板管成形在材料加工中占有相当大的比重,广泛应用于汽车、航空、航天、船舶、电机电器等领域,尤其是型材弯曲和管材胀形,顺应轻量化、降低能耗和成本的需要,在零部件生产中扮演着重要的角色。在这些成形过程的数值模拟研究中,增量分析和一步及多步模拟互补长短,相辅相成。增量法能反映加载历史、处理坯料与模具间的接触,可以比较全面的考虑板料成形中的各类影响因素,是可以对板管成形过程进行精确计算的方法,相对比较成熟。而一步和多步法则主要致力于对成形过程的快速模拟,可以在设计方案还比较模糊,没有工模具信息,或者是只有初步设计的时候,考察产品的成形质量,优化板坯,使用起来也非常容易。目前一步和多步法的研究主要是针对初始构形为平面的板料成形。本文的研究目标则是建立一个应用范围更广、可计算一般的板管成形、可考虑弯曲效应的一步和多步正反向快速模拟系统OMSTEP。本文的主要研究内容和成果如下:通常针对板料成形问题的一步和多步法在考虑弯曲效应时,将公式局限于初始构形为平面的一步反向计算,若将该公式应用于一般的板管成形过程,则会引入转动自由度,增加计算规模,并使一步和多步法的处理相对复杂。为此,本文引入BST壳单元描述变形。该单元没有转动自由度,膜变形的计算与传统一步法所使用的膜单元完全等价,曲率计算不限于初始构形是否为平面的条件,也不局限于反算,同时能够保持一步法公式的简洁性和计算效率。基于极值功原理,将全量本构关系应用于一步法,将由标量预测-回归映射方法得到的本构关系应用于多步法,推导建立了一种适用于一般板管成形的正反向快速模拟公式。现有的各类初始猜测值生成方法都是针对板料成形问题的,其中的几何方法难以通用,其中基于计算机图形学理论的参数化方法也要求预先完成边界节点的映射后才能使用。因此,本文首先借助边界调整法将板料的边界映射到平面上,保持板料边界的形状特征,再将其与参数化方法结合,实现通用的板料初始猜测值生成方法。为型材弯曲和管材胀形提供合适的初始解,则是个新的课题,本文提出了两种方法,一种是简单有效的几何方法,通过展开型材和管材的扫掠线来实现网格映射,效率比较高,但没有很好的通用性;另一种是将参数化方法由平面拓展到圆柱坐标系中,将工件节点映射到截面形状复杂的型材表面,或者半径尺寸任意的圆柱面上,这种方法高效、通用。此外,还给出了一种思路简单的中间构形初始解生成方法,该方法与参数化方法结合,可高效地得到较精确的中间构形初始猜测值。接触的处理是一步和多步法中的关键技术,对外力的施加、计算的收敛性和准确性有着重要的影响。但传统的滑动约束算法主要是针对板料的,无法适用于型材和管材。为此,本文提出了接触滑动约束算法。该算法通过接触搜索找到与工件节点最近的滑动约束面单元,通过罚函数法的方式引入法向刚度,由弹簧单元模拟所受到的工模具摩擦,保持节点只在滑动约束面(可以是截面形状封闭的复杂曲面)上运动,从而将滑动约束方法应用于型材和管材成形。此外,为了能够直观考察脱离接触面的缺陷,如起皱、截面的畸变等,本文对多步正向计算中的实际接触状态的模拟进行了一些尝试,引入LS-DYNA中的方法进行全局搜索,采用高效的内外侧算法进行局部搜索找到接触对,使用罚函数法计算实际的接触力,考察了规则化摩擦模型,并针对大穿透量问题,做了些设置,通过选取合适的参数使接触计算稳定。对板料成形过程进行了一步和多步正反向模拟计算,检验了OMSTEP系统求解板料成形问题的可行性。其中一步反算高效易用,多步模拟则可以获得更接近实际状况的结果。算例表明采用滑动约束计算更容易收敛,而采用罚函数法处理接触,可以观察到脱离接触面而产生的成形缺陷。将一步和多步正反向模拟推广应用于一般的管材和型材成形过程。进行了矩形管3点弯曲试验和复杂截面异型材的拉弯实验。通过矩形管弯曲试验模拟考察截面畸变问题,通过复杂截面异型材的拉弯实验模拟考察型材的壁厚变化和回弹情况。一步模拟所得到的截面畸变、壁厚变化结果与增量分析及实验结果非常接近。多步模拟由于中间构形的引入,计算结果较一步法有所改进,可以捕捉到更为细微的变化趋势,基于多步模拟结果的回弹计算也比基于一步模拟结果的回弹更接近实验结果。在对复杂截面异型材的模拟中,采用滑动约束,避免填充物与型材间的接触处理。在胀形计算中,实现了一步正反向计算的结合,通过反算为正算提供优化的管坯,而多步法也自然地与多工步的胀形过程相匹配。