SuperForm 是一个专用的制造过程仿真软件。它应用了优化体成型过程的一种突破性的技术。它是市场上最成熟的锻造过程与制造过程的仿真工具。SuperForm具有二维、三维热机耦合分析、损伤分析、成型仿真等功能；并将材料数据库、设备运动控制库等集成为一体。SuperForm 由支持创建工艺仿真模型、处理分析结果的交互式图形界面和分析求解加工过程温度、变形、成型力的求解器高度集成，无缝连接。SuperForm 的图形用户界面以MSC.Mentat 菜单设计思想为基础，精简了与块体成型无关的其它场问题界面，专门设计了按体成型过程的工艺术语和流程创建分析模型、处理分析结果的相应菜单，是为满足体成型行业的特殊要求而专门设计的。SuperForm独家拥有的三维六面体网格自动划分及自动重划分功能和对高度非线性问题的快速求解能力，使其成为名符其实的全三维、全自动、高效精确的体成形仿真软件。SuperForm不断的扩充和完善，已成为全球著名公司如Mercedes Benz, GKN Automotive, Hirschvogel Umformtechnik, Philips, Leiber, Mannesmann, Manshadi & Kolev, Wieland Werke 等开发新产品、设计新加工工艺不可缺的必备工具。

功能

在SuperForm界面中建立的各种加工工艺过程的仿真分析模型都需由求解器模块分析完成。SuperForm的求解器是快速处理二维和三维锻造、挤压、轧制过程中大变形/大应变几何非线性、材料非线性和接触边界非线性组合在一起的高度非线性求解器。支持的材料模型包括基于Von.Mises屈服准则和各向同性硬化的弹塑性模型以及不考虑弹性影响的刚塑性模型。并可考虑材料的应变率敏感特性和材料参数的温度敏感特性。对热

加工工艺，用全耦合的热-结构分析处理塑性变形生热和摩擦生热问题，并且考虑大变形几何非线性对热边界和力边界条件的影响。可处理由相变引起的潜热和接触传热等非线性热传导边界条件。同时提供了丰富的材料数据库可供用户选用。用户也可为自己的专用材料创建数据库备用。由于采用特殊的单元技术和快速的方程组求解方法，分析过程的求解速度快、精度高。SuperForm求解器支持的网格自动重划功能，使得锻造分析无需人工干涉自动完成。

以下从分析角度介绍SuperForm 求解器的功能和特色。

1、分析类型与材料模型

在工艺仿真中，常用两类方法模拟金属流动。用刚塑性模型模拟金属流动更新的欧拉方法描述，无疑是数值上最为有效的方法。但它忽略了材料在加工初始阶段和卸载期间的弹性变形，以及无法考虑工件的膨胀，使分析结果存在精度上的损失。以更新的拉格朗日方法描述的弹塑性分析在计算上虽有较多繁琐中间环节，而且数值上实现起来不如刚塑性分析简便，但可提供弹性应力、回弹、模具膨胀和工件残余应力结果。采用弹塑性分析获得的成型工件残余应力，在分析模拟成型工件的热处理，或成型工件进入使用状态的静动力分析中是非常重要的初始条件。SuperForm既支持基于更新欧拉方法的刚塑性分析，也允许完成基于更新拉格朗日方法的弹塑性分析。

锻造加工的实践表明，对体成型仿真常常需要纳入温度的影响，以便考虑材料性质随温度变化，或者引入摩擦生热、塑性功生热和工件向环境热耗散等诸多因素的影响。只有采用了依赖于温度变化的屈服应力，才可以期望正确地描述工件局部硬化。在冷锻工艺仿真中，考虑温度对材料性质的影响，有助于精确预测材料流动、开裂、最后形状和材料体积。SuperForm将描述弹性材料流动或刚塑性材料流动的选项与引入温度影响的选项组合成四种分析类型，即弹塑性、刚塑性、热弹塑性、热-刚塑性，供用户自由选择。

2、接触

在像体成型这类压力加工过程中，工件与模具、模具与模具之间的相互作用是通过接触算法考虑的。SuperForm继承MSC.Marc软件所擅长的基于直接约束的迭代法处理接触问题，为加工工艺仿真提供了包括变形接触体、刚性接触体，允许传热的刚性接触体和对称面等多种接触体定义。SuperForm的接触算法能够完全自动地控制工件与模具之间的接触。通过按表格或函数形式给定的模具随时间变化的空间位置，来自动施加约束，驱动自动接触分析。对于有多个模具依次参与加工的多步成型，只需逐组模具分别定义，这种自动的接触分析便可以使各步成形自动衔接。

锻造工艺经常需考虑工件与模具的传热，利用SuperForm 的接触分析与热传导分析的耦合功能，完成这种接触面间热交换的热接触分析。

摩擦力的影响在体成型分析中极为重要。SuperForm的接触摩擦支持的摩擦模型有经典的和修正的Coulomb摩擦、剪切摩擦和轧制摩擦。接触摩擦算法的处理方法有两类：一类是将静摩擦到滑动摩擦的突变简化成光滑过渡的数值处理，对滑动摩擦模拟的效果较好；另一类是真实地模拟静摩擦与滑动摩擦之间突变的数值处理方法，能精确模拟粘性摩擦。

SuperForm接触算法具有探测自身接触的能力，用于模拟工件加工过程中流动受阻出现的重叠十分有效。

SuperForm接触算法本身并不限制接触面相对滑动大小和接触面的变形量，与网格自动重划技术和时间步长自适应控制技术的完美结合，使其特别适于分析体成型类具有很大材料流动的接触分析。

3、单元技术

SuperForm提供了专门分析块体成型的单元，如三角形/四边形的平面应变、轴对称和四面体/六面体的三维实体单元。这些单元都经过改进，具有比常规等参元更精确、更稳定的特征。例如，包含内部自由度的低阶单元可以模拟弯曲变形。对于进入全塑性后材料的近似不可压缩性，这些单元能够模拟出相应的不可压缩位移模式。单元的数值积分可采用常规全积分或带有沙漏控制的减缩积分方案。

4、加载步长自动控制

分析过程中可以采用固定时间步或固定位移步的等步长控制加载，也可采用自适应步长控制加载，有两类自适应步长控制：一类是基于塑性应变增量控制的自动步长控制；另一类是允许同时满足多种变量（应变增量、位移增量、应力增量和塑性应变增量）约束的自动步长控制。采用这些自适应的加载步长控制技术处理接触和有限塑性变形组合的高度非线性问题,表现出很好的迭代收敛性和求解精度。

5、网络自适应技术与自动重划分

在SuperForm中采用的全自动网格自调控技术，可避免在追踪过大的材料流动过程中，因试图改善网格畸变而采取的繁琐的手动网格重新划分操作。

SuperForm增强的网格自动重划分技术不但能依据分析的需要自动调整网格的疏密，还能对因过度变形产生的畸变网格自动的重新划分，以消除网格畸变对求解精度的影响。

对二维和三维分析，用户选择了控制单元重划分准则，及重划网格的目标单元尺度后，程序自动地控制何时划分、怎样划分。网格重划分操作可分解为两步：第一步是调用六面体或四边形网格生成器，按给定的单元密度约束，在旧网格所覆盖的区域内生成新的界面体或四边形网格；第二步是将旧网格上的计算结果影射到新网格上。通常情况下，两次网格重新划分期间的积累应变在40%左右仍会获得较好结果，又不至于造成太繁琐的网格重划，以此控制网格重划频率是推荐的选择。

实际分析中仅靠这样的网格重划并不能完全保证分析不至于因单元畸变而中断。因为SuperForm不限制增量步内变形大小，所以当某一个载荷步长较大，进行增量步内的平衡迭代时可能会产生严重的网格畸变导致分析被迫中断，这表明计算这个增量步前，有必要提早重划网格。对此情形，SuperForm提供的另一项保险措施是只要激活了从计算中断处重起动的选项，程序便会自动恢复到中断的前一个增量步,并在该增量进行网格重划，然后继续分析。从而保证计算的顺利进行。

SuperForm的自动网格重新划分与自适应加载步长控制的完美结合，能够保证体成型的加工分析由始至终，自动进行直到仿真结束。

6、求解技术

用有限元法分析体成型问题时，会最终落实到求解以单元节点的位移，温度为自由度的非线性代数方程组。SuperForm对非线性方程组的迭代解法是牛顿-拉夫森迭代。而求解代数方程组的方法为稀疏存储的直接解法和稀疏存储的迭代解法。由于加工工艺仿真问题的规模一般较大，需要的内存较多，利用稀疏的矩阵存储可以极大地节省大量不必要的内存占用，使较大规模问题的分析尽量在内存中完成，提高计算效率。另外，在加工过程分析中代数方程组的求解工程量占据了很大比重。选择计算快捷、内存需求少的代数方程组求解器十分必要。SuperForm提供的稀疏存储迭代求解器，具备了求解效率高、精度好的特点，能支持大规模的成型分析。

7、2D-3D分析自动过渡

多数锻造可按轴对称或平面2D问题处理，也有相当比例的锻造是全三维问题。而实际情况中，一些3D零部件多步锻造工艺的前几步加工是2D问题，后几步加工为全3D问题。针对这种情形，用全2D的多步锻造分析虽然省时但无法获得对成型的3D产品的精确模拟。而全部用3D锻造分析，对前几步的2D锻造来说，又是计算机时和内存的很大浪费。SuperForm提供的多步锻造分析能够自动将2D轴对称模拟向3D模拟无缝过度，将2D轴对称分析的应力、等效塑性应变、温度、应变，塑性应变和热应变等状态量自动转化为3D 模型的状态量，作为进入后续3D分析的初始状态，继续后续的3D分析。这种功能允许在一次分析中完全自动地进行先二维后三维的多步锻造分析。

8、结构分析

SuperForm作为体成型加工分析专用软件，它并不限于只进行锻造分析，也支持结构分析。例如，完成了锻造模拟后，通常要评估成型产品内的残余应力，以及这种残余应力对产品在后续使用过程中的影响。这就需要模拟成型产品经过热处理后残余应力重新分布，或者成型产品处于一些假想的运行或使用状态下，在外载荷作用下残余应力的作用等，采用SuperForm的结构分析可以完成这种对加工成型产品的结构分析。SuperForm的结构分析可以完成这种对加工成型产品的结构分析。SuperFrom 也使锻造加工分析与成型产品的结构分析无缝连接，实现分析的一体化。

9、用户子程序

尽管SuperForm 是一个专用的体成型软件，但并非一个黑匣子，它具有极强的开放性。SuperForm为用户提供了30余个可访问和修改程序缺省设置的用户子程序接口，这些子程序覆盖的范围为：

用户定义的加载、边界条件和状态变量，为用户自定义节点力、面积力、体积力、节点位移、节点热流、表热流、体积热流、内热源、表面对流等力平衡分析与传热分析的边界条件和初始条件提供入口。

对接触分析，用户可定义刚性接触体运动轨迹，接触体的摩擦系数，接触体与环境，接触体之间的对流放热系数。

用户定义的本构关系例如定义非线性地基的刚度，刚塑性材料的流动，材料屈服应力、粘性系数等的入口。

输出量。用户可以定义新的进入可视化后处理的输出变量。也可定义需记录进文本结果文件的所需计算结果。还能提取计算过程中单元上的应力应变等状态量。允许进入单元循环、非线性迭代始末、增量步始末的循环，完成变量的初始化和赋值更新。这些入口都为用户提供了访问并控制有限元分析流程的必要工具。

用户利用SuperForm提供的这些开放性接口，可以完成许多重要的仿真分析。例如，锻造过程中材料特性的变化是决定锻件产品质量的至关重要因素。完成高温锻造后的成型产品在冷却至室温的过程中会产生金属相成分的组织变化、产生组织应力，影响材料特性。通过数值模拟评价这种材料微观特性变化及其影响，使用户对锻造加工工艺及其成型产品具有深入了解。了解是第一步，只有建立在了解基础上的改进，才是有针对性和实效的。上海交通大学机械系材料学院引进SuperForm后，利用用户子程序接口，将相成分随时间、温度的演化，以及生成的组织应力和对材料特性的改变引入锻造分析中，成功地进行了热锻工艺仿真及组织变化的模拟。基于模拟结果重新设计仿真工艺或冷却工艺，达到改善锻件产品组织的目的。

SuperForm提供给用户的材料库虽然以金属材料为主，但这并不限于只能完成金属的锻造仿真。利用用户子程序接口，也可耦合入非金属材料模型。例如生产电子显像管的Pilips，利用SuperForm模拟玻璃的锻造成型。玻璃显像管的成型分成四个阶段，其中成型玻璃阶段材料的粘性通过在刚塑性模型加入随温度变化的粘性系数来描述。从相应的用户子程序接口引入这种依赖于温度的粘性系数。