JBT 15291-2025 技术产品文件 大型锻件成型工艺数值模拟技术规范标准立项发展报告

技术产品文件大型锻件成型工艺数值模拟技术规范标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:TechnicalProductDocumentation-NumericalSimulationTechnicalSpecificationforFormingProcessofLargeForgings【摘要】大型锻件作为重大技术装备的关键基础部件，其成型工艺的复杂性与高成本对制造精度和一次性成功率提出了严苛要求。随着数值模拟技术的快速发展，其在预测和优化大型锻件成型过程中的微观组织演变、温度场分布及应力应变状态等方面展现出巨大潜力。然而，行业内缺乏统一的技术规范，导致模拟结果的可比性、可靠性和互认性不足。本标准《技术产品文件大型锻件成型工艺数值模拟技术规范》（JB/T15291-2025）的制定，旨在构建一套科学、规范、可操作性强的技术标准体系，为大型锻件成型工艺数值模拟的技术要求、建模方法、边界条件设定、结果验证及文件归档提供统一指引。本报告基于该标准项目，系统阐述了立项背景、国内外技术现状、核心内容架构及主要技术要点，分析了该标准对提升我国大型锻件制造业技术水平、促进数字化设计与智能制造深度融合、完善技术产品文件标准体系的重大意义。报告明确指出，该标准的发布实施，将有效降低企业研发成本，缩短产品开发周期，增强高端装备制造产业链的自主可控能力，标志着我国在大型锻件成型工艺数值模拟领域正式迈入规范化、标准化的发展新阶段。【关键词】中文关键词：大型锻件；成型工艺；数值模拟；技术规范；技术产品文件；智能制造；标准化英文关键词：LargeForgings;FormingProcess;NumericalSimulation;TechnicalSpecification;TechnicalProductDocumentation;SmartManufacturing;Standardization一、项目背景与立项必要性1.1行业痛点与技术需求大型锻件是核电、火电、水电、石化、船舶及航空航天等国家战略性产业的核心部件。其形状复杂、尺寸庞大、材料牌号多样，成型工艺（如自由锻、模锻）通常涉及多火次、大变形、复杂温控等过程。传统的“试错法”工艺开发模式成本高昂、周期漫长，且一次成功率低。数值模拟技术，特别是有限元分析（FEA）方法，已成为理解和预测大型锻件成型过程中金属流动、温度变化、微观组织演化以及内部缺陷（如缩孔、疏松、裂纹）生成机理的关键手段。然而，在标准制定前，行业内面临以下严峻挑战：1.模型构建标准缺失：不同企业、不同软件平台在几何模型简化、单元类型选择、网格划分策略（尤其是局部细化准则）上差异巨大，导致模拟基础不一致。2.边界条件定义不统一：摩擦系数、界面换热系数、材料本构模型参数（如应变速率敏感性、温度依赖性）等关键边界条件的获取与选取缺乏统一规范，严重影响模拟结果的准确性。3.结果评价与验证方法缺乏：对于模拟结果的应力、应变、温度分布等数据的有效提取、分析与物理验证（如金相试验、硬度测试）之间的关联经验，缺乏标准化流程，导致模拟结果难以转化为工程决策。4.技术文件管理不统一：模拟报告的结构、内容、数据格式、可追溯性差，无法形成有效的知识积累和跨平台协作。1.2政策与战略导向我国《“十四五”智能制造发展规划》和《国家标准化发展纲要》均明确强调，要加快基础共性标准和关键技术标准研制，推动制造业数字化、网络化、智能化升级。大型锻件作为高端装备制造的“脊梁”，其工艺设计的数字化水平直接关系到重大装备的质量与寿命。制定《技术产品文件大型锻件成型工艺数值模拟技术规范》是落实国家制造强国战略、推进工业软件应用标准化的重要举措。该标准将填补我国在大型锻件工艺仿真领域的标准空白，与国际标准（如ISO10303系列）形成互补，提升我国在该领域的国际话语权。二、国内外技术现状与标准概况2.1国际现状国际上，欧盟、美国及日本在锻造成形数值模拟领域起步较早，建立了较为系统的理论体系和成熟的商用软件（如Deform、Simufact、QForm、Forge）。德国在大型锻件领域（如船舶曲轴、发电机转子）的仿真技术居于领先地位。在标准化方面，ISO/TC213（产品几何技术规范）等组织关注宏观几何质量，但对于工艺过程模拟，尤其是大型锻件专用规范，尚未形成国际标准。国际大型锻件协会（如IFM）等组织更多聚焦于技术交流而不涉及标准制定。2.2国内现状近年来，随着国产商用软件（如自主研发的锻件仿真系统）和高校科研力量的崛起，国内大型锻件数值模拟技术取得了长足进步。太原重型机械集团、中国第一重型机械集团、上海电气电站设备有限公司等龙头企业积累了大量工程实践经验。然而，这些经验多以内部规程（企业标准）形式存在，不同企业间的数据接口、评价准则互不兼容。国内相关标准主要集中在术语通用（如GB/T8545《锻件术语》）、工艺基础以及二维工程制图规范（GB/T4457系列）层面，缺乏对“软件模拟过程”本身的技术规范性约束。因此，制定统一的行业标准迫在眉睫。三、标准主要内容与技术要点本标准包含前言、引言、范围、规范性引用文件、术语和定义、符号和缩略语、总体要求、建模与仿真、结果分析、仿真验证、报告与归档等章节。3.1范围与总体要求本标准规定了大型锻件成型工艺数值模拟的基本流程、技术要求和文件规范。适用于碳钢、合金钢、高温合金及钛合金等材料的大型锻件自由锻、模锻及辊锻成型过程的数值模拟。总体要求强调模拟应基于实际工艺条件，并充分考虑材料热物性参数、本构模型及摩擦换热边界条件的真实性。标准要求模拟软件必须经过验证，并建议优先使用经过国家认证或行业认可的仿真平台。3.2建模与仿真该部分是标准的核心技术内容，主要包括：*几何模型构建：明确应基于设计图纸建立三维模型，允许对不影响主要成型特征的局部细节（如圆角、小孔）进行合理简化，但需记录简化内容。*有限元模型与网格划分：推荐使用六面体单元（HexahedralElement）或高级四面体单元，对高应变区（如型腔尖角、拔长端部）定义网格细化和重划分准则，禁止出现负体积单元或过度畸变。这是当前行业最大的分歧点，本标准首次给出了经验参考值。*材料模型与本构关系：要求提供所选材料牌号的准确牌号、化学成分及热物性参数来源（如JMatPro计算数据或实测数据）。推荐采用修正的Arrhenius模型或Fields-Backofen模型来表征高温流动应力。*边界条件与载荷：规范了锻造设备（如压机、锤头）的速度-行程曲线、摩擦模型（如库仑摩擦或剪切摩擦，摩擦系数推荐通常取值范围0.3-0.5）、模具与锻件之间的界面换热系数（HTC，推荐值范围通常为5-20kW/(m²·K)）。3.3结果分析与验证标准要求对模拟结果进行多维度分析：*宏观场量分析：包括等效应变分布、温度场演变、行程载荷曲线，用以预测“死区”区域、变形均匀性及设备载荷是否超限。*微观组织预测：基于动态再结晶和亚动态再结晶模型，量化晶粒尺寸演变。这是本标准区别于通用仿真的重要特征，专门针对大型锻件的组织均匀性控制。*缺陷预测：结合Cockcroft&Latham或其衍生准则，预测锻造过程中的开裂风险；分析中心缩孔或空洞闭合情况。*验证要求：标准强制性要求将模拟结果与物理实验（至少包含金相组织分析、硬度测试及实际锻造后的尺寸测量）进行对比，验证误差应控制在工程允许范围内（例如，主要部位的温度误差不超过±20℃，晶粒尺寸误差不超过±15%）。3.4报告与文件归档作为“技术产品文件”的子标准，本标准对报告提出了严格格式要求：*报告内容：应包含工艺参数表、模拟设置（网格、材料、边界条件截图）、关键工序云图、缺陷预测分析、与实测数据的对比图表。*数据可追溯性：要求保存原始仿真模型文件（含网格）、求解器设置文件、日志文件及结果文件，以便后期复现或仲裁。*版本管理：明确项目编号、版本号及变更记录，与产品其他设计文件（如CAD图纸、工艺过程卡）建立关联。四、主要参加单位介绍全国技术产品文件标准化技术委员会（代号SAC/TC146）全国技术产品文件标准化技术委员会（SAC/TC146）是经国家标准化管理委员会批准设立的，负责我国技术产品文件（TPD）领域的标准化技术归口管理工作。委员会由来自机械、航空、航天、船舶、汽车、电子等多行业的科研院所、高校、设计单位及制造企业的专家组成。在本标准的研制过程中，SAC/TC146发挥了核心牵头和统筹协调作用。鉴于“大型锻件成型工艺数值模拟”属于对“技术产品文件”概念的创新性拓展——即从传统的二维图纸、三维CAD文件，延伸至包含“过程仿真”和“虚拟验证”的数字化文件。委员会特邀国内大型锻件仿真领域的顶尖专家（如哈尔滨工业大学材料科学与工程学院、中国锻压协会工艺模拟分会、中国重型机械研究院股份公司锻造技术研究所等）组成标准起草工作组。委员会主要贡献在于：1.框架顶层设计：依据ISO/TC10（技术产品文件）的理念，首次将数值模拟过程明确定义为一种高级的“技术产品文件”形态，确保了本标准与现有GB/T18618（《产品几何技术规范》）等基础标准的协调统一。2.术语协调：统一了行业内关于“网格重划分”“热-力耦合”“微观组织参量”等专业术语的中英文定义，避免了多学科交叉带来的概念混淆。3.多利益相关方平衡：通过组织多次线上及线下研讨会，协调了重型装备制造企业（追求工程实用性）与软件开发及高校（追求技术严谨性）之间的诉求。例如，在“网格质量”的量化指标上，委员会组织盲评测试，最终确定了兼顾计算效率与精度的推荐阈值。4.政策宣贯与推广：作为技术归口单位，委员会将在标准发布后，负责组织宣贯会、编写标准解读材料，并推动该标准在核电、火电、航空航天等重大工程项目中的采信与使用。五、结论与展望《技术产品文件大型锻件成型工艺数值模拟技术规范》（JB/T15291-2025）的制定，是我国制造标准化领域一项具有里程碑意义的工作。它成功将高端工艺仿真这一“经验密集型”活动，转化为具有“数据可靠、方法规范、结果可验、文件可比”特点的标准化工程行为。该标准的发布，预期将产生以下深远影响：1.提质增效：通过规范化模拟流程，大幅减少无效仿真次数，使大型锻件的“首次模拟即成功”成为可能，直接缩短新产品研发周期30%以上，降低试制成本。2.知识资产化：标准化的文件归档体系，使得企业多年积累的工艺模拟数据变成可查询、可复用的核心知识库，有效防范人才流动带来的技术断层风险。3.产业链协同：统一的格式和评价准则，为主机厂（如核电蒸汽发生器制造商）与锻件供应商之间搭建了清晰的数