銅陵學(xué)院課程實驗報告2(江自信)

1、銅陵學(xué)院課程實驗報告實驗名稱 棒材熱擠壓過程模擬 實驗課程 材料成型計算機模擬 指導(dǎo)教師 張 金 標 . 專業(yè)班級 10 材控 （2） .姓 名 江自信 .學(xué) 號 1010121034 .2013年04月23日實驗二 棒材熱擠壓過程模擬1 實驗?zāi)康呐c內(nèi)容1.1 實驗?zāi)康倪M一步熟悉DEFORM軟件前處理、后處理的操作方法，掌握熱力耦合數(shù)值模擬的模擬操作。深入理解并掌握DEFORM軟件分析熱擠壓的塑性變形力學(xué)問題。1.2 實驗內(nèi)容擠壓模擠壓筒擠壓墊1401004060120450圖1 棒材擠壓示意圖運用DEFORM模擬如圖2所示的黃銅(DIN_CuZn40Pb2)棒擠壓過程（已知：坯料f98

2、80;100mm）（一）擠壓條件與參數(shù)擠壓工具：尺寸如圖所示，材質(zhì)DIN-D5-1U,COLD，溫度3500。坯料：材質(zhì)DIN_CuZn40Pb2，尺寸f98×100，溫度6300。工藝參數(shù)：擠壓速度10mm/s，摩擦系數(shù)0.1。（二）實驗要求（1）運用AUTOCAD或PRO/e繪制各模具部件及棒料的三維造型，以stl格式（二）實驗要求（1）運用AUTOCAD或PRO/e繪制各模具部件及棒料的三維造型，以stl格式輸出；（2）設(shè)計模擬控制參數(shù)；（3）DEFORM前處理與運算；（4）DEFORM后處理，觀察圓柱體壓縮變形過程，載荷曲線圖，通過軸對稱剖分觀察圓柱體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變及損傷值分

3、布狀態(tài)；（5）運用DEFORM后處理Flow Net（流動?xùn)鸥瘢┕δ苡^察金屬流動的不均勻性，說明原因；（6）提交分析報告（紙質(zhì)和電子版）、模擬數(shù)據(jù)文件、日志文件。2 實驗過程2.1擠壓工模具及工件的三維造型根據(jù)給定的幾何尺寸，并從書中查得工作帶長度為10mm，入口圓角半徑為5mm，擠壓墊外徑為99mm，擠壓墊厚度為9mm，運用AUTOCAD或PRO/E分別繪制坯料、擠壓模、擠壓墊、擠壓筒的幾何實體，文件名稱分別為extrusion workpiece，extrusion die，extrusion dummy block，extrusion chamber。輸出STL格式。 2.2 擠壓模擬2

4、.2.1 前處理建立新問題：程序®DEFORM6.1®File®New Problem® Next®在Problem Name欄中填寫“stick extrusion”® Finish®進入前前處理界面。單位制度選擇：點擊Simulation Control按鈕®Main按鈕®在Units欄中選中SI（國際標準單位制度）。添加對象：點擊+按鈕添加對象，依次為“workpiece”、“top die”、“bottom die”和“object 4”，在Object Name欄中填入extrusion wor

5、kpiece®點擊Change按鈕®單擊Geometry按鈕®Import Geo按鈕，選擇extrusion workpiece.stl實體文件®打開；重復(fù)操作，依次添加extrusion die， extrusion dummy block，extrusion chamber。定義對象的材料模型：在對象樹上選擇extrusion workpiece®點擊General按鈕®選中Plastic選項®點擊Assign Temperature按鈕®填入溫度為630®點擊OK按鈕®在對象樹上選擇ex

6、trusion dummy block®點擊General按鈕®選中Rigid選項®點擊Assign Temperature按鈕®填入溫度為350®點擊OK按鈕®勾選Primary Die選項®如此重復(fù)，定義其它工模具的材料模型（不勾選Primary Die選項）。調(diào)整對象位置關(guān)系：在工具欄點擊Object Positioning按鈕進入對象位置關(guān)系調(diào)整對話框®根據(jù)擠壓要求及實體造型調(diào)整相互位置關(guān)系®點擊OK按鈕完成。模擬控制設(shè)置：點擊Simulation Control按鈕®Main按鈕

7、74;在Simulation Title欄中填入 “stick extrusion” ®在Operation Title欄中填入“deform heat transfer” ®勾選“Heat transfer”和“Deformation”選項®點擊Step按鈕®在Number of Simulation Steps欄中填入模擬步數(shù)為100®Step Increment to Save欄中填入1®在Primary Die欄中選擇extrusion dummy block®在With Constant Time Incremen

8、t欄中填入時間步長為0.05®點擊OK按鈕完成模擬設(shè)置。實體網(wǎng)格化：在對象樹上選擇Workpiece®點擊 Mesh ®選擇Detailed Settings的General選項卡®點擊Absolute，Size Ratio改為2，Element Size選Min Element Size，設(shè)為2®點擊 Surface Mesh ，生成表面網(wǎng)格®點擊Solid Mesh生成實體網(wǎng)絡(luò)。設(shè)置對象材料屬性：在對象樹上選擇extrusion workpiece®點擊Material®點擊other®選擇DIN-C

9、uZn40Pb21020-1740F(550-950C)®點擊Load完成材料屬性的添加。設(shè)置主動工具運行速度：在對象樹上選擇extrusion dummy block®點擊Movement®點擊Movement®在type欄上選中Speed選項®在Direction選中主動工具運行，如-Z®在speed卡上選中Define選項，其性質(zhì)選為Constant，填入數(shù)度值，如10mm/s；設(shè)置坯料邊界條件：選中物體Workpiece®單擊Bdry.Cnd按鈕®選中Symmetry plane圖標®然后分別選中

10、坯料的對稱面®單擊添加按鈕。工件體積補償：在對象樹上選擇Workpiece®點擊Property®在Target Volume卡上選中Active in FEM+meshing選項®點擊Calculate Volume按鈕®點擊Yes按鈕。邊界條件定義：在工具欄上點擊Inter-Object按鈕®在對話框上選擇extrusion workpieceextrusion dummy block®點擊Edit按鈕®點擊Deformation卡Friction欄上選中Shear和Constant選項，填入摩擦系數(shù)為0.1&

11、#174; 點擊Thermal®選中Constant選項，填入傳熱系數(shù)或選擇傳熱類型如Forming ® 點擊Close按鈕®如此重復(fù)，依次設(shè)置其它接觸關(guān)系® 點擊Generate all按鈕® 點擊Tolerance 按鈕®點擊OK按鈕完成邊界條件設(shè)置。保存k文件：在對象樹上選擇extrusion workpiece®點擊Save按鈕®點擊保存按鈕®保存工件的前處理信息®重復(fù)操作，依次保存各工模具的信息。2.2.2 生成庫文件在工具欄上點擊Database generation按鈕 ®

12、;在Type欄選中New選項®選擇路徑（英文）®填入數(shù)據(jù)庫文件名（英文），如stick extrusion ®點擊Check按鈕®沒有錯誤信息則點擊Generate按鈕®完成模擬數(shù)據(jù)庫的生成。2.2.3 退出前處理程序在工具欄上點擊Exit按鈕，退出前處理程序界面。2.2.4 模擬運算在主控程序界面上，單擊項目欄中的stick extrusion.DB文件®單擊Run按鈕，進入運算對話框®單擊Start按鈕開始運算®單擊Stop按鈕停止運算®單擊Summary，Preview，Message，Log按鈕可

13、以觀察模擬運算情況。2.3 后處理模擬運算結(jié)束后，在主控界面上單擊stick extrusion.DB文件®在Post Processor欄中單擊DEFORM-3D Post按鈕，進入后處理界面。（1）觀察變形過程：點擊播放按鈕查看成型過程，如圖2；圖2擠壓變形過程（2）觀察溫度變化：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇Temperature，點擊播放按鈕查看成型過程中溫度變化情況；（3）觀察最大應(yīng)力分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇Stress Max principal，點擊播放按鈕查看成型過程中最大應(yīng)力分布及其變化情況；（4）觀察最大應(yīng)變分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇Strain Tot

14、al- Max principal，點擊播放按鈕查看成型過程中最大應(yīng)變分布及其變化情況；（5）觀察破壞系數(shù)分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇Damage，點擊播放按鈕查看成型過程中可能產(chǎn)生破壞的情況；（6）成型過程載荷：點擊Load Stroke按鈕，生成變形工具加載曲線圖，保存圖形文件為load.png；（7）點跟蹤分析：點擊Point Tracking按鈕，根據(jù)上圖點的位置，在工件上依次點擊生成跟蹤點，點擊Save按鈕，生成跟蹤信息，觀察跟蹤點的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、溫度、破壞系數(shù)，保存相應(yīng)的曲線圖。（8）流動網(wǎng)格分析：點擊Flow Net按鈕，在對話框中分別選擇Starting step和E

15、nding step的數(shù)值，點擊Next，選擇Surface net，點擊Next，選中Parallel，點擊Next，確定起點平面、終點平面，輸入方向矢量和分割面的數(shù)量，點擊Next，點擊Finish，生成金屬流動網(wǎng)格數(shù)據(jù)，點擊播放按鈕查看流動格變化情況。3 實驗結(jié)果與分析3.1觀察溫度變化圖3擠壓終了溫度分布從圖3可以看出：遠離擠壓墊的一端溫度最高，而與擠壓墊相接觸的一端溫度最低，這主要是由于在整個擠壓過程中與擠壓墊接觸的一端存在著熱交換，使溫度降低，不接觸的一端在整個過程中金屬流動較激烈，并且由于散熱不好且擠壓時間較短，溫度比與擠壓模相接觸端高且變化不大。同時，中心部位溫度分布較均勻而且

16、具有較高溫度值，這是因為在整個擠壓過程中坯料中心不與擠壓模具和空氣相接觸，熱量散失與熱傳遞都很小。3.2觀察最大應(yīng)力分布圖4 擠壓終了最大應(yīng)力分布從圖4可以清晰地看出：中間部位應(yīng)力分布較均勻，且數(shù)值較大，為三向壓應(yīng)力狀態(tài)，從中還可以看出擠壓過程中應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在工件剛剛進入擠壓模的位置，因為在此處由于工件的直徑急劇變化，金屬流動的阻力最大，不均勻變形也最大，在此處將產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力。在擠壓筒與坯料的接觸部位附加應(yīng)力和應(yīng)力影響都較小。3.3觀察最大應(yīng)變分從圖5可以清晰的看出：在整個擠壓過程中應(yīng)變最大的位置出現(xiàn)在工件剛剛 進入擠壓模的位置，此時工件部的主變形量最大，也即應(yīng)變最大。中間位置應(yīng)變

17、其次，中心內(nèi)部位應(yīng)變較小，兩端應(yīng)變最小。從圖6中可以很清晰的看出：已擠壓坯料的表面破壞系數(shù)較大，已擠壓坯料的中心和擠壓筒內(nèi)的坯料破壞系數(shù)都較低。這是由于擠壓過程中擠壓筒壁和擠壓模壁接觸摩擦力的影響，使邊部金屬流動滯后于中心部金屬，造成了邊部受壓，中心受壓的附加應(yīng)力分布，表面在附加拉應(yīng)力作用下易產(chǎn)生周期裂紋，所以坯料表面的破壞系數(shù)較大。圖5 擠壓終了最大應(yīng)變分布3.4觀察破壞系數(shù)分布圖6 擠壓終了破壞系數(shù)分布3.5成型過程載荷分布從圖7可以看出：整個擠壓過程的成型載荷總體上是沿直線逐漸增加的，因為隨著擠壓過程的進行，工件和擠壓模的接觸面積越來越多，所以受擠壓模具的摩擦力就會逐漸增大。同時由于還會

18、受到金屬內(nèi)部原子的相互作用力，隨著擠壓過程的進行金屬流動越來越困難，要求的擠壓力也越大。圖形中出現(xiàn)的很小的起伏，主要是因為在擠壓過程中DEFORM-3D成型軟件進行了網(wǎng)絡(luò)的重劃分，產(chǎn)生了均勻應(yīng)變，擠壓力小幅度降低擠。壓力總體上呈上升趨勢。圖7 成型過程載荷分布3.6點跟蹤分析 圖8 跟蹤點分布 圖9 跟蹤點溫度分布1)從圖9可以看出：所選的每個點的溫度分布整體上是呈小幅度的下降趨勢（本次試驗擠壓過程很短且工件與外界的熱傳遞幾乎沒有，所以個點的溫度幾乎保持不變），主要在模擬成型過程中存在工件和工具以及外界的熱交換、熱量損失，所以溫度會有所下降但幅度很小，因為在熱傳遞和熱量散失的過程中接觸摩擦?xí)a(chǎn)

19、生熱量，所以跟蹤點的溫度降幅很小。2)從圖10可以看出：應(yīng)力分布不均勻，且變化幅度較大，因為在擠壓過程中工件的某些部位有很大的不均勻變形，同時附帶了大量的附加應(yīng)力，而附加應(yīng)力在整個工件上的分布也是不均勻的，所以也就出現(xiàn)了如圖所示的情況。3）從圖11可以看出：應(yīng)變整體上市呈上升趨勢，因為材料的成型過程中每個質(zhì)點都產(chǎn)生了小的應(yīng)變程度，所有質(zhì)點應(yīng)變的總和便構(gòu)成了整個工件的應(yīng)變，所以總應(yīng)變是逐漸增大的。 圖10 跟蹤點最大應(yīng)力分布4）圖12可以看出：破壞系數(shù)整體是增大的，因為隨著擠壓過程的進行工件的應(yīng)變越來越大，不均勻變形也越嚴重，同時附加應(yīng)力也增加，金屬內(nèi)部晶格畸變也是越來越嚴重，則擠壓變形的進行舊越容易破壞，所以工件的破壞系數(shù)是逐漸增加的。圖11 跟蹤點最大應(yīng)變分布 圖12 跟蹤點破壞系數(shù)分布3.7流動網(wǎng)格分析 圖13 金屬流動網(wǎng)格由圖13可以看出：坯料外層的網(wǎng)格線被包圍在內(nèi)層網(wǎng)格線內(nèi)部，即坯料外層的網(wǎng)格拉長的較短，中心層的網(wǎng)格拉長的交長這是由于坯料徑向上的金屬質(zhì)點，總是中心部位首先流動進入變形區(qū)，外層金屬流動的較緩慢，即存在流動不均勻現(xiàn)象。從圖中還可以看出：各層網(wǎng)格之間變形前后平行關(guān)系未改變。這符合基本擠壓階段金屬流動的特點，即坯料不發(fā)生中心層與外層的紊亂流動，坯料外層金屬出?？缀笕栽谥破吠鈱?，不會流到制品中心。說明擠壓未進