金屬塑性成形過程模擬大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、金屬塑性成形過程模擬材型10-3班暢波20100865一、模擬題目采用ansys對圓柱形紫銅管進(jìn)行擠壓分析。如下圖示，圖1為圓柱形紫銅管坯料尺寸；圖2為凸模壓頭尺寸；圖3為凹模尺寸。規(guī)定坯料材料選用紫銅，凸模壓頭及凹模材料為cr12mov，下壓量h=30mm，摩擦系數(shù)=0.15。題目分析：紫銅管在擠壓過程中會發(fā)生塑性變形，因此其模擬屬于大變形問題。接觸類型屬于非線性接觸。由于模具與工件均為對稱件，因此在模擬過程中建立1/4三維模型，不僅可以觀察工件外部變形情況，同時(shí)易于觀察內(nèi)部變形情況。由于ansys中不存在單位，為了數(shù)據(jù)統(tǒng)一，因此所有參數(shù)采用國際統(tǒng)一單位。 圖一 圖二 圖三二、材料分析通過查

2、閱相關(guān)材料手冊，信息如下：紫銅密度：=8.9103 /m3；彈性模量：e=120109 pa；泊松比：=0.33；屈服極限=75106 pa；cr12mov密度：=7.854103 /m3；彈性模量：e=220109 pa；泊松比：=0.28；屈服極限=750106 pa；三、操作過程簡要概述：1.建立有限元模型可以通過pro/e或者ug軟件建立模型，導(dǎo)入ansys中；或者直接在ansys軟件中建立模型。本次模擬選擇ansys直接建立模型。 創(chuàng)建凹模平面。首先，以凸、凹模及坯料平面中軸線和凹模底端為坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系，根據(jù)題目所給尺寸計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)并作圖；然后，根據(jù)關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)連線，連線時(shí)要注意線

3、的方向要一致，否則在創(chuàng)建角度線的時(shí)候會出現(xiàn)錯(cuò)誤（多次錯(cuò)誤后總結(jié)）。最后，刪除多余線，生成線倒角并旋轉(zhuǎn)凹模生成面，完成凹模的平面的創(chuàng)建。創(chuàng)建坯料平面。創(chuàng)建坯料模型時(shí)使用的是角端點(diǎn)坐標(biāo)建立，角端點(diǎn)建立需要輸入坯料左下角的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)，坯料的寬度和高度。創(chuàng)建凸模平面。同樣采用角端點(diǎn)坐標(biāo)建立的方法，由于凸模上下表面積不同，故把凸模分成上下兩部分分部建立。完成凹模、坯料、凸模平面的建立后，由于模具與工件均為對稱件，因此在模擬過程中建立1/4三維模型，所以旋轉(zhuǎn)90。模型創(chuàng)建完成。2.選擇單元類型（3種單元類型）solid 8node 185；contact3d target 170（剛性面）；conta

4、ct8 nd surf 174（柔性面）；3.設(shè)置實(shí)常數(shù)4.定義材料參數(shù)5.劃分網(wǎng)格多次嘗試給定網(wǎng)格大小劃分網(wǎng)格不成功，所以選取自由劃分形式，為避免錯(cuò)誤，劃分時(shí)，對各部分單獨(dú)進(jìn)行劃分。6.賦予接觸面類型選用meshtool中的element attribute將2種接觸單元分別附給模具、工件；7.定義接觸對需要?jiǎng)?chuàng)建三組接觸對，分別為凸模兩部分之間表面接觸，凸模與工件上表面接觸；凹模與工件后表面接觸。8.施加約束與載荷（位移）1）凹模下表面全部固定；2）模具與工件對稱面全部施加對稱約束；3）凸模下表面施加向下的位移約束；9.求解運(yùn)算10.結(jié)果分析，動(dòng)畫演示詳細(xì)過程：第一步：更改工作名和工作標(biāo)題

5、1）選擇utility menu/file/change jobname命令，彈出【change jobnanme】對話框，在enter new jobname中輸入新工作文件名changbo，單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框。2）選擇utility meum/file/change title命令，出現(xiàn)【change title】對話框，輸入新標(biāo)題cb，單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框。第二步：建立模型1）選擇preprocessor/modeling/creat/keypoints/in active cs命令，出現(xiàn)【creat keypoints in active coordinate system】

6、對話框。在彈出的對話框中依次輸入1（0.015,0,0）、2（0.055,0,0）、3（0.055,0.122,0）、4（0.0205，0.122,0）、5（0.0205,0.047,0）、6（0.015,0.047,0），點(diǎn)擊ok按鈕，關(guān)閉該對話框，結(jié)果如圖4所示。圖4 創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)2）選擇preprocessor/modeling/creat/lines/straight line命令，彈出【creat straight line】對話框。依次拾取點(diǎn)1和2、點(diǎn)2和3，點(diǎn)3和4、點(diǎn)4和5、點(diǎn)1和6，單擊ok按鈕，關(guān)閉該對話框，結(jié)果如圖5所示。圖5 連接關(guān)鍵點(diǎn)3）選擇utility menu/p

7、lotctrls/numbering命令，在彈出的【plot numbering controls】 對話框中將lines numbers和keypoint numbers改為on，其余默認(rèn)。選擇utility menu/plot/lines命令，使當(dāng)前窗口顯示線。4）選擇preprocessor/modeling/creat/lines/at angle to line命令，彈出【straight line at angle to line】對話框，選擇5號線，單擊ok；然后選擇5號點(diǎn)，單擊ok；在angle in degrees中輸入30，結(jié)果如圖6所示。圖6 創(chuàng)建角度線5）選擇prepr

8、ocessor/modeling/delete/lines only命令，彈出【delete lines only】對話框，選擇6號線，單擊ok；選擇preprocessor/modeling/delete/keypoints命令，彈出【delete keypoints】對話框，選擇6號點(diǎn)，單擊ok，結(jié)果如圖7所示。圖7 刪除多余線6）選擇preprocessor/modeling/creat/lines/line fillet命令，彈出【line fillet】對話框，選擇4號線7號線，彈出【line fillet】對話框，選擇4號線和7號線，單擊apply按鈕，在fillet radius

9、中輸入0.002，單擊ok按鈕；選擇5號線和7號線，單擊ok按鈕，結(jié)果如圖8所示。圖8 生成線倒角7）選擇preprocessor/modeling/creat/areas/arbitrary/by lines命令，彈出【creat areas by lines】對話框，選擇屏幕中所有的線，單擊ok按鈕，完成凹模旋轉(zhuǎn)面創(chuàng)建，結(jié)果如圖9所示。圖9 創(chuàng)建凹模旋轉(zhuǎn)面8）選擇preprocessor/modeling/creat/areas/rectangle/by 2 corners命令，彈出【rectangle by 2 corners】對話框。在wpx輸入0.0185，wpy輸入0.047，wi

10、dth輸入0.002，height輸入0.06，單擊apply按鈕；在wpx輸入0，wpy輸入0.107，width輸入0.0205，height輸入0.08；在wpx輸入0，wpy輸入0.187，width輸入0.05，height輸入0.015，結(jié)果如圖10所示。圖10 生成工件、凸凹模旋轉(zhuǎn)面9）選擇preprocessor/modeling/creat/keypoints/in active cs命令，彈出【creat keypoints in active coordinate system】對話框。在彈出的對話框中依次輸入100（0,0,0）、101（0,0.21,0），完成中心旋轉(zhuǎn)

11、點(diǎn)的建立。10）選擇preprocessor/modeling/operrate/extrude/areas/about axis命令，彈出【sweep areas axis】對話框。單擊pick all按鈕，在彈出對話框中拾取點(diǎn)100和點(diǎn)101，單擊ok按鈕，在arc length in degrees中輸入90，完成模型建立，如圖11所示。圖11 生成模型第三步：定義單元類型1）選擇preprocessor/element type/add/edit/delete命令，彈出【element types】對話框。2） 單擊add按鈕，出現(xiàn)【library of element types】對

12、話框。在library of element types的第一個(gè)列表中選擇structural soild，在第二個(gè)列表框中選擇brick 8node 185，單擊apply按鈕。3）重新在library of element types第一個(gè)列表中選擇contact,在第二個(gè)列表框中選擇3d target 170,單擊apply按鈕。4）重新在library of element types第一個(gè)列表框中選擇contact,在第二個(gè)列表框中選擇8 nd surf 174,單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框，如圖12所示。圖12 定義單元類型第四步：定義實(shí)常數(shù)1）選擇preprocessor/real

13、constants/add/edit/delete命令,彈出【real constants】對話框，單擊add按鈕，在type 2 targe170下點(diǎn)ok，在彈出對話框中點(diǎn)擊ok；在set 1下單擊add按鈕,選擇tpye 3 conta174,點(diǎn)擊ok按鈕,在real constant set no.中輸入1，單擊ok按鈕。2）按照同樣的方式定義另一組實(shí)常數(shù)，選擇編號2，如圖13所示。圖13 定義實(shí)常數(shù)第五步：定義材料性能參數(shù)1）選擇preprocessor/material props/material models命令，彈出【define material model behavior

14、】對話框。2）在material models available一欄中雙擊structural選項(xiàng)中的linear選項(xiàng)，接著雙擊elastic選項(xiàng)，最后雙擊isotropic選項(xiàng)，彈出【linear isotropic properties for material number 1】對話框。在ex文本框中輸入材料彈性模量120e9，在prxy文本框中輸入材料泊松比0.33，單擊ok按鈕,關(guān)閉該對話框。3）在material models available一欄中雙擊structural選項(xiàng)中的nonlinear選項(xiàng)，接著雙擊inelastic選項(xiàng)，再雙擊rate independent選項(xiàng)

15、，然后雙擊isotropic hardening plasticity選項(xiàng)，接著雙擊misese plasticity選項(xiàng)，最后雙擊bilinear選項(xiàng)，彈出【bilinear isotropic hardening for material number 1】對話框，在yield stss文本框中輸入屈服極限75e6，單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框。4）雙擊structural選項(xiàng)中的density選項(xiàng)，彈出【density for material number 1】對話框，在dens中輸入密度8900，單擊ok按鈕,關(guān)閉該對話框。5）雙擊structural選項(xiàng)中的friction coeff

16、icient選項(xiàng)，彈出【friction coefficient for material number 1】對話框，在mu中輸入摩擦因數(shù)0.15，單擊ok按鈕,關(guān)閉該對話框。6）單擊material中的new model，定義第二組材料性能參數(shù)。7）在material models available一欄中雙擊structural選項(xiàng)中的linear選項(xiàng)，接著雙擊elastic選項(xiàng)，最后雙擊isotropic選項(xiàng)，彈出【linear isotropic properties for material number 2】對話框。在ex文本框中輸入材料彈性模量230e9，在prxy文本框中輸入材

17、料泊松比0.28，單擊ok按鈕,關(guān)閉該對話框。3）在material models available一欄中雙擊structural選項(xiàng)中的nonlinear選項(xiàng)，接著雙擊inelastic選項(xiàng)，再雙擊rate independent選項(xiàng)，然后雙擊isotropic hardening plasticity選項(xiàng)，接著雙擊misese plasticity選項(xiàng)，最后雙擊bilinear選項(xiàng)，彈出【bilinear isotropic hardening for material number 1】對話框，在yield stss文本框中輸入屈服極限750e6，單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框。4）雙擊st

18、ructural選項(xiàng)中的density選項(xiàng)，彈出【density for material number 1】對話框，在dens中輸入密度7854，單擊ok按鈕,關(guān)閉該對話框。5）雙擊structural選項(xiàng)中的friction coefficient選項(xiàng)，彈出【friction coefficient for material number 1】對話框，在mu中輸入摩擦因數(shù)0.15，單擊ok按鈕,關(guān)閉該對話框。圖14 設(shè)置材料參數(shù)第六步：劃分網(wǎng)格1）選擇preprocessor/meshing/meshtool選項(xiàng)，彈出【meshtool】對話框。將small size挑勾。2）選擇util

19、ity menu/plot/specified entities/volume, nv1輸入2,ninc輸入2點(diǎn)擊ok，選擇element attributes旁的set，將【mat】改成1，點(diǎn)擊mesh,選中坯料，點(diǎn)擊ok,完成如15圖所示： 圖15 劃分坯料3）按照上述方法對凹模進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如上圖nv1輸入1,ninc輸入1，點(diǎn)擊ok，選擇element attributes旁的set，將【mat】改成,2，點(diǎn)擊mesh,選中凹模，點(diǎn)擊ok,完成如圖16所示; 圖16 劃分凹模4）按照上述方法對沖頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如上圖nv1輸入3,ninc輸入3，點(diǎn)擊ok，選擇element attri

20、butes旁的set，將【mat】改成,2，點(diǎn)擊mesh,選中沖頭，點(diǎn)擊ok,完成如圖17所示; 圖17 劃分凸模5）按照上述方法對沖頭進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如上圖nv1輸入4,ninc輸入4，點(diǎn)擊ok，選擇element attributes旁的set，將【mat】改成,2，點(diǎn)擊mesh,選中沖頭，點(diǎn)擊ok,完成全部網(wǎng)格劃分，如圖18所示; 圖18 網(wǎng)格劃分第七步：定義接觸對1）選擇utility menu/plotctrls/numbering命令，在彈出的【plot numbering controls】對話框中將area numbers改為on。選擇plot/areas命令，使當(dāng)前窗口面。并且

21、記錄下來相應(yīng)面的編號。如圖19所示。凸模下表面19 坯料上表面16 坯料后表面15凹模內(nèi)表面8,9,10,11,12 凹模下表面5坯料內(nèi)表面17圖19 顯示模型面編號2）選擇preprocessor/modeling/create/contact pair命令，彈出【contact manager】對話框。單擊contact wizard命令，在彈出的對話框中單擊pick target按鈕，輸入19，點(diǎn)擊apply按鈕；點(diǎn)擊next，在彈出的對話框中單擊pick contact按鈕，輸入16，點(diǎn)擊apply按鈕；點(diǎn)擊next，點(diǎn)擊optional settings選項(xiàng)，選擇friction，將

22、stiffness matrix選項(xiàng)改為unsymmetric，單擊ok按鈕，然后點(diǎn)擊creat，在彈出對話框中點(diǎn)擊finish按鈕，完成凸模下表面與坯料上表面接觸對的創(chuàng)建。3）選擇preprocessor/modeling/create/contact pair命令，彈出【contact manager】對話框。單擊contact wizard命令，在彈出的對話框中單擊pick target按鈕，輸入15，點(diǎn)擊apply按鈕；點(diǎn)擊next，在彈出的對話框中單擊pick contact按鈕，輸入8,9,10,11,12，點(diǎn)擊apply按鈕；點(diǎn)擊next，點(diǎn)擊optional settings選

23、項(xiàng)，選擇friction，將stiffness matrix選項(xiàng)改為unsymmetric，單擊ok按鈕，然后點(diǎn)擊creat，在彈出對話框中點(diǎn)擊finish按鈕，完成坯料后表面與凹模內(nèi)表面接觸對的創(chuàng)建。4）選擇preprocessor/modeling/create/contact pair命令，彈出【contact manager】對話框。單擊contact wizard命令，在彈出的對話框中單擊pick target按鈕，輸入23，點(diǎn)擊apply按鈕；點(diǎn)擊next，在彈出的對話框中單擊pick contact按鈕，輸入21，點(diǎn)擊apply按鈕；點(diǎn)擊next，點(diǎn)擊optional setti

24、ngs選項(xiàng)，選擇friction，將stiffness matrix選項(xiàng)改為unsymmetric，單擊ok按鈕，然后點(diǎn)擊creat，在彈出對話框中點(diǎn)擊finish按鈕，完成沖頭間接觸對的創(chuàng)建。第八步：施加約束與載荷（或者位移）1）選擇solution/define loads/apply/structural/displacement/on areas命令，彈出【apply u，rot on areas】命令，選擇凹模下表面5，單擊ok按鈕，彈出對話框中選擇all dof，在value文本框中輸入0，單擊ok。2）選擇solution/define loads/apply/structura

25、l/displacement/symmetry b.c./on areas命令，彈出【apply symm on areas】對話框，選擇1,13,2,18,3,22,4,26，單擊ok按鈕。完成對稱約束建立。3）選擇solution/define loads/apply/structural/displacement/on aeas命令，彈出【apply u，rot on areas】命令，選擇凸模下表面19，單擊ok按鈕，彈出對話框中選擇uy，在value文本框中輸入-0.03，單擊ok。完成位移約束。第九步：求解1）選擇solution/analysis type/new analysi

26、s命令，出現(xiàn)【new analysis】對話框。在type of analysis中選擇static，單擊ok按鈕，關(guān)閉該對話框。2）選擇solution/analysis type/soln controls命令，彈出【solution controls】對話框。將analysis options改為large displacement static,將time at end of loadstep改為20，automatic time stepping改為on；在number of substeps中輸入45，在max no. of substeps中輸入360, 在min no. of

27、substeps中輸入45,單擊ok按鈕，關(guān)閉對話框，如圖20所示。圖20 設(shè)置求解器3）選擇solution/slove/current ls命令，出現(xiàn)【solve current load step】對話框,同時(shí)出現(xiàn)【status command】窗口，選擇file/close命令，關(guān)閉該窗口。單擊solve current load step對話框中的ok按鈕，ansys開始計(jì)算求解。4）求解結(jié)束時(shí)，出現(xiàn)solution is done提示框，單擊close按鈕，關(guān)閉該提示框，顯示迭代過程的時(shí)間跟蹤圖。如圖21所示： 圖21 時(shí)間跟蹤圖四、結(jié)果分析1）選擇general postproc

28、/read results/last set命令。2）選擇general postproc/plot results/deformed shape命令，彈出【plot deformed shape】對話框，選擇def+undef edge選項(xiàng)，查看變形前后的結(jié)果，如圖22所示。圖22 單元變形結(jié)果3）選擇general postproc/plot results/contour plot/nodal solution命令，彈出【contour nodal solution data】對話框，選擇nodal solution/dof solution/y-component of displac

29、ement，查看工件y方向位移，如圖23所示。圖23 y方向位移圖4）選擇general postproc/plot results/contour plot/nodal solution命令，彈出【contour nodal solution data】對話框，選擇nodal solution/stress/von mises stress，查看工件和模具節(jié)點(diǎn)所受等效應(yīng)力。如圖24所示。圖24 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力圖5）選擇general postproc/plot results/contour plot/nodal solution命令，彈出【contour nodal solution dat

30、a】對話框，選擇nodal solution/plastic strain/von mises plastic strain，查看工件和模具節(jié)點(diǎn)塑性變形部分所受等效應(yīng)力。如圖25所示。圖25 節(jié)點(diǎn)塑性變形等效應(yīng)力圖6）選擇general postproc/plot results/contour plot/element solution命令，彈出【contour element solution data】對話框，選擇element solution/stress/von mises stress，查看工件和模具單元所受等效應(yīng)力，如圖26所示。圖26 單元等效應(yīng)力圖7）選擇general postproc/plot results/contour plot/element solution命令，彈出【contour element solution data】對話框，選擇element solution/plastic strain/von mises plastic strain，查看工件和模具單元塑性變形部分所受等效應(yīng)力，如圖27所示。圖27 單元塑性變形等效應(yīng)力圖8）選擇general postproc/plot results/c