性材料双势函数的方法,得到了大变形框架下等向强化Prager-Ziegler模型、随动强化Armstrong-Frederick模型和非关联Drucker-Prager模型的双势函数,再通过一致性条件推导出相应的双势求解表达式。针对接触状态非线性,运用双势接触对完整接触摩擦定律进行描述,引入弹塑性双势因子计算预测接触力,通过其在摩擦锥上的投影,修正得到接触力,完成接触状态非线性的求解。2.根据理论推导,对多重非线性精细算法进行数值实现。利用旋转中间客观性假设实现大变形过程中的构形变换;借助返回映射算法思想,对理论推导中的三种弹塑性模型的双势本构进行数值实现;采用主-从的接触模式,运用穷举法,对系统接触对进行碰撞检测。再结合Uzawa迭代求解,实现了双势接触算法。最后,综合三部分非线性的数值算法与整体平衡迭代求解,得到了一套针对金属成形的多重非线性精细算法。3.通过单向拉伸与单向压缩算例,得到了等向强化Prager-Ziegler模型、随动强化Armstrong-Frederick模型和非关联Drucker-Prager模型三种弹塑性模型应力应变关系。经过分析比较,验证了双势本构算法模拟的准确性、稳定性。通过弹性接触与弹塑性接触算例,证明了双势接触算法能有效控制接触穿透量,使接触力的计算更加准确。通过模拟圆杆拉伸颈缩,验证了几何非线性算法的正确性。同时,成功实现漏斗试样的拉伸模拟,并结合实验数值耦合技术,实现了对材料应力应变关系的修正。对于考虑动态效应的情况,证明了多重非线性精细算法满足系统能量守恒,进一步验证了算法的准确性。4.结合多重非线性精细算法,基于OMTDesk软件开发平台,定制化开发了一款金属成形CAE软件FEM/Form。数值模拟块体锻压成形过程,探究了材料屈服强度与摩擦系数对块体回弹量的影响。数值模拟挤出成形过程,关注挤出件上的点与管腔间的接触状态。当摩擦系数增大,成功模拟出挤出件边缘打卷现象。FEM/Form能根据问题定制功能,更具针对性。通过FEM/Form与ANSYS和ABAQUS的对比,验证了FEM/Form在生产中计算结果的可靠性。数值模拟小半径直管绕弯成形,对于绕弯过程中的管端变形、截面变化、管壁厚度等进行了讨论。与现有资料进行对比,证明了FEM/Form在实际生产中具有实用性。本博士论文创新点归纳如下:1.提出了考虑大变形的三类弹塑性双势本构模型,并进行了数值实现;2.建立了一套多重非线性精细算法,并通过几何、材料和接触状态三类非线性问题进行了数值验证;3.开发了基于OMTDesk软件开发平台的大变形弹塑性求解模块,以及金属成形定制化CAE软件FEM/Form。