随着经济全球化以及市场竞争的日趋激烈,产品更新换代速度加快,传统模具设计与制造模式已经无法满足中国高速发展的制造业对高性能、长寿命、复杂模具并行设计与制造的要求。数字化并行设计和直接金属快速制模技术凭借其全新的理念和先进的手段,短流程、低成本、高质量、高柔性、能快速响应市场和用户需求变化的优势,成为突破模具技术发展瓶颈的关键因素。但相关研究尚处于经验推理与定性实验结合的阶段,在并行设计与制造工程方面的应用研究更属空白,因此,迫切需要科学理论的定量化指导,解决实用化的关键技术问题。将金属模具设计与直接快速制造视为一个有机联系的整体,设计了数值模拟与实验验证的方案和技术路线。面向拉深成形工况进行功能梯度材料模具数字化设计与制造,对不同材料模具全工作过程的力学行为、磨损及疲劳寿命,以及复杂模具的等离子熔积成形进行若干的研究。研究主要包含以下三方面工作：首先,以汽车翼子板拉深模为例,基于板料刚塑性模型和模具弹塑性模型,对板料和模具的力学状况、动态载荷进行了全过程动态模拟仿真,并研究与对比了常规匀质材料模具和梯度材料模具。定量给出了拉深任一时刻模具各节点的应力数值,定性判断了模具的应力集中区域,这些区域分布于凹模圆角、底部凸起及拉深筋处。模拟结果表明,采用梯度材料模具可获得合格冲压零件,模具的载荷以及应力水平可维持在正常工作范围内。第二,基于Archard经典磨损模型,对传统均质材料与功能梯度材料拉深模的表面磨损及分布进行了刚塑性有限元全过程动态模拟研究,定量地给出了拉深任一时刻模具表面的磨损量及分布,定性地判断了模具的潜在接触疲劳区域,预测了模具的磨损寿命。结果表明,在模具寿命变化不大的情况下,采用梯度材料模具可充分发挥模具材料的潜力,提高生产效率,缩短模具制造周期40%以上,节约成本40%以上,为功能梯度材料拉深模具提供了设计基础和参考依据,并可作为模具结构与材料的优化设计及评价的重要参数。上述模具力学及磨损的模拟结果符合拉深实验与实际生产使用情况。近年的相关研究工作多集中在挤压模或锻模上,还未涉及大型冲压模具的受力分析与磨损预测等方面。最后,基于等离子移动热源模型、热弹塑性力学模型以及材料热物理性能参数,开发了等离子熔积成形的参数化设计(APDL)程序,对等离子熔积成形过程中三维非线性瞬态应力场和应变场进行了有限元模拟,分析了主要工艺参数对成形质量的影响规律,以及成形件产生残余应力与变形的机理,为等离子熔积制造金属模具工艺方案的制定、成形质量的控制提供理论依据和正确指导。模拟与实验结果表明,均匀水冷基板在保证熔积效率的同时,可有效缩短零件在高温区的停留时间65.6%；均匀水冷基板并开卸荷槽,可使成形件局部残余应力下降60.8%和65.8%,使成形件与基板连接处两端的应变下降53.4%,局部区域的应变差值降低70%和22.4%。目前相关研究都是针对钨极氢弧焊和惰性气体保护金属极电弧焊的,关于等离子熔积过程三维瞬态场的有限元模拟,除本课题组的相关报道外,尚未发现其它文献报道。研究成果可在模具设计与等离子熔积制造之前,预测和考察模具的运行行为、力学状况、磨损情况等,验证模具结构和材料设计方案的可行性与可靠性。为面向成形实际工况和直接金属快速制模过程的模具结构与材料的优化设计,控制直接金属快速制造的模具的质量、残余应力与变形提供了参考依据。