塑性成形過程數(shù)值模擬

塑性成形過程數(shù)值模擬第一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五【本章學(xué)習(xí)目標】★了解DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)；★掌握有限元軟件仿真求解的基本過程；★了解塑性成形模擬的特點；★了解有限元分析需要處理的基本問題。第二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五【本章教學(xué)要點】知識要點能力要求相關(guān)知識DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)了解DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)；各個模塊的功能塑性有限元軟件的前處理、求解器及后處理仿真求解的基本過程掌握有限元軟件仿真求解的過程的工藝流程，各個工序的功能有限元仿真的實質(zhì)及實現(xiàn)步驟：劃分網(wǎng)格、材料分配、工具及邊界條件的設(shè)置等塑性成形模擬的特點了解塑性成形及其模擬分析的特點塑性成形CAE分析材料的非線性、幾何的非線性和接觸的非線性塑性有限元過程的基本問題了解有限元分析需要處理的基本問題塑性成形分析的速度場、收斂依據(jù)、摩擦條件、剛性區(qū)等基本理論問題第三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五導(dǎo)入案例

塑性加工過程的有限元數(shù)值模擬，可以獲得金屬變形的詳細規(guī)律，如網(wǎng)格變形、速度場、應(yīng)力和應(yīng)變場的分布規(guī)律，以及載荷-行程曲線。通過對模擬結(jié)果的可視化分析，可以在現(xiàn)有的模具設(shè)計上預(yù)測金屬的流動規(guī)律，包括缺陷的產(chǎn)生。利用得到的力邊界條件對模具進行結(jié)構(gòu)分析，從而改進模具設(shè)計，提高模具設(shè)計的合理性和模具的使用壽命，減少模具重新試制的次數(shù)。第四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五在塑性成形過程中，工件發(fā)生很大的塑性變形，在位移與應(yīng)變的關(guān)系中存在幾何非線性；在材料的本構(gòu)關(guān)系中存在材料（即物理）非線性；工件與模具的接觸與摩擦引起狀態(tài)非線性。因此，金屬塑性成形問題難于求得精確解。有限元法是目前進行非線性分析的最強有力的工具，因此也成為金屬塑性成形過程模擬的最流行的方法。第五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)成形過程仿真系統(tǒng)的建立，就是將有限元理論、成形工藝學(xué)、計算機圖形處理技術(shù)等相關(guān)理論和技術(shù)進行有機結(jié)合的過程。成形問題有限元分析流程如圖2-1所示。從圖中看出，DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)是由前處理器、模擬處理器（FEM求解器）和后處理三大模塊組成。第六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五第七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五（1）建立幾何模型一般的有限元分析商業(yè)軟件都提供簡單的幾何造型功能，可滿足幾何形狀簡單的成形模擬建模需要。模具型面往往包含自由曲面，需要用CAD系統(tǒng)造型。分析軟件一般都具有CAD系統(tǒng)的文件接口，以便讀入在CAD系統(tǒng)中生成的設(shè)計結(jié)果。第八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五由模具設(shè)計人員用CAD軟件設(shè)計的幾何模型，往往不能完全滿足有限元分析的要求，例如曲面有重疊、縫隙，包含過于細長的曲面片等等。因此，需要進行檢查和修改，消除這些缺陷。另外，原始設(shè)計中包含的一些細小特征，如小凸臺，拉延筋等，應(yīng)該刪去，以免導(dǎo)致在這些區(qū)域產(chǎn)生過多細小的單元，不必要地增加計算工作量，這些過程一般稱為幾何清理。第九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2.建立有限元分析模型1)劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格是將問題的幾何模塑轉(zhuǎn)化成離散化的有限元網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分的方法主要可分為兩類。一類是映射法,另一類是自由的或非結(jié)構(gòu)化的方法。分網(wǎng)后應(yīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量，單元各邊長應(yīng)盡可能相等。單元的內(nèi)角應(yīng)盡可能平均，殼單元的各節(jié)點應(yīng)盡可能共面。第十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2)選擇材料模型例如對于各向異性較強的板材的沖壓成形，應(yīng)選用塑性各向異性材料模型；對于熱鍛問題，應(yīng)選用黏塑性模型，為了提高計算精度，還可以考慮選用材料參數(shù)隨溫度變化的模型；為了預(yù)測冷鍛等成形過程中工件的內(nèi)部裂紋，可以采用損傷模型等等。第十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五一般而言，材料的物理性能和彈性性能參數(shù)，如密度、熱容、彈性模量、泊松比等，對于材料成分和組織結(jié)構(gòu)小的變化不太敏感。但是材料的塑性性能是結(jié)構(gòu)敏感的，與材料的成分、組織結(jié)構(gòu)、熱處理狀態(tài)，以及加工歷史等都有密切關(guān)系，需要通過試驗測定。第十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3)選擇求解算法對于準靜態(tài)的成形過程，應(yīng)盡可能選用靜力算法求解。對于高速成形過程，應(yīng)采用動力算法求解。在體積成形模擬中，若主要關(guān)心成形過程中工件的變形情況，應(yīng)采用剛塑性有限元法，以減少計算量；若還要考慮工件卸載后的殘余應(yīng)力分布，則應(yīng)采用彈塑性有限元法。第十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3.定義工具和邊界條件1)定義邊界條件。成形模擬中的位移邊界條件主要是對稱性條件，利用對稱性可以大大減小所需的計算徽。在液壓成形中要定義液壓力作用的工件表面和液壓力隨時間的變化關(guān)系。熱分析中的邊界條件包括：環(huán)境溫度、表面換熱系數(shù)等。第十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2)定義工具。在成形模擬中直接給定工件所受外力的情況是很少見的。工件所受的外力主要是通過工件與模具的接觸施加的。建立幾何模型時定義了工具的幾何形狀，劃分網(wǎng)格時建立了工具表面的有限元模型。為使工具的作用能正確施加到工件上，還需定義工具如下三方面的性質(zhì)。第十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五（1）位置和運動。（2）接觸和摩擦。（3）其它工藝參數(shù)。第十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五4.求解求解階段一般不需用戶干預(yù)。計算過程的有關(guān)文字信息可以從輸出窗口觀察，可以通過圖形顯示隨時檢查計算所得的中間結(jié)果。第十七頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五5.后處理后處理通常是通過讀入分析結(jié)果數(shù)據(jù)文件激活的。分析軟件的后處理模塊能提供工件變形形狀、模型表面或任意剖面上的應(yīng)力─應(yīng)變分布云圖等。使用戶能方便地理解模擬結(jié)果，預(yù)測成形質(zhì)量和成形缺陷。第十八頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3.3塑性成形模擬的特點（l）工件通常不是在已知的載荷下變形，而是在模具的作用下變形，而模具的型面通常是很復(fù)雜的。處理工件與復(fù)雜的模型面的接觸問題增大了模擬計算的難度。（2)塑性成形中往往伴隨著溫度變化，在熱成形和溫成形中更是如此，要考慮變形分析與熱分析的耦合作用。第十九頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3.4有限元處理過程的幾個問題1.初始速度場的生成。初始速度場的選擇不可能、也沒有必要十分精確，但必須滿足邊界條件，并大體上反映出材料變形過程中的流動規(guī)律。初始速度場選擇的好與壞，直接影響到收斂速度的快與慢，當初始速度場與實際速度場相差較大時，就難以收斂，甚至還會發(fā)散。最常用的初始速度場的產(chǎn)生方法有以下幾種：第二十頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五對于變形毛坯形狀和邊界條件比較簡單的情況，可以采用能量法、上限法等工程計算方法求得近似速度場作為有限元計算時的初始速度場。1)工程近似法第二十一頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3)近似泛函法對于形狀和邊界條件都比較復(fù)雜的變形體，多采用近似泛函的方法來生成初始速度場，具體思路是：從廣義變分原理的幾種泛函出發(fā)，構(gòu)造一個與總能最泛函相近的泛函∏，并能由其取得駐位的條件獲得線性方程組，用這個方程組求得滿足邊界條件的速度場作為初始速度場。第二十二頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五2.收斂判據(jù)1)速度收斂判據(jù)2)平衡收斂判據(jù)3)能量收斂判據(jù)第二十三頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五3.摩擦邊界條件的選擇1)剪切摩擦模型2)庫侖摩擦模型3)線性粘摩擦模型4)能量摩擦模型第二十四頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五4.剛性區(qū)的簡化剛（粘）塑性有限元建立于剛（粘）塑性變分原理之上，而剛（粘）塑性變分原理只適用于塑性變形區(qū)。因為在剛性區(qū)內(nèi)應(yīng)變速率接近或者等于零，在計算過程中會引起泛函變分的奇異，造成計算結(jié)果的檻出，因此有必要區(qū)分塑性區(qū)與剛性區(qū)。但在計算開始時，很難準確地確定塑性變形區(qū)與剛性區(qū)的交界面，為了解決該問題，常采用簡化的處理辦法。第二十五頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五5.邊界條件的處理1)速度奇異點的處理2)翻邊現(xiàn)象的處理3)脫模與觸模處理第二十六頁，共二十八頁，編輯于2023年，星期五6.時間步長的確定1)觸模和脫模條件。2)