塑性成形過(guò)程數(shù)值模擬

塑性成形過(guò)程數(shù)值模擬第1頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【本章學(xué)習(xí)目標(biāo)】★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(guò)程；★了解塑性成形模擬的特點(diǎn)；★了解有限元分析需要處理的基本問(wèn)題。第2頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)能力要求相關(guān)知識(shí)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(gè)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(guò)程掌握有限元軟件仿真求解的過(guò)程的工藝流程，各個(gè)工序的功能有限元仿真的實(shí)質(zhì)及實(shí)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(diǎn)了解塑性成形及其模擬分析的特點(diǎn)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(guò)程的基本問(wèn)題了解有限元分析需要處理的基本問(wèn)題塑性成形分析的速度場(chǎng)、收斂依據(jù)、摩擦條件、剛性區(qū)等基本理論問(wèn)題第3頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月導(dǎo)入案例塑性加工過(guò)程的有限元數(shù)值模擬，可以獲得金屬變形的詳細(xì)規(guī)律，如網(wǎng)格變形、速度場(chǎng)、應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律，以及載荷-行程曲線。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的可視化分析，可以在現(xiàn)有的模具設(shè)計(jì)上預(yù)測(cè)金屬的流動(dòng)規(guī)律，包括缺陷的產(chǎn)生。利用得到的力邊界條件對(duì)模具進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，從而改進(jìn)模具設(shè)計(jì)，提高模具設(shè)計(jì)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4頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在塑性成形過(guò)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(wèn)題難于求得精確解。有限元法是目前進(jìn)行非線性分析的最強(qiáng)有力的工具，因此也成為金屬塑性成形過(guò)程模擬的最流行的方法。第5頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)成形過(guò)程仿真系統(tǒng)的建立，就是將有限元理論、成形工藝學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)等相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的過(guò)程。成形問(wèn)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6頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第7頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）建立幾何模型一般的有限元分析商業(yè)軟件都提供簡(jiǎn)單的幾何造型功能，可滿足幾何形狀簡(jiǎn)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(jì)結(jié)果。第8頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月由模具設(shè)計(jì)人員用CAD軟件設(shè)計(jì)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(guò)于細(xì)長(zhǎng)的曲面片等等。因此，需要進(jìn)行檢查和修改，消除這些缺陷。另外，原始設(shè)計(jì)中包含的一些細(xì)小特征，如小凸臺(tái)，拉延筋等，應(yīng)該刪去，以免導(dǎo)致在這些區(qū)域產(chǎn)生過(guò)多細(xì)小的單元，不必要地增加計(jì)算工作量，這些過(guò)程一般稱(chēng)為幾何清理。第9頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.建立有限元分析模型1)劃分網(wǎng)格劃分網(wǎng)格是將問(wèn)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(lèi)。一類(lèi)是映射法,另一類(lèi)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(zhǎng)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(diǎn)應(yīng)盡可能共面。第10頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)選擇材料模型例如對(duì)于各向異性較強(qiáng)的板材的沖壓成形，應(yīng)選用塑性各向異性材料模型；對(duì)于熱鍛問(wèn)題，應(yīng)選用黏塑性模型，為了提高計(jì)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(cè)冷鍛等成形過(guò)程中工件的內(nèi)部裂紋，可以采用損傷模型等等。第11頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月一般而言，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(duì)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(guò)試驗(yàn)測(cè)定。第12頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)選擇求解算法對(duì)于準(zhǔn)靜態(tài)的成形過(guò)程，應(yīng)盡可能選用靜力算法求解。對(duì)于高速成形過(guò)程，應(yīng)采用動(dòng)力算法求解。在體積成形模擬中，若主要關(guān)心成形過(guò)程中工件的變形情況，應(yīng)采用剛塑性有限元法，以減少計(jì)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13頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(duì)稱(chēng)性條件，利用對(duì)稱(chēng)性可以大大減小所需的計(jì)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(shí)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14頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jiàn)的。工件所受的外力主要是通過(guò)工件與模具的接觸施加的。建立幾何模型時(shí)定義了工具的幾何形狀，劃分網(wǎng)格時(shí)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15頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（1）位置和運(yùn)動(dòng)。（2）接觸和摩擦。（3）其它工藝參數(shù)。第16頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.求解求解階段一般不需用戶干預(yù)。計(jì)算過(guò)程的有關(guān)文字信息可以從輸出窗口觀察，可以通過(guò)圖形顯示隨時(shí)檢查計(jì)算所得的中間結(jié)果。第17頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.后處理后處理通常是通過(guò)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(cè)成形質(zhì)量和成形缺陷。第18頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.3塑性成形模擬的特點(diǎn)（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(wèn)題增大了模擬計(jì)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19頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.4有限元處理過(guò)程的幾個(gè)問(wèn)題1.初始速度場(chǎng)的生成。初始速度場(chǎng)的選擇不可能、也沒(méi)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(guò)程中的流動(dòng)規(guī)律。初始速度場(chǎng)選擇的好與壞，直接影響到收斂速度的快與慢，當(dāng)初始速度場(chǎng)與實(shí)際速度場(chǎng)相差較大時(shí)，就難以收斂，甚至還會(huì)發(fā)散。最常用的初始速度場(chǎng)的產(chǎn)生方法有以下幾種：第20頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于變形毛坯形狀和邊界條件比較簡(jiǎn)單的情況，可以采用能量法、上限法等工程計(jì)算方法求得近似速度場(chǎng)作為有限元計(jì)算時(shí)的初始速度場(chǎng)。1)工程近似法第21頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3)近似泛函法對(duì)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(lái)生成初始速度場(chǎng)，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(gè)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(gè)方程組求得滿足邊界條件的速度場(chǎng)作為初始速度場(chǎng)。第22頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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23頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.摩擦邊界條件的選擇1)剪切摩擦模型2)庫(kù)侖摩擦模型3)線性粘摩擦模型4)能量摩擦模型第24頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.剛性區(qū)的簡(jiǎn)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?yàn)樵趧傂詤^(qū)內(nèi)應(yīng)變速率接近或者等于零，在計(jì)算過(guò)程中會(huì)引起泛函變分的奇異，造成計(jì)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(jì)算開(kāi)始時(shí)，很難準(zhǔn)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(wèn)題，常采用簡(jiǎn)化的處理辦法。第25頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5.邊界條件的處理1)速度奇異點(diǎn)的處理2)翻邊現(xiàn)象的處理3)脫模與觸模處理第26頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6.時(shí)間步長(zhǎng)的確定1)觸模和脫模條件。2)體積不變條件。3)迭代收斂性條件。第27頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7.網(wǎng)格的重新劃分用剛（粘）塑性有限元法計(jì)算材料成形過(guò)程時(shí)，隨著變形程度的增加和動(dòng)態(tài)邊界條件的變化，初始劃分好的規(guī)則有限元網(wǎng)格，會(huì)發(fā)生部分畸變現(xiàn)象，網(wǎng)格出現(xiàn)不同程度的扭曲，從而影響有限元的計(jì)算精度，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使迭代過(guò)程不收斂。第28頁(yè)，課件共31頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2)網(wǎng)格細(xì)分法首先將變形體分成幾個(gè)大的單元，采用均勻速度場(chǎng)作為初始的速度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，取得收斂到一定程度的計(jì)算結(jié)果。再將單元進(jìn)一步