第2章塑性成形過程數(shù)值模擬

1、第第2章塑性成形過程數(shù)值模擬章塑性成形過程數(shù)值模擬北大出版社配套電子課件北大出版社配套電子課件【本章學習目標】 了解DEFORM-3D軟件的模塊結構； 掌握有限元軟件仿真求解的基本過程； 了解塑性成形模擬的特點； 了解有限元分析需要處理的基本問題。【本章教學要點【本章教學要點】知識要點能力要求相關知識DEFORM-3D軟件的模塊結構了解DEFORM-3D軟件的模塊結構；各個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程掌握有限元軟件仿真求解的過程的工藝流程，各個工序的功能有限元仿真的實質及實現(xiàn)步驟：劃分網(wǎng)格、材料分配、工具及邊界條件的設置等塑性成形模擬的特點了解塑性成形及其

2、模擬分析的特點塑性成形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程的基本問題了解有限元分析需要處理的基本問題塑性成形分析的速度場、收斂依據(jù)、摩擦條件、剛性區(qū)等基本理論問題導入案例 塑性加工過程的有限元數(shù)值模擬，可以獲得金屬變形的詳細規(guī)律，如網(wǎng)格變形、速度場、應力和應變場的分布規(guī)律，以及載荷-行程曲線。通過對模擬結果的可視化分析，可以在現(xiàn)有的模具設計上預測金屬的流動規(guī)律，包括缺陷的產生。利用得到的力邊界條件對模具進行結構分析，從而改進模具設計，提高模具設計的合理性和模具的使用壽命，減少模具重新試制的次數(shù)。 在塑性成形過程中，工件發(fā)生很大的塑性變形，在位移與應變的關系中存在幾何

3、非線性；在材料的本構關系中存在材料（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，金屬塑性成形問題難于求得精確解。有限元法是目前進行非線性分析的最強有力的工具，因此也成為金屬塑性成形過程模擬的最流行的方法。DEFORM-3D軟件的模塊結構 成形過程仿真系統(tǒng)的建立，就是將有限元理論、成形工藝學、計算機圖形處理技術等相關理論和技術進行有機結合的過程。成形問題有限元分析流程如圖2-1所示。從圖中看出，DEFORM-3D軟件的模塊結構是由前處理器、模擬處理器（FEM求解器）和后處理三大模塊組成。 （1）建立幾何模型 一般的有限元分析商業(yè)軟件都提供簡單的幾何造型功能，可滿足幾何形狀簡單的成

4、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)中生成的設計結果。 由模具設計人員用CAD軟件設計的幾何模型，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，包含過于細長的曲面片等等。因此，需要進行檢查和修改，消除這些缺陷。另外，原始設計中包含的一些細小特征，如小凸臺，拉延筋等，應該刪去，以免導致在這些區(qū)域產生過多細小的單元，不必要地增加計算工作量，這些過程一般稱為幾何清理。2.建立有限元分析模型 1)劃分網(wǎng)格 劃分網(wǎng)格是將問題的幾何模塑轉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。一類是映射法,

5、另一類是自由的或非結構化的方法。 分網(wǎng)后應檢查網(wǎng)格質量，單元各邊長應盡可能相等。單元的內角應盡可能平均，殼單元的各節(jié)點應盡可能共面。2)選擇材料模型 例如對于各向異性較強的板材的沖壓成形，應選用塑性各向異性材料模型； 對于熱鍛問題，應選用黏塑性模型，為了提高計算精度，還可以考慮選用材料參數(shù)隨溫度變化的模型； 為了預測冷鍛等成形過程中工件的內部裂紋，可以采用損傷模型等等。 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，對于材料成分和組織結構小的變化不太敏感。 但是材料的塑性性能是結構敏感的，與材料的成分、組織結構、熱處理狀態(tài)，以及加工歷史等都有密切關系，需要通過試驗測

6、定。3)選擇求解算法 對于準靜態(tài)的成形過程，應盡可能選用靜力算法求解。對于高速成形過程，應采用動力算法求解。 在體積成形模擬中，若主要關心成形過程中工件的變形情況，應采用剛塑性有限元法，以減少計算量； 若還要考慮工件卸載后的殘余應力分布，則應采用彈塑性有限元法。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稱性條件，利用對稱性可以大大減小所需的計算徽。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間的變化關系。熱分析中的邊界條件包括：環(huán)境溫度、表面換熱系數(shù)等。 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的。工件所受的外力主要是通過工件與模具

7、的接觸施加的。建立幾何模型時定義了工具的幾何形狀，劃分網(wǎng)格時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。 （1）位置和運動。 （2）接觸和摩擦。 （3）其它工藝參數(shù)。4.求解 求解階段一般不需用戶干預。 計算過程的有關文字信息可以從輸出窗口觀察，可以通過圖形顯示隨時檢查計算所得的中間結果。5.后處理 后處理通常是通過讀入分析結果數(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力應變分布云圖等。 使用戶能方便地理解模擬結果，預測成形質量和成形缺陷。3.3塑性成形模擬的特點塑性成形模擬的特點 （l）工件通常不是在已知

8、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雜的。處理工件與復雜的模型面的接觸問題增大了模擬計算的難度。 （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。3.4有限元處理過程的幾個問題有限元處理過程的幾個問題 1.初始速度場的生成 。初始速度場的選擇不可能、也沒有必要十分精確，但必須滿足邊界條件，并大體上反映出材料變形過程中的流動規(guī)律。初始速度場選擇的好與壞，直接影響到收斂速度的快與慢，當初始速度場與實際速度場相差較大時，就難以收斂，甚至還會發(fā)散。最常用的初始速度場的產生方法有以下幾種 ： 對于變形毛坯形狀和邊界條件比較簡單的情

9、況，可以采用能量法、上限法等工程計算方法求得近似速度場作為有限元計算時的初始速度場。1)工程近似法3)近似泛函法 對于形狀和邊界條件都比較復雜的變形體，多采用近似泛函的方法來生成初始速度場，具體思路是：從廣義變分原理的幾種泛函出發(fā)，構造一個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，用這個方程組求得滿足邊界條件的速度場作為初始速度場。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)3.摩擦邊界條件的選擇 1)剪切摩擦模型 2)庫侖摩擦模型 3)線性粘摩擦模型 4)能量摩擦模型4.剛性區(qū)的簡化 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

10、分原理只適用于塑性變形區(qū)。因為在剛性區(qū)內應變速率接近或者等于零，在計算過程中會引起泛函變分的奇異，造成計算結果的檻出，因此有必要區(qū)分塑性區(qū)與剛性區(qū)。但在計算開始時，很難準確地確定塑性變形區(qū)與剛性區(qū)的交界面，為了解決該問題，常采用簡化的處理辦法。5.邊界條件的處理 1)速度奇異點的處理 2)翻邊現(xiàn)象的處理 3)脫模與觸模處理6.時間步長的確定 1)觸模和脫模條件。 2)體積不變條件。 3)迭代收斂性條件。7.網(wǎng)格的重新劃分 用剛（粘）塑性有限元法計算材料成形過程時，隨著變形程度的增加和動態(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算精度，嚴重時會使迭代過程不收斂。2)網(wǎng)格細分法 首先將變形體分成幾個大的單元，采用均勻速度場作為初始的速度場進行計算，取得收斂到一定程度的計算結果。再將單元進一步細分，并用插值法獲得細分后新節(jié)點的速度值，以此作為新的初始速度場，重復求解過程，經(jīng)反復迭