材料成型計(jì)算機(jī)模擬分析(各種仿真軟件介紹)

1、 重慶工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院 材料工程系CADCAE包括體積成形分析板料成形分析流動成形分析板料成形分析第一章緒論第一章緒論第三章第三章計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算機(jī)輔助工程 第四章第四章塑性變形基礎(chǔ)塑性變形基礎(chǔ) 第五章第五章材料成型材料成型CAE軟件基礎(chǔ)教程軟件基礎(chǔ)教程 l長期以來，成形工藝和模具的設(shè)計(jì)以及工藝過程分析主要是依據(jù)積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和傳統(tǒng)理論進(jìn)行。但由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的非確定性、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的時效性、而傳統(tǒng)理論對變形條件和變形過程進(jìn)行了簡化；l因此，對復(fù)雜的成形工藝和模具設(shè)計(jì)往往不容易獲得滿意的結(jié)果，使得調(diào)試模具的時間長、次數(shù)多，甚至導(dǎo)致模具的報廢。通常情況下，為了保證工藝和模具的可靠與安

2、全，多采用保守的設(shè)計(jì)方案，造成工序的增多，模具結(jié)構(gòu)尺寸的加大。l現(xiàn)代成形加工與模具正朝著高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、節(jié)省資源等方向發(fā)展，因此傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足要求。20 多年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值仿真技l術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助工程分析(Computer Aided Engineering)這一新興的技術(shù)，該技術(shù)在成形加工和模具行業(yè)中的應(yīng)用，即模具CAE。模具CAE 是廣義模具CAD/CAM 中的一個主要內(nèi)容，現(xiàn)已在實(shí)際中體現(xiàn)出了越來越重要的作用，也得到越來越廣泛的應(yīng)用。lCAE 所涉及的內(nèi)容非常豐富，泛指運(yùn)用科學(xué)的方法、以計(jì)算機(jī)軟件的形式，為工程領(lǐng)域提供一種有效l的

3、輔助工具，幫助工程技術(shù)人員對產(chǎn)品、加工工藝、工模具、以及制造成本等進(jìn)行反復(fù)的評估、修改和優(yōu)l化，直到獲得最佳的結(jié)果。但由于所開發(fā)CAE 軟件的種類、功能都較有限，系列化與集成化都難以實(shí)現(xiàn)；l因此，CAE 應(yīng)用還遠(yuǎn)未達(dá)到所定義范圍。目前，模具CAE 的主要內(nèi)容還僅僅是利用CAD 生成的模型進(jìn)行l(wèi)成形工藝過程的數(shù)值模擬，以獲得成形工件內(nèi)不同時刻任意位置的應(yīng)力應(yīng)變等多種場量的分布情況以及潛l在的問題等其它相關(guān)信息；并通過分析研究這些信息，以達(dá)到以下幾個方面的主要目的：l1、 對工件的可加工性能作出早期的判斷，預(yù)先發(fā)現(xiàn)成形中可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，并模擬各種工藝方案，以減少模具調(diào)試次數(shù)和時間，縮短模具開發(fā)

4、時間；l2、 對模具進(jìn)行強(qiáng)度剛度校核，擇優(yōu)選取模具材料，預(yù)測模具的破壞方式和模具的壽命，提高模具的可靠性，降低模具成本；l3、 通過仿真進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得最佳的工藝方案和工藝參數(shù)，增強(qiáng)工藝的穩(wěn)定性、降低材料消耗、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的質(zhì)量；l4、 查找工件質(zhì)量缺陷或問題產(chǎn)生的原因，以尋求合理的解決方案。l成形過程數(shù)值模擬是模具CAE 中的基礎(chǔ)，目前所采用的數(shù)值模擬方法主要有兩種：有限元法和有限差分法；一般在空間上采用有限元方法，而當(dāng)涉及到時間時，則運(yùn)用有限差分法。以下簡要介紹有關(guān)數(shù)值模擬的基本內(nèi)容和方法。l對于連續(xù)體的受力問題，既然作為一個整體獲得精確求解十分困難；于是，作為近似求解，可以假想

5、地將整個求解區(qū)域離散化，分解成為一定形狀有限數(shù)量的小區(qū)域（即單元），彼此之間只在一定數(shù)量的指定點(diǎn)（即節(jié)點(diǎn)）處相互連接，組成一個單元的集合體以替代原來的連續(xù)體，如圖7-1 彎曲凹模的受力分析所示；只要先求得各節(jié)點(diǎn)的位移，即能根據(jù)相應(yīng)的數(shù)值方法近似求得區(qū)域內(nèi)的其它各場量的分布；這就是有限元法的基本思想。l從物理的角度理解，即將一個連續(xù)的凹模截面分割成圖7-1 所示的有限數(shù)量的小三角形單元，而單元之間只在節(jié)點(diǎn)處以鉸鏈相連接，由單元組合成的結(jié)構(gòu)近似代替原來的連續(xù)結(jié)構(gòu)。如果能合理地求得各單元的力學(xué)特性，也就可以求出組合結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性。于是，該結(jié)構(gòu)在一定的約束條件下，在給定的載荷作用，各節(jié)點(diǎn)的位移即可以求

6、得，進(jìn)而求出單元內(nèi)的其它物理場量。這就是有限元方法直觀的物理的解釋。l從數(shù)學(xué)角度理解，是將圖7-1 所示的求解區(qū)域剖分成許多三角形子區(qū)域，子域內(nèi)的位移可以由相應(yīng)各節(jié)點(diǎn)的待定位移合理插值來表示。根據(jù)原問題的控制方程（如最小勢能原理）和約束條件，可以求解出各節(jié)點(diǎn)的待定位移，進(jìn)而求得其它場量。推廣到其它連續(xù)域問題，節(jié)點(diǎn)未知量也可以是壓力、溫度、速度等l物理量。這就是有限元方法的數(shù)學(xué)解釋。l從有限元法的解釋可得，有限元法的實(shí)質(zhì)就是將一個無限的連續(xù)體，理想化為有限個單元的組合體，使復(fù)雜問題簡化為適合于數(shù)值解法的結(jié)構(gòu)型問題；且在一定的條件下，問題簡化后求得的近似解能夠趨近于真實(shí)解。l由于對整個連續(xù)體進(jìn)行離

7、散，分解成為小的單元；因此，有限元法可適用于任意復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，也l便于處理不同的邊界條件；在滿足條件下，如果單元越小、節(jié)點(diǎn)越多，有限元數(shù)值解的精度就越高。但隨l著單元的細(xì)分，需處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，采用手工方式難以完成，必須借助計(jì)算機(jī)；計(jì)算機(jī)具有大存儲l量和高計(jì)算速度等優(yōu)勢，同時由單元計(jì)算到集合成整體區(qū)域的有限元分析，都很適合于計(jì)算機(jī)的程序設(shè)計(jì)，可由計(jì)算機(jī)自動完成；因此，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元分析才得以迅速的發(fā)展。l根據(jù)有限元法的基本概念，其分析過程概括起來有如下內(nèi)容，現(xiàn)以連續(xù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變分析為例，逐l步加以說明。l 有限元分析的第一步是結(jié)構(gòu)的離散化，這也是有限元法的基礎(chǔ)。簡單來說，

8、離散化就是將結(jié)構(gòu)劃分成l為有限個單元體，并在單元體的指定點(diǎn)設(shè)置節(jié)點(diǎn)，將相鄰單元體通過節(jié)點(diǎn)連接起來組成單元的集合體，并l替代原來的結(jié)構(gòu)。對連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散時，需保證離散的結(jié)構(gòu)能有效地逼近實(shí)際結(jié)構(gòu)；且應(yīng)能確保結(jié)構(gòu)受l載荷變形時單元之間在邊界上不裂開也不相互擠入，即在變形過程中相鄰單元的位移在邊界上是相同的、l連續(xù)的；同時，為了提高計(jì)算精度，還需考慮進(jìn)行離散的合適單元形狀、合理的單元數(shù)目和劃分方案。l完成結(jié)構(gòu)有限單元離散后，應(yīng)對單元進(jìn)行特性分析。分析中，選擇節(jié)點(diǎn)位移為基本未知量；為了求得單元內(nèi)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，就必需使單元內(nèi)各點(diǎn)位移能夠用節(jié)點(diǎn)位移表示，通常單元內(nèi)位移分布難以精確描述；因此，為便于分

9、析，一般假定位移是坐標(biāo)的某種簡單函數(shù)，這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。l位移函數(shù)是否選擇得當(dāng)是有限元法分析中的關(guān)鍵。l有限元法自1960 年代提出后，由于其強(qiáng)大的功能，獲得了迅速的發(fā)展。但有限元法的應(yīng)用離不開計(jì)算機(jī)和有限元應(yīng)用軟件；因此，隨著有限單元法理論的發(fā)展和完善，國內(nèi)外先后開發(fā)出了MSC.NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、SAP 等諸多大型通用有限元軟件，ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC 等非線l形分析有限元軟件，及其它各種功能的有限元應(yīng)用軟件。這些軟件一般都具有結(jié)構(gòu)靜動力分析、大變形和l穩(wěn)定分析、各種非線形 、以及熱分析、流體分析和多物理場耦合分析等功能，有

10、比較成熟、齊全的單元l庫，并提供二次開發(fā)的接口。l以下對MSC.NASTRAN 和ANSYS 作一些簡要介紹。l作為世界最流行的大型通用結(jié)構(gòu)有限元分析軟件之一，MSC.NASTRAN 的分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的模塊化功能選項(xiàng)。主要分析功能模塊有：基本分析模塊(含靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力、流固耦合及數(shù)據(jù)庫管理等)、動力學(xué)分析模塊、熱傳導(dǎo)模塊、非線性分析模塊、設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化模塊、超單元分析模塊、氣動彈性分析模塊、DMAP 用戶開發(fā)工具模塊及高級對稱分析模塊。l結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析是MSC.NASTRAN 的主要強(qiáng)項(xiàng)之一，其主要功能包括：正則模態(tài)及復(fù)特征值分析、頻率及

11、瞬態(tài)響應(yīng)分析、(噪)聲學(xué)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、響應(yīng)及沖擊譜分析、動力靈敏度分析等。lMSC.NASTRAN 有強(qiáng)大的非線性分析功能，包括：幾何非線性分析、材料非線性分析、非線性邊界(接觸問題)分析，以及非線性瞬態(tài)分析。lANSYS 軟件是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS 開發(fā)，是集結(jié)構(gòu)、流體、電場、l磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。lANSYS 的前處理模塊提供了一個強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。lANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS 公司新近開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境，AWE 通過獨(dú)特l的插件

12、構(gòu)架與CAD 系統(tǒng)中的實(shí)體及面模型雙向相關(guān)，具有很高的CAD 幾何導(dǎo)入成功率，當(dāng)CAD 模型變l化時，不需對所施加的載荷和支撐重新施加；AWE 與CAD 系統(tǒng)的雙向相關(guān)性還意味著可通過AWE 的參l數(shù)管理器可方便地控制CAD 模型的參數(shù)，從而將設(shè)計(jì)效率更加向前推進(jìn)一步。l分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。l結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合于求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。ANSYS 程序中

13、的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且也可以進(jìn)行非線性分析，如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸分析。結(jié)構(gòu)非線性導(dǎo)致結(jié)構(gòu)或部件的響應(yīng)隨外載荷不成比例變l化。ANSYS 程序可求解靜態(tài)和瞬態(tài)非線性問題，包括材料非線性、幾何非線性和單元非線性三種。l除以上功能之外，ANSYS 具有非常強(qiáng)大的熱分析、電磁場分析、流體動力學(xué)分析、聲場分析、壓電分析等分析功能。所有ANSYS 的分析類型均以經(jīng)典工程概念為基礎(chǔ)，使用當(dāng)前成熟的數(shù)值求解技術(shù)。ANSYS 提供了兩個直接求解器，五個選代求解器，求解器和一個顯示求解器，能順利求解各種矩陣方程。lANSYS 軟件的后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示

14、、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示（可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部）等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。后處理過程包括兩個部分：通用后處理模塊POST1 和時間歷程后處理模塊POST26。l通過友好的用戶界面，可方便獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等。l塑性有限元的基本概念塑性有限元的基本概念l金屬塑性變形過程非常復(fù)雜，是一種典型的非線性問題，不單包含材料非線性，也有幾何非線性和接觸非線性。因此，塑性有限元與線彈性有限元相比也就復(fù)雜得多，這主要體現(xiàn)為：l1） 由于塑性變形區(qū)中的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系為非線性的，為了便于

15、求解非線性問題，必需用適當(dāng)?shù)姆椒▽栴}進(jìn)行線性化處理；一般采用增量法（或稱逐步加載法），即將物體屈服后所需加的載荷分成若干步施加，在每個加載步的每個迭代計(jì)算步中，把問題看作是線性的。l2） 塑性問題的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系不一定是一一對應(yīng)的；塑性變形的大小，不僅取決于當(dāng)時的應(yīng)力狀態(tài)，而且還決定于加載歷史；而卸載與加載的路線不同，應(yīng)變關(guān)系也不一樣；因此，在每一加載步計(jì)算時，一般都應(yīng)檢查塑性區(qū)內(nèi)各單元是處于加載狀態(tài)，還是處于卸載狀態(tài)。l3） 塑性變形中，金屬與工模具的接觸面不斷變化；因此，必需考慮非線性接觸與動態(tài)摩擦問題。l4） 塑性理論中關(guān)于塑性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與硬化模型有多種理論，材料屬性有的與時間無關(guān)，

16、有的則是隨時間變化的粘塑性問題；于是，采用不同的理論本構(gòu)關(guān)系不同，所得到的有限元計(jì)算公式也不一樣。l5） 對于一些大變形彈塑性問題，一般包含材料和幾何兩個方面的非線性，進(jìn)行有限元計(jì)算時必需同時單元的形狀和位置的變化，即需采用有限變形理論。而對于一些彈性變形很小可以忽略的情況，則必需考慮塑性變形體積不變條件，采用剛塑性理論。l在塑性變形過程中，如果彈性變形不能忽略并對成形過程有較大的影響時，則為彈塑性變形問題，如典型的板料成形。在彈塑性變形中，變形體內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的位移和轉(zhuǎn)動較小，應(yīng)變與位移基本成線性關(guān)系時，可認(rèn)為是小變形彈塑性問題；而當(dāng)質(zhì)點(diǎn)的位移或轉(zhuǎn)動較大，應(yīng)變與位移為非線性關(guān)系時，則屬于大變形彈塑性

17、問題；相應(yīng)地有小變形彈塑性有限元或大變形（有限變形）彈塑性有限元。l由于在彈塑性變形中，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線性的，變形體的最終形狀變化通常不能如線彈性問題一樣能夠一次計(jì)算得到；因此，在有限元分析時，一般只能按增量理論進(jìn)行求解，即將整個載荷分解成為若干增量步，逐漸施加在變形體上。l在塑性加工的體積成形工藝中，變形體產(chǎn)生了較大的塑性變形，而彈性變形相對很小，可以忽略不計(jì)，此時可認(rèn)為是剛塑性問題，如鍛造、擠壓等；相應(yīng)地則可以用剛塑性有限元法分析。剛塑性有限元法是在馬爾可夫（Markov）變分原理的基礎(chǔ)上，引入體積不可壓縮條件后建立的。l根據(jù)馬爾可夫變分原理對剛塑性變形問題進(jìn)行求解時，建立滿足體積不可壓

18、縮條件的容許速度場較為困難，且由于剛塑性材料模型中未計(jì)入彈性變形，不能確定質(zhì)點(diǎn)的平均應(yīng)力sm，故求解不到變形體內(nèi)應(yīng)力sij 的分布。為了便于問題求解，于是必需將體積不可壓縮條件引入了泛函式（7-19），得到適于剛塑性材料不完全廣義變分原理的新泛函。體積不可壓縮條件可以采用不同的方式引入，主要有拉格朗日（Lagrange）乘子法、罰函數(shù)法以及可壓縮法等。l非線性有限元分析軟件一般的都可應(yīng)用于塑性成形過程的模擬。但由于塑性成形工藝的特殊性，一般非線性有限元軟件在分析時，對一些邊界條件、載荷和相關(guān)的工藝結(jié)構(gòu)（如拉伸筋）等的處理非常困難，使用極為不便。因此，國內(nèi)外都先后開發(fā)了用于塑性成形工藝分析的專用

19、有限元軟件，專用有限元軟件根l據(jù)相關(guān)工藝對分析過程進(jìn)行了優(yōu)化處理，讓用戶能更方便的運(yùn)用，同時提供了適合于成形工藝的后置處理。l金屬塑性成形一般可分為體積成形和板料成形兩大類。在板料成形模擬方面，國際上主要有美國的lDYNAFORM、德國的AUTOFORM、法國的PAM 系列軟件；在體積成形方面，有美國的DEFORM、lMSC.SUPERFORGE，法國的FORGE3 等。國內(nèi)在塑性成形模擬軟件方面跟國際上相比還存在很大差距，l但也相繼開發(fā)一些軟件，如板料成形方面有：吉林金網(wǎng)格模具工程公司的KMAS、北航的SHEETFORM、l華中科技大學(xué)的VFORM 等，體積成形方面有北京機(jī)電研究所的MAFA

20、P 等。以下對功能較強(qiáng)且較流行的lDYNAFORM、DEFORM 等軟件作簡要介紹。lDYNAFORM 是由美國ETA 公司和LSTC 公司聯(lián)合開發(fā)的用于板料成形模擬的專用軟件包。lDYNAFORM 具有友好的用戶界面、良好的操作性能，包括大量的智能化自動工具，可方便地求解各類板成形問題。DYNAFORM 專門用于工藝及模具設(shè)計(jì)涉及的復(fù)雜板成形問題，如彎曲、拉深、成形等典型板料沖壓工藝，液壓成形、滾彎成形等特殊成形工藝；并可以預(yù)測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃l痕、回彈，評估板料的成形性能，從而為板成形工藝及模具設(shè)計(jì)提供幫助。lDYNAFORM 具有完備的前后處理功能，采用集成的操作環(huán)境

21、，無須數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)無文本編輯，并l提供了與CAD 軟件的接口、實(shí)用的幾何模型建立功能。DYNAFORM 的求解器采用業(yè)界著名、功能強(qiáng)大l的動態(tài)非線性顯式分析軟件LS-DYNA；并采用工藝化的分析過程，含括影響沖壓工藝的60 余個因素，固l化了豐富的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提供以DFE 為代表的多種工藝分析模塊。DYNAFORM 可在PC、工作站、大l型機(jī)等多種計(jì)算機(jī)上的Windows、Unix 操作系統(tǒng)下使用，且具有較適用的二次開發(fā)功能。l其主要功能及技術(shù)特點(diǎn)有：l優(yōu)化下料形狀 通過One-step 求解器可以方便地根據(jù)凹模形狀得出合理的落料尺寸；lQuick-setup 功能 利用該功能可以通過板料

22、、凹模、壓邊圈及拉深筋的定義快速完成標(biāo)準(zhǔn)的拉深l模擬；l模具自動網(wǎng)格劃分 為捕捉模具外形特征特殊設(shè)計(jì)的網(wǎng)格自動劃分功能，可節(jié)省99工具分網(wǎng)時l間；l先進(jìn)的板料網(wǎng)格生成器 可以允許三角形、四邊形網(wǎng)格混合劃分，并可方便進(jìn)行網(wǎng)格修剪；l工件定義及自動定位 簡捷方便的工件定義以及工件的自動定位功能；l模具動作預(yù)覽 在提交分析之前可以允許用戶檢查所定義的工具動作是否正確；lDFE 模面設(shè)計(jì)模塊 利用該功能可以由產(chǎn)品幾何外形通過工藝補(bǔ)充計(jì)算得到模具及壓邊圈尺寸；l拉延筋定義 通過拾取凹模（或下壓邊圈）上的節(jié)點(diǎn)（線）生成拉延筋（多種截面），并可由DBFPl子程序預(yù)報拉延筋力；l自動壓邊分析 在模具幾何模型基

23、礎(chǔ)上快速生成弧形壓邊進(jìn)行板料的成形性預(yù)測；l網(wǎng)格自適應(yīng)劃分 網(wǎng)格自適應(yīng)劃分功能可以由用戶控制（重劃分等級及間隔），能夠提高求解的l精度；而在回彈分析之前可以對網(wǎng)格進(jìn)行粗化處理；l顯、隱式無縫轉(zhuǎn)換 允許用戶在求解不同的物理行為時在顯、隱式求解器之間進(jìn)行無縫轉(zhuǎn)換，如l在拉深過程中應(yīng)用顯式求解，在后續(xù)回彈分析當(dāng)中則切換到隱式求解。l材料模型 材料庫包含140 余種金屬及非金屬材料，具有標(biāo)準(zhǔn)的SAE 材料庫目錄，如CRCQ，lCRDQ，HRCQ，HRDQ，鋁以及不銹鋼等；l結(jié)果處理 利用后處理器可以方便地進(jìn)行三維動態(tài)等值線和云圖顯示應(yīng)力應(yīng)變、工件厚度變化、l成形過程等；l成形極限圖 成形極限圖中可以直

24、觀顯示每個單元的成形狀況。通過成形極限圖中的顏色和位置l按照應(yīng)變程度來可以對每個單元進(jìn)行靜態(tài)顯示或是動畫演示；l圖形輸出 利用后處理器可以生成MPEG、AVI、JPG 等多種格式的圖形文件，便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳l輸。lDEFORM 系列軟件是基于工藝過程模擬的有限元系統(tǒng)(FEM)，可用于分析各種塑性體積成形過程中的金屬流動以及應(yīng)變應(yīng)力溫度等物理場量的分布，提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成、韌性破裂和金屬微結(jié)構(gòu)等信息，并提供模具仿真及其它相關(guān)的工藝分析數(shù)據(jù)。lDEFORM 源自塑性有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Increment

25、al Deformation）。在1980 年代初期，美國Battelle 研究室在美國空軍基金的資助下開發(fā)了用于塑性加工過程模擬的有限元程序ALPID，l后來開發(fā)人員對程序進(jìn)行了逐漸完善，并采用Motif 界面設(shè)計(jì)工具，并將程序發(fā)展成為了商品化的軟件DEFORM（Design Environment for FORMing），由美國SFTC（Scientific Forming Technologies Corporation）公司推廣應(yīng)用。lDEFORM 是一個模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)，它包括前處理器，后處理器、有限元模擬器和用戶處理器四個功能模塊。lDEFORM 有一個較完整的CA

26、E 集成環(huán)境，具有強(qiáng)大而靈活的圖形界面，使用戶能有效地進(jìn)行前后處理。在前處理中，模具與坯料幾何信息可由其它CAD 軟件生成的STL 或SLA 格式的文件輸入，并提供了3D 幾何操縱修正工具，方便幾何模型的建立；網(wǎng)格生成器可自動對成形工件進(jìn)行有限元網(wǎng)格的劃分和變l形過程中的重新劃分，并自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠lDEFORM 的材料數(shù)據(jù)庫提供了146種材料的寶貴數(shù)據(jù)，材料模型有彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料及自定義類型，為不同材料的成形仿真提供有力的保障；DEFORM 集成典型的成形設(shè)備模型，包括液壓壓力機(jī)、錘鍛機(jī)、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、軋機(jī)、擺輾機(jī)和用戶自

27、定義類型（如表面壓力邊界條件處理功能解決脹有限元模擬器前 處 理 器CAD 建模有限元網(wǎng)格生成材料參數(shù)庫后 處 理 器DEFORM數(shù) 據(jù) 庫應(yīng) 用CAD/CAM 建模有限元網(wǎng)格生成材料參數(shù)庫壓成形工藝模擬）等，幫助用戶處理各種不同的工藝條件。lDEFORM 的求解器是集成彈性、彈塑性、剛（粘）塑性和熱傳導(dǎo)等于一體的有限元求解器。可進(jìn)行l(wèi)冷、溫、熱鍛的成形和熱傳導(dǎo)耦合分析；其典型應(yīng)用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制、自由鍛、彎曲和其他l成形工藝的模擬；而運(yùn)用不同的材料模型可分析殘余應(yīng)力、回彈問題以及粉末冶金成形等；基于損傷因子l的裂紋萌生及擴(kuò)展模型可以分析剪切、沖裁和機(jī)加工過程；其單步模具應(yīng)力分析方便

28、快捷，可實(shí)現(xiàn)多個變l形體、組合模具、帶有預(yù)應(yīng)力環(huán)時的成形過程分析。lDEFORM 提供了有效的后處理工具，讓用戶能對有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。在后處理中，具有網(wǎng)格變形跟蹤和點(diǎn)跡示蹤、等值線圖、云圖、矢量圖、力-行程曲線等多種功能；且具有2D 切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果；后處理中的鏡面反射功能，為用戶提供了高效處理具有對稱面或周期對稱面的手段，并且可以在后處理中顯示整個模型；自定義過程則可用于計(jì)算流動應(yīng)力、沖壓系統(tǒng)響應(yīng)、斷裂判據(jù)和一些特別的處理要求，如金屬微結(jié)構(gòu)、冷卻速率、機(jī)械性能等；后處理還能以包括圖形、原始數(shù)據(jù)、硬拷貝和動畫等多種方式輸出結(jié)果。l塑料成型是制造業(yè)中的一個主要組成部

29、分，而流動模擬對塑料成型具有重要意義；運(yùn)用塑料流動模擬能幫助設(shè)計(jì)人員優(yōu)化成型工藝與模具結(jié)構(gòu)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員從成型工藝的角度改進(jìn)產(chǎn)品形狀結(jié)構(gòu)、選擇適合的塑料材料和成型設(shè)備，評判不同材料采用同一工藝與模具成型的可行性，分析可能出現(xiàn)的問題；l達(dá)到降低生產(chǎn)成本、縮短模具開發(fā)周期的目的。對于一般簡單的塑料制品的成型，只進(jìn)行流動模擬分析即可；但對于復(fù)雜精密塑件的成型，不僅要對流動過程進(jìn)行模擬分析，還需要對充模、保壓過程中塑件與模具的冷卻進(jìn)行分析；甚至需要分析開模后塑件的殘余變形與應(yīng)力等。lMOLDFLOW 系列軟件是由專門從事注塑成型CAE 軟件開發(fā)和市場經(jīng)營的跨國公司MOLDFLOW 公司開發(fā)的。該系列軟

30、件根據(jù)功能差別分為MPA（Moldflow Plastics Advisers）和MPI（Moldflow Plastics Insight），其中MPI 功能非常強(qiáng)大，包括流動分析、冷卻分析、翹曲分析、收縮分析、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、氣體輔助注塑成型分析、注塑工藝參數(shù)優(yōu)化等。以下是MPI 的主要技術(shù)特性和功能。lMPI/FLOW Base Modules基本模塊l模型及幾何建模 能夠?qū)Ω鞣N復(fù)雜的產(chǎn)品曲面進(jìn)行造型，并能對模具冷流道、熱流道及冷卻管道方便的進(jìn)行造型，并能自動進(jìn)行有限單元網(wǎng)格劃分；l結(jié)果顯示 能夠?qū)τ?jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果按等值線、光照或按照有限單元、單元節(jié)點(diǎn)等多種方式顯示，并能方便的放大、縮小、旋

31、轉(zhuǎn)、平移顯示結(jié)果；l標(biāo)準(zhǔn)圖形接口 能夠?qū)D/CAM/CAE 軟件的IGES 格式造型文件方便地輸入到Moldflow 造型模塊，節(jié)省造型時間，方便產(chǎn)品分析；l有限單元文件接口 能夠?qū)NSYS、Patran、I-DEAS、C-MOLD 軟件產(chǎn)生的產(chǎn)品造型網(wǎng)格文件通過此接口直接傳入到Moldflow 軟件中，方便的用于分析，無須再對產(chǎn)品進(jìn)行造型；l材料、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫 Moldflow 材料、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫中包括近5000 種樹脂材料和各種常用的模具材料、冷卻液、注塑機(jī)，方便的為您在模擬分析時提供選擇；另外，此模塊還可根據(jù)產(chǎn)品尺寸和所選材料為您提供初步的工藝參數(shù)，包括熔料溫度、填充時間、鎖模力

32、、注塑壓力等；l實(shí)體模型網(wǎng)格自動生成 此模塊可以將CAD 軟件(如:UG、Pro/E、SolidWorks)中的三維幾何產(chǎn)品造型通過STL 格式直接劃分成Moldflow 網(wǎng)格文件，進(jìn)行Moldflow 分析；該模塊使用戶能更好的將已有的lCAD 軟件與Moldflow 軟件配合使用，減少產(chǎn)品重復(fù)造型，方便快捷，是橫跨其它CAD 軟件和Moldflowl軟件之間的一座天橋；l流動分析 在產(chǎn)品造型、材料、工藝確定后，通過Moldflow 流動分析模塊的模擬，您可以得到l在注塑過程中，熔融樹脂填充模具型腔時的各種結(jié)果及參數(shù)，如：型腔溫度、壓力、熔料推進(jìn)過程、鎖模l力大小、熔接痕出現(xiàn)位置、氣穴出現(xiàn)位

33、置等；并能根據(jù)產(chǎn)品的幾何形狀優(yōu)化注塑時注塑機(jī)的螺桿曲線。(1)結(jié)構(gòu)離散化 (2)單元特性分析 (3)建立整體矩陣方程 (4)整體矩陣方程求解 第四章塑性變形基礎(chǔ)第四章塑性變形基礎(chǔ)1平面問題離散化在平面問題的有限元分析中，常用的單元形式有三角形三節(jié)點(diǎn)單元、矩形四節(jié)點(diǎn)單元、四邊形四節(jié)點(diǎn)單元、三角形六節(jié)點(diǎn)單元、曲邊四邊形八節(jié)點(diǎn)單元等，用三角形單元劃分有限元網(wǎng)格時，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：1）任一三角形單元的節(jié)點(diǎn)必須同時也是相鄰三角形單元的節(jié)點(diǎn)，而不能是其相鄰三角形單元的內(nèi)點(diǎn)。 2)三角形單元的各邊長不應(yīng)相差太大，否則，在計(jì)算中會出現(xiàn)較大的誤差。 3)劃分單元時應(yīng)充分利用結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，如對稱性等，從原結(jié)構(gòu)中取出

34、一部分進(jìn)行分析。 4)當(dāng)計(jì)算對象的厚度或者彈性系數(shù)有突變時，應(yīng)把突變線作為單元的邊界線。 (1)有限元前處理 包括從構(gòu)造幾何模型、劃分有限元網(wǎng)格，到牛成、校核、輸入計(jì)算模型的幾何、拓?fù)?、載荷、材料和邊界條件數(shù)據(jù)。(2)有限元分析 進(jìn)行單元分析和整體分析，求解位移、應(yīng)力值等。(3)有限元后處理 對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析、整理，并以圖形方式輸出，以便設(shè)計(jì)人員對設(shè)計(jì)結(jié)果作出直觀判斷，對設(shè)計(jì)方案或模型進(jìn)行實(shí)時修改。 (1)網(wǎng)格自動劃分 (2)生成有限元屬性數(shù)據(jù) (3)數(shù)據(jù)自動檢查 (1)對結(jié)果數(shù)據(jù)的加工處理 (2)結(jié)果數(shù)據(jù)的編輯輸出 (3)有限元數(shù)據(jù)的圖形表示 利用計(jì)算機(jī)的圖形功能，以圖形方式繪制、顯示計(jì)算

35、結(jié)果，直觀形象地反映出大批量數(shù)據(jù)的特性及其分布狀況。用于表示和記錄有限元數(shù)據(jù)的圖形主要有網(wǎng)格圖、結(jié)構(gòu)變形圖、應(yīng)力等值線圖(見圖3-4，圖中不同的數(shù)字代表不同的應(yīng)力值)、彩色填充圖(云圖)、應(yīng)力矢量圖和動畫模擬等。 有限元分析作為CADCAM系統(tǒng)的一個組成部分，需要和其它CADCAM軟件聯(lián)合工作，有時還要根據(jù)并行工程原理并行協(xié)同工作，在軟件集成中，存在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳遞接口問題。 目前，有一些商品化CADCAM系統(tǒng)，如ProEngineer、UGll、I-DEAS等，作為集成化商品軟件，它們已提供了系統(tǒng)內(nèi)含的有限元分析軟件與內(nèi)含其它軟件的連接。 優(yōu)化設(shè)計(jì)是在60年代發(fā)展起來的一門新的學(xué)科。它建立在數(shù)

36、學(xué)規(guī)劃方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上，是一種解決復(fù)雜設(shè)計(jì)問題的有效設(shè)計(jì)法。它重點(diǎn)研究如何從眾多可行的方案中尋找出最佳設(shè)計(jì)方案，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：1)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型；2)采用適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法，求解數(shù)學(xué)模型。 1設(shè)計(jì)變量設(shè)計(jì)方案大多可用一組設(shè)計(jì)參數(shù)來表示。 2約束條件在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程小，設(shè)計(jì)變量的取值通常不是任意的，總要受到某些實(shí)際條件的限制，這些限制條件稱為約束條件或約束函數(shù)。約束條件一般分為邊界約束和性能約束。3目標(biāo)函數(shù)目標(biāo)函數(shù)也稱為評價函數(shù)，它是評價設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。 計(jì)算機(jī)仿真有廣泛的實(shí)際應(yīng)用，其典型應(yīng)用有：1) 對尚處在設(shè)計(jì)規(guī)劃中的系統(tǒng)，可通過仿真觀察其

37、性能是否滿足預(yù)定要求，預(yù)測系統(tǒng)運(yùn)行中可能發(fā)生的現(xiàn)象，幫助改進(jìn)設(shè)計(jì)和修改規(guī)劃。2) 對已有的系統(tǒng)，可通過仿真掌握其工作規(guī)律，使系統(tǒng)運(yùn)行更好；還可通過仿真，為用戶提供系統(tǒng)過去的(歷史的)、現(xiàn)在的(實(shí)時的)甚至未來的(超實(shí)時的)信息，以使用戶實(shí)時作出正確決策。比如，利用仿真技術(shù)進(jìn)行故障分析及故障處理。3) 仿真工作環(huán)境制成訓(xùn)練用的仿真器，如飛行模擬器、船舶駕駛訓(xùn)練器、汽車駕駛模擬器等。引用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以后，人造的仿真環(huán)境尤為逼真。采用仿真器訓(xùn)練，既可以保證被訓(xùn)練人員的安全。也可以節(jié)省能源，縮短訓(xùn)練周期。(1)建立數(shù)學(xué)模型 計(jì)算機(jī)仿真工作能否真實(shí)反映實(shí)際和下作，主要取決于計(jì)算模型的正確性。建立模型就是

38、用計(jì)算機(jī)語言定義系統(tǒng)的邏輯關(guān)系和參數(shù)計(jì)算關(guān)系式。所建立的模型應(yīng)當(dāng)在要求的精度范圍內(nèi)既反映實(shí)際系統(tǒng)的本質(zhì)，又便于求解。(2)模型變換 在已建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種使用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)模型的算法，即確定仿真算法，將數(shù)學(xué)模型變換為計(jì)算機(jī)能接受的仿真模型。(3)編制仿真程序 根據(jù)仿真模型，繪出仿真流程框圖，使用計(jì)算機(jī)浯言編制仿真程序，實(shí)現(xiàn)仿真分析。 (4)進(jìn)行仿真試驗(yàn) 輸入仿真所需的數(shù)據(jù)，運(yùn)行仿真程序，獲得仿真試驗(yàn)結(jié)果，并動態(tài)地顯示仿真結(jié)果。(5)仿真結(jié)果整理分析 將仿真結(jié)果進(jìn)行整理分析，可為以后的工作積累經(jīng)驗(yàn)。(1)產(chǎn)品形態(tài)仿真 仿真真實(shí)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀、外觀、色彩等形象化屬性。(2)零部件裝配關(guān)

39、系仿真以及工作環(huán)境空間的配置仿真 (3)運(yùn)動學(xué)仿真 (4)動力學(xué)仿真 (5)工作物理場仿真 (6)加工過程仿真 (7)零件工藝過程的幾何仿真 (8)生產(chǎn)過程仿真 1試述計(jì)算機(jī)輔助工程分析的含義及其特點(diǎn)。2試述有限元分析的基本原理和分析步驟。3有限元分析的數(shù)據(jù)前、后處理包括哪些內(nèi)容?4有限元分析軟件與CAD系統(tǒng)和其它軟件的聯(lián)接應(yīng)注意什么問題?5什么是仿真，它在工程中起什么作用? 研究表明，只有各應(yīng)力分量之間符合一定關(guān)系時，質(zhì)點(diǎn)才進(jìn)入塑性狀態(tài)。這種關(guān)系叫屈服準(zhǔn)則，也稱塑性條件或塑性方程。屈服準(zhǔn)則的數(shù)學(xué)表達(dá)式一般呈如下形式：C)(fij 屈雷斯加通過對金屬擠壓的研究，于1864年提出一個屈服準(zhǔn)則。他提出這一準(zhǔn)則 時 很 可 能 受 到 多 年 前 庫 侖（C.A.Comlomb）提出的最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理論的影響。屈雷斯加屈服準(zhǔn)則可表述如下：當(dāng)材料（質(zhì)點(diǎn)）中的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一定值時，材料就屈服。或者說，材料處于塑性狀態(tài)時，其最大剪應(yīng)力始終是一不變的定值，該定值只取決于材料在變形條件下的性質(zhì)，而與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。 最大剪應(yīng)力是三個主剪應(yīng)力中絕對值較大的一個，而主剪應(yīng)力則是兩主剪應(yīng)力之差的一半。所以根據(jù)屈雷斯加屈服準(zhǔn)則，只要 之中有一個達(dá)到某一定值，材料即行屈服。假設(shè) ，則屈雷斯加屈服準(zhǔn)則可表達(dá)為