DEFORM實驗報告-鐓粗-2

PAGE1銅陵學院課程實驗報告實驗名稱圓柱體壓縮過程模擬實驗課程材料成型計算機模擬指導教師張金標專業(yè)班級09材控（1）.姓名萬偉學號09101210592012年04月29日

實驗一圓柱體壓縮過程模擬1實驗目的與內(nèi)容1.1實驗目的進一步熟悉AUTOCAD或PRO/E實體三維造型方法與技藝，掌握DEFORM軟件的前處理、后處理的操作方法與熱能，學會運用DEFORM軟件分析壓縮變形的變形力學問題。1.2實驗內(nèi)容運用DEFORM模擬如圖1所示的圓柱坯壓縮過程。砧板工件砧板工件錘頭圖1圓柱體壓縮過程模擬錘頭與砧板：尺寸200×200×20mm，材質(zhì)DIN-D5-1U,COLD，溫度室溫。工件：材質(zhì)DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，溫度室溫。表1實驗參數(shù)序號圓柱體直徑，mm圓柱體高度，mm摩擦系數(shù)，滑動摩擦錘頭運動速度，mm/s壓縮程度，%1100150012021001500.21203100250012041002500.2120（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（參考指導書）；（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)部應力、應變及損傷值分布狀態(tài)；（5）比較方案1與2、3與4、1與3和2與4的模擬結(jié)果，找出圓柱體變形后的形狀差別，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工模具及工件的三維造型根據(jù)給定的幾何尺寸，運用AUTOCAD或PRO/E分別繪制坯料、錘頭和砧板的幾何實體，文件名稱分別為workpiece，topdie，bottomdie，輸出STL格式。2.2壓縮過程模擬2.2.1前處理建立新問題：程序DEFORM-3DVer6.1FileNewProblemNext在ProblemName欄中填寫“Forging”Finish進入前前處理界面；單位制度選擇：點擊SimulationControl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”、“topdie”、“bottomdie”。定義對象的材料模型：在對象樹上選擇workpiece點擊General按鈕選中Plastic選項（塑性）點擊AssignTemperature按鈕填入20點擊OK按鈕；在對象樹上選擇topdie點擊General按鈕選中Rigid選項（剛性）點擊OK按鈕勾選PrimaryDie選項如此重復，定義其它工模具的材料模型（不勾選PrimaryDie選項）。實體網(wǎng)格化：在對象樹上選擇workpiece點擊Mesh（采用絕對劃分）點擊DetailSettings選擇Absolute將MinElementSize中數(shù)據(jù)改為3點擊SurfaceMeshSolidMesh，工件網(wǎng)格生成；工件體積補償：在對象樹上選擇workpiece點擊Property在TargetVolume卡上選中Active選項點擊CalculateVolume按鈕點擊Yes按鈕。設(shè)置對象材料屬性：在對象樹上選擇workpiece點擊Material右邊；Loadmaterialfromlibrary點擊other選擇DIN-CuZn40Pb2點擊了Load完成材料屬性的添加；同理應用于topdie，bottomdie材料的添加。設(shè)置主動工具運行速度：在對象樹上選擇topdie點擊Movement在speed/force選項卡的type欄上選中Speed選項在Direction選中主動工具運行，選擇-Z在speed卡上選中Define選項，其性質(zhì)選為Constantvalue，填入速度值，1mm/s；步數(shù)和步長的設(shè)定：在工具欄上點擊SimulationControl按鈕點擊Step，在NumberofSimulationSteps右格中填入30StepIncrementtoSave格中輸入3點擊WithdieDisplacement，輸入1mm。（后面三個實驗根據(jù)實際設(shè)定步數(shù)及步長）邊界條件定義：在工具欄上點擊Inter-Object按鈕在對話框上選擇workpiece—topdie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)0（一般默認是0）點擊Close按鈕點擊ApplytootherRelations，點擊Generateall按鈕點擊OK按鈕完成邊界條件設(shè)置；2.2.2生成庫文件在工具欄上點擊Databasegeneration按鈕點擊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Quit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forging.DB文件單擊Run按鈕，進入運算對話框。2.3后處理模擬運算結(jié)束后，在主控界面上單擊forging.DB文件在PostProcessor欄中單擊DEFORM-3DPost按鈕，進入后處理界面。觀察變形過程：點擊播放按鈕查看成型過程；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；觀察最大應力分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇MaxStress，點擊播放按鈕查看成型過程中最大應力分布及其變化情況；觀察最大應變分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇MaxStrain，點擊播放按鈕查看成型過程中最大應變分布及其變化情況；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；成型過程載荷：點擊LoadStroke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PointTracking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力、最大應變、溫度、破壞系數(shù)，保存相應的曲線圖。3實驗結(jié)果與分析以下實驗（a）方案代表高度為150mm、摩擦系數(shù)為0；（b）方案代表高度為150mm、摩擦系數(shù)為0.2；（c）方案代表高度為250mm、摩擦系數(shù)為0；（d）方案代表高度為250mm、摩擦系數(shù)為0.2；3.1圓柱體壓縮變形大致過程（a）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0壓縮變形過程（a）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0壓縮變形過程（b）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0.2壓縮變形過程（c）高度為250mm、摩擦系數(shù)為0壓縮變形過程（c）高度為250mm、摩擦系數(shù)為0壓縮變形過程（d）高度為250mm、摩擦系數(shù)為0.2壓縮變形過程圖2（a）、（b）（c）（d）四種方案的壓縮變形過程從上圖2中對比可以明顯看出方案（a）與方案（c）在壓縮過程中都是均勻變形，未出現(xiàn)鼓形輪廓，而方案（b）與方案（d）在壓縮過程中出現(xiàn)不均勻變形，圓柱體四周出現(xiàn)鼓形輪廓。由此可知圓柱體在鐓粗時除受變形工具的壓縮力外，在與工具接觸的端部還受接觸摩擦力的作用，由于接觸摩擦力阻礙金屬質(zhì)點橫向流動，使圓柱體在鐓粗時產(chǎn)生鼓形。對比方案（c）、（d），即在有摩擦條件下（摩擦系數(shù)相等），當H/d<2比H/d>2出現(xiàn)的單鼓形較為明顯。（a（a）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0（b）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0.2（b）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0.2(c)高度為250mm、摩擦系數(shù)為0(d)(d)高度為250mm、摩擦系數(shù)為0.2圖3（a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應力分布觀察下圖3（a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應力分布（1）高度相同，接觸摩擦系數(shù)不同：①由上圖3中對比方案（a）和方案（b），圓柱體表面及內(nèi)部最大應力分布截然不同。方案（a）中最大應力2.24Mpa（最大拉應力），最小應力為-2.48Mpa（最大壓應力），而最大應力主要分布在圓柱體的表面以及接觸面的邊緣處，內(nèi)部應力分布比較均勻，主要為壓應力，分布比較均勻。方案（b）中最大應力為9.42Mpa，最小應力為-99.6Mpa，最大應力主要位于圓柱體的表面以及靠近表面處，此區(qū)由于環(huán)向（切向）出現(xiàn)附加拉應力使其應力發(fā)生變化，環(huán)向拉應力越靠近外層越大，而徑向壓應力越靠近外層越小。最大壓應力位于圓柱體上下斷面的圓心處，壓應力延徑向逐漸減小，在應力圖中呈現(xiàn)出同心圓；延軸線向內(nèi)呈錐形逐漸減小。由于圓柱體端部的接觸面附近，受接觸摩擦的影響較大，在原理與垂直面的作用力軸線呈大致45度交角的易產(chǎn)生劃一的，在此區(qū)域產(chǎn)生塑性變形較為困難，具有強烈的三向壓應力狀態(tài)。②比較方案（c）和方案（d），方案（c）中最大應力為1.37Mpa，最小應力為1.53Mpa，最大拉應力主要分布在圓柱體的表面，最小應力即最大壓應力一小點區(qū)域分布在圓柱體表面，應力分布比較均勻。方案（b）中最大應力為5.22Mpa，最小應力為-58.3Mpa，其分布及形成原因與方案（b）類似。（2）接觸摩擦系數(shù)相同，高度不同：①比較方案（a）和方案（c），摩擦系數(shù)均為0時，壓下量越大，產(chǎn)生的附加應力拉應力和附加壓應力就越小，最大拉應力和最大壓應力均分布在圓柱體表面上。②比較方案（b）和方案（d），摩擦系數(shù)均為0.2時，壓下量越大，圓柱體壓縮變形過程中最大壓應力越小，最大拉應力越小，且應力分布區(qū)域大致相同。綜上所述，接觸摩擦系數(shù)以及高度對圓柱體鐓粗時變形均有影響。3.3最大應變比較觀察下圖4中（a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應變分布（1）高度一樣，接觸摩擦系數(shù)不一樣：①比較方案（a）和方案（b），從表面及內(nèi)部的應變狀態(tài)圖可以得出，無摩擦鐓粗時，應變分布比較均勻，圓柱體的四周處于拉伸狀態(tài)，軸向處于壓縮狀態(tài)，屬于典型的一向壓縮，兩向拉伸狀態(tài)，為自由變形；而方案（b）有摩擦鐓粗時，圓柱體應變分布不均勻：位于圓柱體端部接觸面附近，由于受接觸面摩擦影響較大，且遠離與垂直作用力軸線呈大致45度交角的最有利滑移區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生塑性變形較為困難，為難變形區(qū)；處于與垂直作用力大致為45度交角的最有利變形區(qū)域，且受摩擦影響較小，因此在此區(qū)域內(nèi)最易發(fā)生塑性變形，為易變形區(qū)。處于易變形區(qū)四周的區(qū)域，其變形量介于難變形區(qū)與易變形區(qū)之間，為自由變形區(qū)。觀察變形前后的圓柱體的形狀，便可以發(fā)現(xiàn)其形狀在變形后呈單鼓形（不夠明顯）。②比較方案（c）和方案（d）的應變分布及其分析原因于①中大致相同。由此可以得出，接觸摩擦系數(shù)對應變的分布有影響。（2）接觸摩擦系數(shù)相同，高度不同：①比較方案（a）和方案（c），圓柱體接觸摩擦系數(shù)均為0時，其表面應變分布和內(nèi)部應變分布都比價均勻，符合壓縮過程中均勻變形；②比較方案（b）和方案（d），圓柱體接觸摩擦系數(shù)均為0.2時，其表面應變分布和內(nèi)部應變分布都不均勻，各部分最大應變存在的明顯的差異。綜上可以得出，圓柱體在壓縮變形過程中，接觸摩擦系數(shù)和圓柱體高度對對最大應變均有不同程度的影響。（a）高度為150mm、摩擦系數(shù)為0(b)(b)高度為150mm、摩擦系數(shù)為0.2（c）高度為250mm、摩擦系數(shù)為0（d）高度為250mm、摩擦系數(shù)為0.2圖4（a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應變分布3.4溫度變化比較（a）（b）（c）（d）圖5（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形后溫度變化圖5（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形后溫度變化從圖5中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形后溫度基本上無明顯變化，原因都是在室溫20°環(huán)境下模擬的，圓柱體與錘頭和砧板無熱交換。從理論上分析，金屬在進行塑性變形時，由于金屬流動而產(chǎn)生些許熱量，應有溫度變化，但未出現(xiàn)溫度變化，可能的原因是壓縮變形的時間過長（30s、50s），變形產(chǎn)生的熱散失了。而且，有接觸摩擦的在壓縮變形過程中產(chǎn)生的變形熱更多，都未能表現(xiàn)出來。3.5壓縮變形后破壞系數(shù)的比較從圖6中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形后破壞系數(shù)均未發(fā)生變化，即損傷系數(shù)均為0。從理論上分析可以得出，方案（a）和方案（c）壓縮變形屬于均勻變形，損傷系數(shù)應該為0，但是方案（b）和方案（d）壓縮變形屬于不均勻變形，如方案（b）在壓縮過程中產(chǎn)生單鼓形，在圓柱體四周產(chǎn)生較大的環(huán)向拉應力作用，也就意味著由于處于拉應力的作用下，圓柱體四周會出現(xiàn)裂紋或者潛在的微觀裂紋，即使壓下率只有20％。所以在用DEFORM進行模擬時，也存在一些缺陷。(a)(b)((c)(d)圖5（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形后破壞系數(shù)變化3.6行程載荷曲線分析(a)(b)(c)(d)圖7（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形過程中行程載荷曲線觀察上圖7、下圖8和表二所示：總體分析：四種方案中行程載荷曲線的大致走向呈逐漸上升趨勢，整個過程大致可以分兩個階段，第一階段為彈性變形階段，此階段載荷曲線的斜率大，即行程變化小而載荷力變化大，這是由于要克服原子間的相互作用力；第二階段為塑性變形階段，此階段載荷曲線的斜率較小，即行程變化大而載荷力變化小，在壓縮變形過程中產(chǎn)生了加工硬化，使其變形抗力增加，故載荷力繼續(xù)增加。高度相同，摩擦系數(shù)不同：①比較方案（a）和方案（b），兩者在彈性變形階段和塑性變形階段的行程載荷曲線大致平行（通過圖7），有接觸摩擦系數(shù)的壓縮過程載荷力在相同時刻大于無摩擦的載荷力（通過表二）。②比較方案（c）和方案（d）的結(jié)果與①大致相同，不過相對于方案（a）、（b）在塑性變形階段，相同的變化行程，前者的載荷力變化較大。仔細觀察（d）載荷曲線，在彈性變形結(jié)束后出現(xiàn)載荷力瞬間回落階段，此階段可能是由于接粗摩擦導致表面金屬流動困難而使整體延45°方向發(fā)生滑移所致。由上可知，接觸摩擦系數(shù)影響行程載荷力，摩擦系數(shù)越大，載荷力越大，摩擦系數(shù)越小，載荷力越?。ㄏ鄬Φ模?。摩擦系數(shù)相同，高度不同：①比較方案（a）和方案（c），雖然兩者都是屬于均勻變形，但是從圖7中可以明顯看出，行程相同時，高度越低，載荷力越大；反之，越小。即使壓下程度相同時，最終結(jié)果，高度越低，載荷力越大；反之，越小。②比較方案（b）和方案（d），兩者都屬于不均勻變形，比較同上述①類似。綜上可知圓柱體的接觸摩擦系數(shù)和高度對其鐓粗變形過程中行程載荷有較大影響，接觸摩擦系數(shù)越大，載荷力越大，高度約低，載荷力越大。圖圖8（a）、（b）、（c）、（d）四種方案下載荷曲線對比表二表二（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形過程中行程載荷數(shù)據(jù)Time(sec)ZLoad（N）(a)(b)(c)(d)0000011536559.11571013.9916138.0982345.221555359.31592030.3925071.2936406.331576448.01613672.3934264.6947763.841597950.81636006.2940890.9954821.951620114.71658812.1948873.3961347.261642423.61682114.6956557.3969894.071665312.31705904.9964378.0978061.681688665.21730207.0972310.2986152.491712503.61755036.4980348.8994291.8101736855.51780403.0988488.41002602.6111761708.81806322.6996734.01011118.5121787111.91832813.41005084.61019615.2131813089.41859893.21013540.91028277.6141839622.31887578.61022103.41037049.9151866743.31915880.91030776.81045936.1161894469.21944828.41039561.71054940.8171922816.91974434.61048458.01064061.3181951804.42004737.11057470.51073302.2191981457.62035737.81066599.61082616.0202011783.22067456.91075846.51092142.3212042808.02099921.41085214.31101750.2222074562.62133151.61094707.31111485.6232107058.02167163.61104323.21121349.5242140323.32202027.51114066.81131345.9252174381.42237730.51123938.41141480.2262209267.22274304.31133942.91151747.6272244991.12311777.21144081.01162154.8282281589.02350185.91154355.01172701.9292319088.92391299.51164770.51183394.1302357519.82431706.01175325.61194237.331..1186025.61205223.6321196872.21216364.6331207868.41227660.1341219018.31239115.2351230322.81250732.0361241784.21262512.0371253405.51274459.4381265192.61286576.8391277145.41298868.7401289268.21311336.5411301565.11323982.6421314041.01336815.1431326694.31349835.0441339530.91363046.2451352553.21376451.2461365772.91390056.3471379179.51403864.5481392787.61417877.8491406598.81432097.1501420616.61446536.5(a)、(b)方案對應的點追蹤圖示(c)、(d)方案對應的點追蹤圖示(a)、(b)方案對應的點追蹤圖示(c)、(d)方案對應的點追蹤圖示圖8（a）、（b）、（c）、（d）四種方案下的點追蹤位置圖示（a）（b）（a）（b）(c)(d)))()圖9（a）、（b）、（c）、（d）四種方案下點追蹤最大應力變化趨勢總體上來分析，無論是均勻變形還是不均勻變形，在變化趨勢上主要分兩個階段，一是彈性變形階段，應力變化大；二是塑性變形階段，應力變化?。ㄏ鄬τ趶椥宰兓A段）。比較方案（a）和方案（b），在選取的8個追蹤點中，最大的不同點就是其中方案（a）中7號點的應力為拉應力且逐漸變大，而方案（b）中7號點的應力為壓應力，且壓應力逐漸增大。其余對應點的變化趨勢大致相同。如果細看（b），點1、2、3三點的應力在相同時刻依次減小，由于圓柱體表面有接觸摩擦，產(chǎn)生粘著區(qū)，都處于三向壓應力狀態(tài)。比較方