西北工业大学李宏伟教授团队：面向高性能塑性成形的多尺度建模仿真研究进展丨JME文章推荐

引用论文

李宏伟, 高佳, 孙新新, 张昕, 郑泽邦, 詹梅. 面向高性能塑性成形的多尺度建模仿真研究进展[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 27-43.

LI Hongwei, GAO Jia, SUN Xinxin, ZHANG Xin, ZHENG Zebang, ZHAN Mei. Research Developments on Multiscale Modeling and Simulation towards High-performance Plastic Forming[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2024, 60(1): 27-43.

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目 前，对塑性成形过程进行多尺度建模仿真和规律预测，部分实现了制造过程的可计算，但面向服役性能的材料、结构、工艺设计以及基于设计的成形制造过程调控才 刚刚起步，虽然已有一些优化设计方法和结果的报道，但尚未形成系统的一体化设计，甚至设计与制造相互脱节。 因此，实现高性能塑性成形任重道远，而发展先进的多尺度建模仿真方法是关键 。在此基础上西北工业大学李宏伟教授团队综述了高性能塑性成形面临的挑战，材 料变形的多尺度响应特征和多尺度建模理论与方 法，讨论了多尺度耦合建模的新进展，并对其在高 性能塑性成形中的应用进行了分析和展望 。 他们的研究成果以题 为《面向高性能塑性成形的多尺度建模仿真研究进展》发表在《机械工程学报》2024年第1期。

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行业现状

四千多年前人类祖先进入铁器时代后，锻打开 始成为人类制造工具的主要方法。随着锻打设备从 最初的人力/畜力重锤发展到水力落锤、蒸汽锤再到 机械压力机、水压机、液压机，锻打逐步发展为锻 压，成为一门专业，并于二十世纪末更名为塑性成 形。虽然工作方式和专业名称经历了变迁，但塑性 成形一直是装备制造不可或缺的工艺方法，更是当 前大国重器研制的重要保障。

针对材料塑性变形过程中材料-结构-工艺-性能间的多尺度耦合作用，分析了多尺度耦合建模仿真在定量表征和耦合建模方面的新进展。在此基础上，提出了宏细微多尺度响应间正向预测与逆向设计的建模框架，以及构件成形多尺度预测的跨尺度均匀化及多级优化建模策略，给出了多尺度模型在构件成形与服役的多尺度响应预测应用 。

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难点或瓶颈

塑性成形过程的高温、高压、能场等环境使得实验难以观察、数据难以测量，变形终了状态检测或破坏性试验难以反映材料塑性成形过程的多尺度响应。多尺度建模理论复杂、门槛高，尤其是多尺度耦合建模的理论、方法、数值化等都是瓶颈难题，如何在通用理论中引入个性化特征，如何应用于大型构件成形的多尺度响应预测极具挑战 。

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趋势和展望

随着智能制造概念的逐步落地，多尺度耦合建模仿真与数字孪生、智能装备相融合，联通多工艺全流程优化设计，推动高性能塑性成形智能化发展的前景十分光明：

（1）基于物理机制的多尺度耦合建模仿真与数字孪生融合，打造高性能塑性成形过程实时仿真-监测平台。

（2）多尺度耦合建模仿真与智能化装备相融合，实现智能化高性能塑性成形制造。

（3）以多尺度耦合建模仿真为平台和纽带，联通多工艺复合成形及多能场协同制造，阐明多工艺和多能场成形过程中的尺寸精度与组织性能的遗传、误差的传递等机制与规律，实现多工艺全流程协同设计与分析，以保证目标件高性能成形制造的稳定性与一致性 。

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代表性图片

图1 高性能塑性成形面临的挑战性难题

图2 材料多尺度变形响应的交互作用机制

图3 电脉冲的局部焦耳热作用效果

图4 三维元胞机晶体塑性有限元双向全耦合建模思路

图5 宏观试样及其局部区域的等效塑性应变分布

主创简介

李宏伟， 男，1979年生，博士，西北工业大学教授、博导。国家杰出青年科学基金获得者（2022），入选国家级青年人才称号（2018），陕西省杰出青年科学基金获得者（2019）。担任《Manufacturing Review》《Chinese Journal of Mechanical Engineering》《塑性工程学报》《锻压技术》等多个期刊编委。主持国家级/省部级项目20余项。发表论文150余篇，授权发明专利20余件，形成了从材料塑性变形多尺度耦合建模理论与方法，到特种能场作用机制的定量表征与建模，再指导特种能场调控高性能塑性成形方法与技术的系统性研究成果。研究成果获国家自然科学二等奖、陕西省自然科学一等奖、陕西省科学技术一等奖2项 。

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团队研究方向

成形过程多尺度建模仿真与形性协同优化调控；薄壁复杂结构多能场柔性成形新原理与技术；面向使役性能的高性能成形制造理论与技术；碳纤维复合材料构件电热固化成型机理与工艺。

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团队近2年代表论著

[1]GAO J, LI H, SUN X, et al. Electro-thermal-mechanical coupled crystal plasticity modeling of Ni-based superalloy during electrically assisted deformation[J]. International Journal of Plasticity, 2022, 157: 103397.

[2]SHAO G, LI H, ZHANG X, et al. Modelling of ultrasonic vibration-assisted forming considering the distribution of ultrasonic field with structure deformation[J]. International Journal of Plasticity, 2023, 170: 103744.

[3]GAO P F, FEI M Y, ZHAN M, et al. Microstructure-and damage-nucleation-based crystal plasticity finite element modeling for the nucleation of multi-type voids during plastic deformation of Al alloys[J]. International Journal of Plasticity, 2023, 165: 103609.

[4]ZHANG X, ZHANG J, YAO Y, et al. Anomalous enhancing effects of electric pulse treatment on strength and ductility of TC17 linear friction welding joints[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2024, 203, 155-166.

[5]ZHENG Z, ZHAO P, ZHAN M, et al. Understanding of the fatigue crack nucleation in metallic sealing rings by explicitly incorporating the deformation history from manufacturing to service[J]. International Journal of Fatigue, 2022, 164: 107174.

作 者：李宏伟

责任编辑：杜蔚杰

责任校对：张 强

审 核：张 强

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