數(shù)值模擬技術(shù)及其在金屬塑性成形中的應(yīng)用

1、材加專業(yè)前沿講座前沿調(diào)研報(bào)告數(shù)值模擬技術(shù)及其在金屬塑性成形中的應(yīng)用學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院班級：xxxxx姓名：南京小諸葛學(xué)號：xxxxx目錄一、摘要1二、正文12.1數(shù)值模擬技術(shù)1 2.1.1數(shù)值模擬技術(shù)簡介12.1.2數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢12.1.3有限元法發(fā)展歷史22.1.4有限元法的發(fā)展現(xiàn)狀22.1.5有限元法在機(jī)械中的應(yīng)用22.2數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用22.3數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用舉例3三、參考文獻(xiàn)4一、摘要在本次材加專業(yè)學(xué)科前沿體驗(yàn)課金淼老師關(guān)于數(shù)值模擬技術(shù)及其在金屬塑形成型中的應(yīng)用，我學(xué)到了很多先進(jìn)前沿的知識。數(shù)值模擬技術(shù)是一項(xiàng)新型的求解數(shù)學(xué)模型的方法，尤其是數(shù)值法中的有限元法，

2、在機(jī)械行業(yè)運(yùn)用廣泛，在金屬塑性成形過程中更是有著很大的實(shí)用價(jià)值，是一項(xiàng)值得我們認(rèn)真研究的科學(xué)處理方法。關(guān)鍵字：數(shù)值模擬 塑性成形 有限元法二、正文在材加專業(yè)學(xué)科前沿體驗(yàn)課中，我們都聽了很多老師在不同方面的專業(yè)知識的講座，但讓我留下最深印象的就是金淼老師講授的“數(shù)值模擬技術(shù)及其在金屬塑性成形中的應(yīng)用”的講座。數(shù)值模擬技術(shù)是一種新型的模擬分析的技術(shù)，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)應(yīng)用十分廣泛，對我們專業(yè)的未來生產(chǎn)生活中的應(yīng)用也是頗有價(jià)值，所以我對數(shù)值模擬技術(shù)做了下面的前沿調(diào)研報(bào)告。該調(diào)研報(bào)告分為三個(gè)部分來講：首先講什么是數(shù)值模擬技術(shù)，然后講數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用，最后會列舉一個(gè)數(shù)值模擬技術(shù)實(shí)際生產(chǎn)中的例子

3、。2.1數(shù)值模擬技術(shù)2.1.1數(shù)值模擬技術(shù)簡介求解數(shù)學(xué)模型通常有兩種方法：一種是解析法，它通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)求出問題的精確解，或稱解析解；另一種是數(shù)值法，它通過一定的算法和程序，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算出問題的近似解，又稱數(shù)值解。常見的數(shù)值法有差分法，變分法和有限元法等。我們接下來主要講解集成差分法和變分法二者數(shù)值模擬優(yōu)點(diǎn)的有限元法。有限元法是求解各種復(fù)雜數(shù)理方程的一種數(shù)值計(jì)算方法，是彈性/塑性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)軟硬件有機(jī)結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)，是解決工程實(shí)際問題的一種有力的數(shù)值計(jì)算工具。2.1.2數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢近年來，在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析方法的支持下，數(shù)值模擬技術(shù)在國防、航空航天、交通

4、運(yùn)輸、電力、機(jī)械、工程建筑等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，從結(jié)構(gòu)合理性設(shè)計(jì)到結(jié)構(gòu)承載能力和工件壽命預(yù)測、從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性到工件開裂預(yù)測等，各個(gè)領(lǐng)域都滲透者數(shù)值模擬技術(shù)的身影。例如，分析葉片成形過程，研究其缺陷產(chǎn)生原因，以期為實(shí)際鍛造過程作知道，有效地改進(jìn)葉片成型質(zhì)量；模擬不同形狀工件、不同變形條件下缺陷產(chǎn)生的過程，以便能更好地了解缺陷的成因及改進(jìn)措施等。數(shù)值模擬以其低成本、高價(jià)值的優(yōu)勢成為越來越普通的工程計(jì)算和科學(xué)研究的手段，被越來越多的科研人員所接受和使用。因此，數(shù)值模擬技術(shù)也是降低制造成本、縮短研發(fā)周期、搞笑而實(shí)用地預(yù)測研究缺陷的方法和手段。數(shù)值模擬技術(shù)已從一個(gè)單純的分析工具轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N設(shè)計(jì)手段，成為

5、快速發(fā)展的一個(gè)相對獨(dú)立的科學(xué)領(lǐng)域，在理論和應(yīng)用方面都具有學(xué)科的特色。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：有效縮短新產(chǎn)品的開發(fā)研究周期，大幅度降低產(chǎn)品研發(fā)成本；以精確的分析結(jié)果為知道，制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品；快速進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和改進(jìn)，增加產(chǎn)品和工程的可靠性；精確預(yù)測產(chǎn)品性能；實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低材料的消耗和成本；預(yù)先發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品制造或工程設(shè)施中可能潛在的問題，減少經(jīng)濟(jì)損失和時(shí)間消耗；進(jìn)行試過分析，查找事故發(fā)生的可能原因；對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行仿真，選擇最優(yōu)方案及參數(shù)，同時(shí)縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減小財(cái)力消耗等。2.1.3有限元法的發(fā)展歷史1956年美國科學(xué)家Turner,Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，將剛架位移法推廣到彈性力學(xué)平面問題，第

6、一次給出用三角形單元求平面應(yīng)力問題的正確解答。1960年Clough進(jìn)一步處理了平面問題，并第一次提出“有限單元法”的名稱，并取得了一系列成果。60-70年代，有限元的巨大成就引起了數(shù)學(xué)界的注意，對于有限元離散化誤差，收斂性，穩(wěn)定性等方面的研究鞏固了有限元的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。70年代有限元發(fā)展異常迅速，從“位移法”開始已經(jīng)發(fā)展成內(nèi)容十分廣泛的計(jì)算力學(xué)學(xué)科，僅分析方法而論，可分為：位移元，雜交元，混合元，邊界元，樣條元和半解析法等；就分析對象而言，已由固體力學(xué)分析，發(fā)展為流體，傳導(dǎo)，塑性，粘彈性等，近年來，每年發(fā)表有關(guān)有限元的論文數(shù)以千計(jì)。2.1.4有限元法的應(yīng)用現(xiàn)狀由于該法具有靈活、快速和有效的特點(diǎn)，

7、使得其發(fā)展非常迅速，很快成為許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域和實(shí)際工程問題中廣泛應(yīng)用的方法。應(yīng)用領(lǐng)域涉及機(jī)械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、汽車、石油以及生物工程等等任何涉及場的問題。目前，國際上有90的機(jī)械產(chǎn)品和裝備都要采用有限元方法進(jìn)行分析，進(jìn)而進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化。實(shí)際上有限元分析已成為替代大量實(shí)物實(shí)驗(yàn)的數(shù)值化“虛擬試驗(yàn)”，基于該方法的大量計(jì)算分析與典型的驗(yàn)證性試驗(yàn)相結(jié)合可以做到高效率和低成本。2.1.5有限元法在機(jī)械中的應(yīng)用（1）靜力學(xué)分析，即求解所受的外載荷不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間變化緩慢的機(jī)械系統(tǒng)平衡問題；（2）模態(tài)分析，即求解關(guān)于系統(tǒng)的某種特征值或穩(wěn)定值的問題；振動

8、領(lǐng)域（3）瞬態(tài)動力學(xué)分析， 即求解所受的外載荷隨時(shí)間變化的動力學(xué)響應(yīng)問題；（4）非結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，主要有機(jī)械系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)（溫度場）、噪聲分析與控制以及結(jié)構(gòu)、熱、噪聲等多場耦合分析；在機(jī)械結(jié)構(gòu)分析的軟件方面，最早的是美國國家宇航局（NASA）在1965年委托美國計(jì)算科學(xué)公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)的NASTRAN有限元分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在已有幾十個(gè)版本。此外比較知名的有限元軟件包括德國ASKA、英國PAFEC、法國SYSTUS、FORGE,美國ABAQUS、ADINA、ANSYS、COSMOS、MARC、DEFORM。2.2數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用金屬塑性加工成型是現(xiàn)代制造業(yè)中金屬加

9、工的重要方法之一，金屬塑性加工的變形過程是一個(gè)非常復(fù)雜的彈塑性大變形過程。這時(shí)既有材料非線性，又有幾何非線性 ,再加上復(fù)雜的邊界接觸條件的非線性，這些因素使其變形機(jī)理非常復(fù)雜，難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來進(jìn)行描述。隨著金屬塑性成形技術(shù)的日益發(fā)展 ，人們對其在成形過程中的變形規(guī)律、變形力學(xué)的分析越來越重視。數(shù)值模擬已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金屬成形過程。產(chǎn)品質(zhì)量的提高與成型過程的控制息息相關(guān)，二者也是塑性成形領(lǐng)域一直關(guān)注和面臨的難題。在生產(chǎn)過程中，由于工藝設(shè)計(jì)不合理常常會產(chǎn)生各種缺陷。金屬塑性成形過程中的缺陷主要分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類，常見的有表面折疊、起皺、縮孔、裂紋、填充不足、外部開裂和內(nèi)部開裂等。

10、缺陷的存在會嚴(yán)重影響到制件的后續(xù)加工和使用質(zhì)量，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢、從而造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，通過數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行缺陷預(yù)測以制定缺陷防止措施，可節(jié)省大量人力、物力和財(cái)力，從而降低成本、縮短研發(fā)周圍，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要價(jià)值。近年來，研究預(yù)測金屬塑性成形過程缺陷的方法很多，主要有主應(yīng)力法、上限法和有限元數(shù)值模擬方法。主應(yīng)力法和上限法需要進(jìn)行大量的人工計(jì)算，而且無法考慮應(yīng)力應(yīng)變歷史。有限元數(shù)值模擬方法克服了以上2中方法的缺點(diǎn)，可直觀地從模擬結(jié)果看出產(chǎn)品表面缺陷，也可根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和密度等場量的變化歷史來分析產(chǎn)品內(nèi)部和表面缺陷，是目前應(yīng)用最廣泛的一種缺陷預(yù)測方法。2.3數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用舉例薄板沖

11、壓數(shù)值模擬技術(shù)在汽車覆蓋件制造中的應(yīng)用汽車覆蓋件是汽車產(chǎn)品最重要的組成部件之一，一般是通過大型模具采用沖壓工藝加工制造而成。車身覆蓋件要求表面平滑，不允許有皺紋、劃傷、拉毛等表面缺陷，要求具有足夠的剛性和尺寸穩(wěn)定性。這些都與加工過程中的板殼力學(xué)問題息息相關(guān)，而成形過程中的力學(xué)問題非常復(fù)雜，只有采用數(shù)值技術(shù)才能使問題得到簡化。汽車覆蓋件成形加工生產(chǎn)目前主要依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)來制定沖壓工藝、開發(fā)相關(guān)模具，具有相當(dāng)大的隨意性和不確定性。然而板料成形的力學(xué)過程及成形影響因素非常復(fù)雜，是一個(gè)集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強(qiáng)非線性問題，用傳統(tǒng)的解析方法很難求解。塑性成形理論經(jīng)過100多年的發(fā)展

12、，已相當(dāng)成熟。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的普及，板料塑性成形過程用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬已成為一項(xiàng)有效解決該問題的高新技術(shù)。汽車覆蓋件包括覆蓋汽車發(fā)動機(jī)、底盤、構(gòu)成駕駛室及車身的所有厚度3mm以下的薄鋼板沖壓而成的表面和內(nèi)部零件，其重量占到汽車用鋼材總量的50%以上。汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復(fù)雜、多為復(fù)雜的空間曲面、結(jié)構(gòu)尺寸大和表面質(zhì)量高等特點(diǎn)。在沖壓時(shí)毛坯的變形情況復(fù)雜，故不能按一般拉伸件那樣用拉伸系數(shù)來判斷和計(jì)算它的拉伸次數(shù)和拉伸可能性，且需要的拉延力和壓料力都較大，各工序的模具依賴性大，模具的調(diào)整工作量也大。汽車覆蓋件成形過程中板料上的應(yīng)力應(yīng)變分布情況非常復(fù)雜，成形質(zhì)量影響因素較多。從變形方式看，板料的成形是拉延、翻邊、脹形、彎曲等多種變形方式的組合過程。對一個(gè)給定的零件來說，一套合理的模具和工藝方案的確定，不僅要靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算，還往往離不開反復(fù)地試模和修模。因此汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是要解決好沖壓過程中板料不同部位之間材料的協(xié)調(diào)變形問題，既要避免局部區(qū)域過分變薄甚至拉裂，又要避免起皺或在零件上留下滑移線，還要將零件的回彈量控制在允許的范圍內(nèi)。目前，板料沖壓過程的計(jì)算機(jī)分析與仿真技術(shù)（非線性有限元分析技術(shù)）已能在工程實(shí)際中幫助解決傳統(tǒng)方法難以解決的模具設(shè)計(jì)和沖壓工藝設(shè)計(jì)難題，