(精編)模具CAE

1、（精編）模具CAE模具 CAE 技術(shù)計算機輔助工程分析 （ComputerAidedEngineering） 技術(shù)在成形加工和模具行業(yè)中的應用，即模具CAE。模具CAE是廣義模具CAD/CAM 中的一個主要內(nèi)容。CAE 所涉及的內(nèi)容非常豐富：1）對工件的可加工性能作出早期的判斷，預先發(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)時間；2）對模具進行強度剛度校核，擇優(yōu)選取模具材料，預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；3）通過仿真進行優(yōu)化設(shè)計，以獲得最佳的工藝方案和工藝參數(shù)，增強工藝的穩(wěn)定性、降低材料消耗、提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的

2、質(zhì)量；4 ）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。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， 而當涉及到時間時，則運用有限差分法。以下簡要介紹有關(guān)數(shù)值模擬 的基本內(nèi)容和方法。1.有限元分析概述對于一般的工程受力問題，希望通過平衡微分方程、變形協(xié)調(diào)方程、 幾何方程和本構(gòu)方程聯(lián)立求解而獲得整個問題的精確解是十分困難 的，一般幾乎是不可能的。隨著 20 世紀五六十年代計算機技術(shù)的出 現(xiàn)和發(fā)展、以及工程實踐中對數(shù)值分析要求的日益增長，并發(fā)展起來 了有限元的分析方法。有限元法自 1960 年由

3、 Clough 首次提出后， 獲得了迅速的發(fā)展；雖然首先只是應用于結(jié)構(gòu)的應力分析，但很快就 廣泛應用于求解熱傳導、電磁場、流體力學、成形工藝等連續(xù)問題。1.1 、有限元法的基本概念 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（即節(jié)點）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)點的位移， 即能根據(jù)相應的數(shù)值方法近似求得區(qū)域內(nèi)的其他各場量的分布；這就 是有限元法的基本思想。從物理的角度理

4、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 的力學特性，也就可以求出組合結(jié)構(gòu)的力學特性。于是，該結(jié)構(gòu)在一 定的約束條件下，在給定的載荷作用下，各節(jié)點的位移即可以求得， 進而求出單元內(nèi)的其他物理場量。這就是有限元方法直觀的物理的解 釋。從數(shù)學角度理解，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)的位移可以由相應各節(jié)點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)點的待定位移，進而求得其他場量。推廣到

5、其他連續(xù)域問題，節(jié)點 未知量也可以是壓力、溫度、速度等物理量。這就是有限元方法的數(shù) 學解釋。從有限元法的解釋可得，有限元法的實質(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 于真實解。由于對整個連續(xù)體進行離散，分解成為小的單元；因此，有限元法可 適用于任意復雜的幾何結(jié)構(gòu)，也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)點越多，有限元數(shù)值解的精度就越高。但隨 著單元的細分，需處理的數(shù)據(jù)量非常龐大，采用手工方式難以完成， 必須借助計算機；計算機具有大存儲量和高計算速度等優(yōu)勢，同時由 單

6、元計算到集合成整體區(qū)域的有限元分析，都很適合于計算機的程序 設(shè)計，可由計算機自動完成；因此，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，有限元 分析才得以迅速的發(fā)展。1.2 有限元法分析的基本過程 有限元法分析的基本過程，概念清晰，原理易于理解；但實際分析過 程，包含大量的數(shù)值計算，人工難以實現(xiàn)，通常只能依靠計算機軟件 進行。有限元軟件并不直接體現(xiàn)以上的過程，一般只是根據(jù)相應的功 能分為前處理、分析計算和后處理三大部分。前處理模塊的主要功能是構(gòu)建分析對象的幾何模型、定義屬性以及進 行結(jié)構(gòu)的離散劃分單元；分析計算模塊則對單元進行分析與集成，并 最終求解得到各未知場量；后處理則將計算結(jié)果以各種形式輸出，以便于了解結(jié)構(gòu)的

7、狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)進行數(shù)值分析。1.3、通用有限元軟件簡介 1.3.1. 有限元軟件 MSC.NASTRANNASTRAN 有限元分析系統(tǒng)是由美國國家宇航局（ NASA ）在 20 世 紀 60 年代中期委托 MSC 公司和貝爾航空系統(tǒng)公司開發(fā)， 發(fā)展至今已 有多個版本，其系統(tǒng)規(guī)模大、功能強。在 70 年代初期， MSC 公司對 原始的 NASTRAN 進行改進和完善后推出了 MSC.NASTRAN 。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)工程應用領(lǐng)域，并為用 戶提供了方便的模塊化功能選項。主要分析功能模塊有：基本分析模塊 （含靜力、模態(tài)、屈

8、曲、熱應力、流固耦合及數(shù)據(jù)庫管理等）、動力學分析模塊、熱傳導模塊、非線性分析模塊、設(shè)計靈敏度分析及優(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。MSC.NASTRAN 的前后處理采用 MSC公司的 PATRAN 程序，MSC.PATRAN 是一種并行框架式的有限元前后處理及分析系統(tǒng)，具 有開放式、 多功能的體系結(jié)構(gòu)， 采用交互圖形界面， 可實現(xiàn)工程設(shè)計、 工程分析、結(jié)果評估，是一個完整 CAE 集成環(huán)境。前處理通過采用直 接幾何訪問技術(shù) （DirectGeometryAccess） 可直接從 CAD/CAM 系統(tǒng) 中獲取幾何模型，甚至參數(shù)和特征；還提

9、供了完善的獨立幾何建模和 編輯工具，使用戶更靈活的完成模型準備。運用多種網(wǎng)格處理器實現(xiàn) 分析結(jié)構(gòu)有限元網(wǎng)格的快速生成。其分析模型定義功能可將各種分析 信息（單元、材料、載荷、邊界條件等 ）直接加到有限元網(wǎng)格或任何 CAD幾何模型上。后處理提供了等值圖、彩色云圖等多種計算分析結(jié)果可 視化工具，幫助用戶靈活、 快速地理解結(jié)構(gòu)在載荷作用下復雜的行為， 如結(jié)構(gòu)受力、變形、溫度場、疲勞壽命、流體流動等。分析的結(jié)果同 時可與其他有限元程序聯(lián)合使用。MSC.NASTRAN 的靜力分析可用求解結(jié)構(gòu)在與時間無關(guān)或時間作用 效果可忽略的靜力載荷 （如集中 / 分布靜力、溫度載荷、強制位移、慣 性力等）作用下的響應

10、， 并得出所需的節(jié)點位移、 節(jié)點力、約束（反）力、 單元內(nèi)力、單元應力和應變能等。該分析同時還提供結(jié)構(gòu)的重量和重 心數(shù)據(jù)。 MSC.NASTRAN 支持全范圍的材料模式，包括：均質(zhì)各項 同性材料，正交各項異性材料， 各項異性材料， 隨溫度變化的材料等； 具有方便的載荷與工況組合：單元上的點、線和面載荷，熱載荷，強 迫位移，各種載荷的加權(quán)組合等，在前后處理程序 MSC.PATRAN 中 定義時可把載荷直接施加于幾何體上。屈曲分析主要用于研究結(jié)構(gòu)在特定載荷下的穩(wěn)定性以及確定結(jié)構(gòu)失穩(wěn) 的臨界載荷， MSC.NASTRAN 的屈曲分析包括：線性屈曲和非線性 屈曲分析。結(jié)構(gòu)動力學分析是 MSC.NAST

11、RAN 的主要強項之一，其主要功能包 括：正則模態(tài)及復特征值分析、頻率及瞬態(tài)響應分析、 （噪）聲學分析、隨機響應分析、響應及沖擊譜分析、動力靈敏度分析等。MSC.NASTRAN 有強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。除幾何、材料、邊界非線性外， MSC.NASTRAN 還提供了具有非線性屬性的各類分析單元，如非線性阻尼、彈簧、接觸單元等。MSC.NASTRAN 的迭代和運算控制方法極為豐富， 它提供了 NewtonRampson 法、改進 Newton 法、 Arc-Length 法、 Newton 和ArcLeng

12、th混合法、兩點積分法、Newmark p法以及非線性瞬態(tài)分析過程的自動時間步調(diào)整功能等；分析中，與尺寸無關(guān)的判別準則可自 動調(diào)整非平衡力、位移和能量增量，智能系統(tǒng)可自動完成全剛度矩陣 更新、或 Quasi-Newton 更新、或線搜索、或二分載荷增量 （依迭代方法），以用于不同目的的數(shù)據(jù)恢復和求解。 自動重啟動功能可在任何 一點重啟動，包括穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)。MSC.NASTRAN 的熱分析、流體分析、流 - 固耦合分析、空氣動力彈 性及顫振分析等其他模塊也都有強大的分析功能。MSC.NASTRAN 具有廣泛的平臺適用性， 可在不同檔次的 50 多種通 用和專用計算機上、不同的操作系統(tǒng)下運行，

13、主要機種如： PC 機、SUN、 DEC、 HP、 IBM、 SGI、 NEC、 HITACHI 、 SIEMENS 、 CRAY、CONVEX等。MSC公司開發(fā)的并行處理技術(shù)保證使 MSC.NASTRAN及相應產(chǎn)品在諸如 CRAY、CONVEX、IBM、SUN、DEC、SGI等具有多處理器的大中型計算機上能高效運行。 此外，MSC的產(chǎn)品還允許 在計算機網(wǎng)絡(luò)上以限定使用權(quán)方式被任何機器激活有效地通過網(wǎng)絡(luò)進 行各種計算。圖 7-2 是運用 MSC.NASTRAN 對某硬盤支架的振動進行模擬分析的 結(jié)果。圖示為支架的等效應力分布圖，右邊區(qū)域的應力值較高，最大值達 58.6Mpa ；左邊區(qū)域的應力相

14、對較低。1.3.2. 有限元軟件 ANSYSANSYS 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、磁場、聲場分析于一體的大 型通用有限元分析軟件。ANSYS 的前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具， 用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型。 ANSYSWorkbenchEnvironmentAWE ）是 ANSYS 公司新近開發(fā)的新一代前后處理環(huán)境， AWE 通過 獨特的插件構(gòu)架與 CAD 系統(tǒng)中的實體及面模型雙向相關(guān)，具有很高 的 CAD 幾何導入成功率， 當 CAD 模型變化時， 不需對所施加的載荷 和支撐重新施加； AWE 與 CAD 系統(tǒng)

15、的雙向相關(guān)性還意味著可通過AWE 的參數(shù)管理器可方便地控制 CAD 模型的參數(shù)，從而將設(shè)計效率更加向前推進一步。AWE 在分析軟件中率先引入?yún)?shù)化技術(shù)， 可同時控制 CAD 幾何參數(shù)和材料、 力方向、溫度等分析參數(shù)，使得 AWE 與 多種 CAD 軟件具有真正的雙向相關(guān)性，通過交互式的參數(shù)管理器可 方便地輸入多種設(shè)計方案，并將相關(guān)參數(shù)自動傳回 CAD 軟件，自動 修改幾何模型，模型一旦重新生成，修改后的模型即可自動無縫地返 回 AWE 中。同時， ANSYS 還提供了方便靈活的實體建模方法，協(xié)助 用戶進行幾何模型的建立。 ANSYS 軟件提供了極其豐富的材料庫和 單元庫，單元類型共有 200

16、多種，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。AWE 的智能化網(wǎng)格劃分能生成形狀特性較好的單元， 以保證網(wǎng)格的高 質(zhì)量，盡可能提高分析精度。 此外， AWE 還能實現(xiàn)智能化的載荷和邊 界條件的自動處理，根據(jù)所求解問題的類型自動選擇適合的求解器求 解。分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非 線性分析）、流體動力學分析、 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。結(jié)構(gòu)靜力分析用來求解外載荷引起的位移、應力和力。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 的靜力分析不僅

17、可以進行線性分析，而且也可以進行非線性分析，如 塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應變及接觸分析。結(jié)構(gòu)非線性導致結(jié) 構(gòu)或部件的響應隨外載荷不成比例變化。 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。結(jié)構(gòu)動力學分析用來求解隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)或部件的影響。與 靜力分析不同，動力分析要考慮隨時間變化的力載荷以及它對阻尼和 慣性的影響。 ANSYS 可進行的結(jié)構(gòu)動力學分析類型包括：瞬態(tài)動力 學分析、模態(tài)分析、諧波響應分析及隨機振動響應分析。在動力學分 析中， ANSYS 程序可以分析大型三維柔體運動；當運動的積累影響 起主要作用時，可使用這些功能分析復雜結(jié)構(gòu)

18、在空間中的運動特性， 并確定結(jié)構(gòu)中由此產(chǎn)生的應力、應變和變形。除以上功能之外， ANSYS 具有非常強大的熱分析、電磁場分析、流 體動力學分析、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，五個迭代求解器和一個顯示求解器， 能順利求解各種矩陣方程。ANSYS 軟件的后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯 示、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

19、塊 POST1和時間歷程后處理模塊 POST26 。通過友好的用戶界面，可方便獲得 求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。結(jié)果可能包括位移、溫度、應 力、應變、速度及熱流等。通用后處理模塊 POST1 對分析結(jié)果能以 圖形形式顯示和輸出，如在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不 同的等值線顏色，代表了不同的值。彩色云圖則用不同的顏色代表不 同的數(shù)值區(qū)，清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。時間歷程響應 后處理模塊 POST26 用于檢查在一個時間段或子步歷程中的結(jié)果， 如 節(jié)點位移、 應力或支反力。 這些結(jié)果能通過繪制曲線或列表進行查看，可繪制一個或多個變量隨頻率或其他量變化的曲線，以形象化地表示分

20、析結(jié)果。另外， POST26還可以進行曲線的代數(shù)運算。ANSYS 軟件是第一個通過ISO9001 質(zhì)量認證的大型分析設(shè)計類軟件。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如 PC，SGI，HP, SUN , DEC, IBM , CRAY等。目前版本為 ANSYS7.0 版。圖 7-3 是運用 ANSYS 對某空氣壓縮機葉輪的受力進行模擬分析的結(jié) 果。圖示為內(nèi)盤、葉片和外輪組成的整體葉輪的等效應力分布圖，葉 輪內(nèi)盤與軸相連區(qū)域的應力值較高，最大值達 151Mpa ；外緣區(qū)域的 應力相對較低。2.金屬塑性成形模擬 2.1 、塑性有限元的基本概念 金屬塑性變形過程非常復雜

21、，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雜得多，這主要體現(xiàn)為：1）由于塑性變形區(qū)中的應力與應變關(guān)系為非線性的，為了便于求解非線性問題，必須用適當?shù)姆椒▽栴}進行線性化處理；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算步中，把問題看作是線性的。2）塑性問題的應力與應變關(guān)系不一定是一一對應的；塑性變形的大小，不僅取決于當時的應力狀態(tài)，而且還決定于加載歷史；而卸載與 加載的路線不同，應變關(guān)系也不一樣；因此，在每一加載步計算時，般都應檢查塑性區(qū)內(nèi)各單元是處于加載狀

22、態(tài)，還是處于卸載狀態(tài)。3）塑性變形中，金屬與工模具的接觸面不斷變化；因此，必須考慮非線性接觸與動態(tài)摩擦問題。4）塑性理論中關(guān)于塑性應力應變關(guān)系與硬化模型有多種理論，材料屬性有的與時間無關(guān)，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，所得到的有限元計算公式也不一樣。5）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，進行有限元計算時必須同時考慮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 必須考慮塑性變形體積不變條件，采用剛塑性理論。以下介紹彈塑性有限元和剛塑性有限元的一些基本理論。心彈塑性有限元的基本原理 在塑性變

23、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)點的位移和轉(zhuǎn)動較小，應變與位移基本成線性關(guān)系時，可 認為是小變形彈塑性問題；而當質(zhì)點的位移或轉(zhuǎn)動較大，應變與位移 為非線性關(guān)系時，則屬于大變形彈塑性問題；相應地有小變形彈塑性 有限元或大變形（有限變形）彈塑性有限元。由于在彈塑性變形中， 應力應變關(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算得到；因此，在有限元分析時，一般只能按增 量理論進行求解，即將整個載荷分解成為若干增量步，逐漸施加在變 形體上。剛（粘）塑性有限元的基本原理 在塑性加工的

24、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， 此時可認為是剛塑性問題， 如鍛造、 擠壓等；相應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。2.2 金屬塑性成形有限元模擬軟件簡介 非線性有限元分析軟件一般的都可應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 專用有限元軟件，專用有限元軟件根據(jù)相關(guān)工藝對分析過程進

25、行了優(yōu) 化處理，讓用戶能更方便的運用，同時提供了適合于成形工藝的后置 處理。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 DYNAFORM 、 德 國 的AUTOFORM 、法國的 PAM 系列軟件；在體積成形方面，有美國的DEFORM、MSC.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，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 、華中科技大學的 VFORM 等，體積成形方面有北京 機電研究所的

26、 MAFAP 等。以下對功能較強且較流行的 DYNAFORM 、DEFORM 等軟件作簡要介紹。2.2.1. 板料成形模擬軟件 DYNAFORMDYNAFORM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。 DYNAFORM 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)計涉及的復雜板成形問題，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；并可以預測成形過程中板料的裂紋、起皺、減薄、劃痕、回 彈，評估板料的成形性能，從而為板成形工藝及模具設(shè)計提供幫助。D

27、YNAFORM 具有完備的前后處理功能，采用集成的操作環(huán)境，無須 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)無文本編輯，并提供了與 CAD 軟件的接口、實用的 幾何模型建立功能。 DYNAFORM 的求解器采用業(yè)界著名、功能強大 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， 包括影響沖壓工藝的 60 余個因素，固化了豐富的實際工程經(jīng)驗，提 供以DFE為代表的多種工藝分析模塊。DYNAFORM 可在PC、工作 站、大型機等多種計算機上的 Windows 、Unix 操作系統(tǒng)下使用，且 具有較適用的二次開發(fā)功能。其主要功能及技術(shù)特點有： 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

28、得 出合理的落料尺寸；Quick-setup 功能利用該功能可以通過板料、凹模、壓邊圈及拉 深筋的定義快速完成標準的拉深模擬； 模具自動網(wǎng)格劃分為捕捉模具外形特征特殊設(shè)計的網(wǎng)格自動劃 分功能，可節(jié)省 99 工具分網(wǎng)時間； 先進的板料網(wǎng)格生成器可以允許三角形、四邊形網(wǎng)格混合劃分， 并可方便進行網(wǎng)格修剪； 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； 模具動作預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；DFE 模面設(shè)計模塊利用該功能可以由產(chǎn)品幾何外形通過工藝補充計算得到模具及壓邊圈尺寸； 拉延筋定義通過拾取凹模（或下壓邊圈）上的節(jié)點（線）生成拉 延筋（多種截面）

29、，并可由 DBFP 子程序預報拉延筋力； 自動壓邊分析在模具幾何模型基礎(chǔ)上快速生成弧形壓邊進行板 料的成形性預測； 網(wǎng)格自適應劃分網(wǎng)格自適應劃分功能可以由用戶控制 （重劃分等 級及間隔），能夠提高求解的精度； 而在回彈分析之前可以對網(wǎng)格進行 粗化處理； 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 求解器之間進行無縫轉(zhuǎn)換，如在拉深過程中應用顯式求解，在后續(xù)回 彈分析當中則切換到隱式求解。材料模型材料庫具有標準的 SAE 材料庫目錄，包含 140 余種金 屬及非金屬材料，如 CRCQ，CRDQ，HRCQ，HRDQ ，鋁以及不銹 鋼等； 結(jié)果處理利用后處理器可以方便地進行三維動態(tài)等值線

30、和云圖 顯示應力應變、工件厚度變化、成形過程等； 成形極限圖成形極限圖中可以直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按照應變程度來可以對每個單元進行靜 態(tài)顯示或是動畫演示； 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，便于進行網(wǎng)絡(luò)傳輸。圖 7-4 是運用 DYNAFORM 模擬一汽車零件沖壓成形的結(jié)果。 圖 7-4（a）是成形零件的厚度分布，右下角區(qū)域表示板料變薄較嚴重；圖 7-4（ b）是成形極限圖，右下角區(qū)域表示是可能產(chǎn)生破裂的危險區(qū)域。2.2.2. 體積成形模擬軟件 DEFORMDEFORM系列軟件是基于工藝過程模擬的有限元系統(tǒng)

31、 （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變應力溫度等物 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 及其他相關(guān)的工藝分析數(shù)據(jù)。）。在 1980 年DEFORM 源 自 塑 性 有 限 元 程 序 ALPIDAnalysisofLargePlasticIncrementalDeformation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 ，后來開發(fā)人員對程序進行了逐 漸完善，并采用 Motif 界面設(shè)計工具，并將程序發(fā)展成為了

32、商品化的 軟件 DEFORM(DesignEnvironmentforFORMing )，由美國 SFTC）公司推廣應用。ScientificFormingTechnologiesCorporationDEFORM 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。DEFORM 有一個較完整的 CAE 集成環(huán)境，具有強大而靈活的圖形界 面，使用戶能有效地進行前后處理。在前處理中，模具與坯料幾何信 息可由其他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 成形工件進行有限元

33、網(wǎng)格的劃分和變形過程中的重新劃分，并自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準備快速可靠； DEFORM 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、錘鍛機、螺旋壓力機、機械壓力機、軋機、擺輾機和用戶自 定義類型（如表面壓力邊界條件處理功能解決脹壓成形工藝模擬） 等， 幫助用戶處理各種不同的工藝條件。DEFORM 的求解器是集成彈性、彈塑性、剛（粘）塑性和熱傳導等 于一體的有限元求解器。可進行冷、溫、熱鍛的成形和熱傳導耦合分 析；

34、其典型應用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制、自由鍛、彎曲和其他 成形工藝的模擬；而運用不同的材料模型可分析殘余應力、回彈問題 以及粉末冶金成形等；基于損傷因子的裂紋萌生及擴展模型可以分析 剪切、沖裁和機加工過程；其單步模具應力分析方便快捷，可實現(xiàn)多 個變形體、組合模具、帶有預應力環(huán)時的成形過程分析。DEFORM 提供了有效的后處理工具，讓用戶能對有限元計算結(jié)果進 行詳細分析。 在后處理中， 具有網(wǎng)格變形跟蹤和點跡示蹤、 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

35、，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算流動應力、沖壓系統(tǒng)響應、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)DEFORM_2D 、果。目前， DEFORM 軟件根據(jù)功能和要求的不同分為DEFORM_3D 、 DEFORM-Pro 、DEFORM-PC 、 DEFORM-HT 等一 系列產(chǎn)品，供 2D 成形、復雜的 3D 成形、熱處理等仿真分析使用， 并可在工作站和 PC 機上的不同操作系統(tǒng)下運行。2.2.3. AltairHyperXtrude在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域，許多重要的零部

36、件都通過擠壓過程 加工生產(chǎn)出來的。傳統(tǒng)擠壓工藝和模具設(shè)計通常借助于反復的實物試 驗，但是產(chǎn)品性能并不一定最佳。相反，擠壓過程的數(shù)值仿真技術(shù)的 應用越來越顯示其優(yōu)越性。AltairHyperXtrude 模塊，是擠壓成形分析的優(yōu)秀 CAE 工具?？蛇M行 擠壓成形問題中模具和過程設(shè)計、分析，可幫助工程設(shè)計人員提高型 材擠壓模具的使用壽命、合理設(shè)計擠壓模工件的形狀尺寸，從而大大 減少模具開發(fā)設(shè)計時間、 試模周期和費用。 HyperXtrude 現(xiàn)已被成功 用于全球各大著名汽車廠商和零部件供應商的擠壓產(chǎn)品開發(fā)。HyperXtrude 數(shù)值模擬的優(yōu)點體現(xiàn)如下：.通過穩(wěn)健、 可靠而快速的計算機模擬和優(yōu)化，

37、 大大降低設(shè)計時間和費.幫助認識現(xiàn)有模具中的存在問題 .驗證新設(shè)計的模具 .計算得到最優(yōu)的工件、模具尺寸 .改進模具設(shè)計、提高模具壽命.減少原材料浪費 .縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，提高產(chǎn)品質(zhì)量物理描述 在傳統(tǒng)的有限元模擬過程中，對于非線性的擠壓過程，當材料流經(jīng)工 作帶時，不可避免地進行著一次又一次的網(wǎng)格再劃分。這種網(wǎng)格再劃 分不但耗時，損失計算精度，而且過度畸變的網(wǎng)格在再劃分時往往出 現(xiàn)失敗，使得模擬無法完成。 HyperXtrude 采用了自適應的網(wǎng)格劃分 技術(shù)，根據(jù)實際模型自動或手動設(shè)置參數(shù)，能在較少的時間內(nèi)完成高 精度的數(shù)值計算。包括：.h-refinement .p-enrichment .E

38、fficienthp-adaptivealgorithms采用有限元方法精確模擬該過程中材料流動和熱傳遞規(guī)律，適應了擠 壓過程分析和產(chǎn)品設(shè)計工程師的需要，并能廣泛適用于金屬和復合材 料的擠壓問題。通過數(shù)值分析，得到擠壓過程中金屬應力、應變、溫 度、流體速度等分布和變化。.變形模擬： 擠壓模具的應力應變分析，反映材料內(nèi)部質(zhì)點變形速度的 不均勻性。.溫度場模擬：定義坯料、模具和周圍環(huán)境之間的熱交換，計算得到坯料內(nèi)的熱傳導、 擠壓筒和模具周圍熱傳遞、擠壓 .溫升和擠壓速度的關(guān)系。.摩擦模擬： 支持定義工件和模具之間、坯料和模腔之間的庫侖摩擦模型或塑性剪切摩擦模型。.模具優(yōu)化：通過與 Optistru

39、ct 之間的數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)的優(yōu) 化分析。前后處理功能 簡單易用的前處理器 : .用戶通過讀入幾何參數(shù)文件，自動或手動進行幾何清理。.通過簡單的參數(shù)設(shè)置自動定位擠壓筒、工件和模具。.單元網(wǎng)格的自動或手動劃分。.支持的材料類型多，包括金屬材料，樹脂材料，溫度相關(guān)材料。.邊界條件的自動或手動設(shè)置。.具有與其他有限元軟件優(yōu)秀的接口， 可以直接讀入有限元文件， 支持 文件格式包括：HyperMeshIDEASFIDAPIGES數(shù)據(jù)結(jié)果的可視化自動輸入結(jié)果文件， 強大的數(shù)據(jù)結(jié)果可視化。 包括：.相關(guān)材料的本構(gòu)規(guī)律 .速度矢量 .顆粒追蹤 .誤差估計曲線 .結(jié)構(gòu)變形、溫度場云圖、切片圖和時程曲線.動

40、畫顯示 3.塑料成型模擬塑料成型是制造業(yè)中的一個主要組成部分，而流動模擬對塑料成型具 有重要意義；運用塑料流動模擬能幫助設(shè)計人員優(yōu)化成型工藝與模具 結(jié)構(gòu)，指導設(shè)計人員從成型工藝的角度改進產(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；達到降低生產(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， 只進行流動模擬分析即可； 但對于復雜精密塑件的成型，不僅要對流動過程進行模擬分析，還需 要對充模、保壓過程中塑件與模具的冷卻進行分析；甚至需要分析開 模后塑件的殘余變形與應力等。在本章節(jié)中，僅對塑料成型流動模擬 的基本原理和注

41、射過程模擬軟件作簡要介紹。3.1、塑料流動過程模擬的基本原理塑料成型過程中，由于塑料熔體的粘度高、雷諾數(shù)低，故熔體流動可 簡化為不可壓縮的層流，符合牛頓流動定律。熔體在型腔內(nèi)流動的數(shù)值模擬分析分為一維、二維和三維分析。一維 分析是二維分析的基礎(chǔ)；二維分析是將任意形狀的三維塑件模型展平 成二維模型后，并分解成許多一維流動的基本單元進行一維分析；三 維分析是在三維模型及其有限元網(wǎng)格的基礎(chǔ)上進行的。二維分析主要 用于確定塑料熔體和成型工藝參數(shù)的可行范圍等以及成型過程技術(shù)上 的可行性；三維分析則用于完整的成型過程數(shù)值模擬與仿真分析。3.1.1. 一維與二維流動分析所謂一維流動，是指塑料熔體在流動過程中

42、任意質(zhì)點的運動可用單方 向的流速來表征。一維流動有三種基本形式，分別為圓管流動、矩形 板流動和徑向流動，如圖 7-8 所示。圓管流動主要用于模擬熔體在流道內(nèi)的流動，而矩形板流動和徑向流 動則可用來模擬熔體在模具型腔內(nèi)的流動。由于一維流動中模具型腔 僅限于園盤類和矩形板類形狀，故在對式（ 7-36 ）- （7-40 ）做進 步簡化后，能方便地采用有限差分方法進行數(shù)值計算。當圓盤形單元和矩形板單元的一維流動數(shù)學模型和數(shù)值計算方法確立 后，即可根據(jù)熔體在型腔內(nèi)的流動路徑，將一維流動單元進行組合， 用來分析在任意形狀的二維型腔內(nèi)的熔體的填充流動過程。分析時， 必須首先根據(jù)經(jīng)驗劃分出熔體在型腔內(nèi)的流動路

43、徑；然后在根據(jù)所劃 分的流動路徑，將型腔分解成若干串聯(lián)的一維流動基本單元。常用的 一維流動基本單元有四種，如圖 7-9 所示。由于二維流動單元是由一維單元串聯(lián)組合而成，故二維分析在實質(zhì)上 與一維分析相同，只是需要處理不同流動路徑的熔體流量和填充時間， 而且還需要一定的經(jīng)驗。但當確定好流動路徑和流動單元后，通過分 析即可獲得任一時刻熔體流動前沿位置及其溫度、速度、壓力的分布 以及熔接縫位置等。3.1.2. 三維流動分析三維流動分析是對熔體在三維結(jié)構(gòu)上的流動進行模擬分析，一般可以 在二維流動分析的基礎(chǔ)上進行。分析時必須首先將塑件的三維結(jié)構(gòu)展 平，并劃分流動路徑和單元；這在實際分析中造成諸多的不便，

44、且需 要設(shè)計人員的經(jīng)驗。而采用有限元法分析熔體在型腔內(nèi)的流動過程， 則不必預先確定流動路徑與單元， 且甚少依賴設(shè)計人員的經(jīng)驗； 因此， 隨著有限元法的發(fā)展， 有限元模擬已成為分析熔體流動過程有效手段。目前，實際模擬分析中將三維流動問題分解為平面流動的二維問題和 壁厚方向的一維問題，采用有限元和有限差分耦合的求解方法，壓力 場等二維問題采用有限元法求解，而通過對時間和厚度方向差分求解 溫度場；在求解過程中，有限元法與有限差分法交替進行。3.2、塑料成型模擬軟件簡介由于塑料成型數(shù)值模擬越來越重要的作用，以及實際的需要；國內(nèi)外 相繼開發(fā)了相應的商品化軟件， 主要有：澳大利亞 MOLDFLOW 公司

45、的 MOLDFLOW 系列軟件；美國 AC-Tech 公司的 C-MOLD 系列軟 件（已被 MOLDFLOW 公司并購）；美國 SDRC 公司的 Polyfill 和Polycool-II ，德國 IKV 研究所的 CADMOULD 系列；法國 CISIGRAPH的 STRIM100 ；我國華中科技大學的華塑 CAE3DRF5.0 等。這些軟件 功能不一，有的與塑料模具 CAD/CAM 集成，有的分析功能十分強大， 包括從流動分析、冷卻保壓分析到工藝參數(shù)優(yōu)化和一些特種注射成型如氣體輔助注射）的分析等多種功能。以下主要介紹華塑CAE3DRF5.0 和 MOLDFLOW 系列軟件3.2.1. 華

46、塑 CAE3DRF5.0 軟件 華塑 CAE3DRF5.0 軟件是由華中科技大學塑性成型模擬及模具技術(shù) 國家重點實驗室李德群教授主持開發(fā)。 該軟件系統(tǒng)， 無論在數(shù)學模型、 算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)還是商品化程度和主要功能上均可與國際同類軟件相媲美；但具有非常高的性價比，價格比國外同類軟件低很多。該系統(tǒng) 是 HSCAE 軟件的最新版本，采用了新的三維圖形核心和分析數(shù)據(jù)模 擬顯示技術(shù)，應用了先進的三維真實感流動分析技術(shù)；同時，該 CAE軟件與華塑 CAD 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算校核軟件進行集成，實現(xiàn)了塑 料成型工藝與模具的 CAD/CAE/CAM 一體化。目前，該軟件已有流 動分析和冷卻分析兩大模塊。該系統(tǒng)硬件

47、環(huán)境要求較低，并支持Windows98/NT 中文簡、繁體和英文操作系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)的主要技術(shù)特點和功能有： 幾何模型的輸入自帶幾何造型系統(tǒng)，并支持通用三維 CAD 系統(tǒng) 的 STL 文件輸入； 先進的圖形和結(jié)果顯示功能實現(xiàn)模型及分析結(jié)果三維顯示， 快速旋轉(zhuǎn)、平移、縮放；流動分析結(jié)果可隨意按時間步顯示和回溯；操作方便系統(tǒng)具有良好的中文界面，支持相關(guān)的中國國標，優(yōu)良的設(shè)計操作性能，采用可折疊的目錄樹管理操作進程和分析數(shù)據(jù)，讓 用戶能有效的控制整個分析過程的實現(xiàn)； 先進的流動分析技術(shù)采用三維真實感注射成型流動分析； 強大的分析功能準確地分析流動前沿、溫度場、壓力場、剪切力 與剪切速率場；自動預測熔

48、接縫和氣穴的位置等； 開放的數(shù)據(jù)庫支持國內(nèi)外塑料數(shù)據(jù)庫， 并可以測試并添加新獲得 的塑料流變數(shù)據(jù)。圖 7-11 是運用華塑 CAE3DRF5.0 軟件對幾個典型的塑料零件進行流 動模擬后得到的流動前沿分布。3.2.2. MOLDFLOW 系列軟件MOLDFLOW 系列軟件是由專門從事注射成型 CAE 軟件開發(fā)和市場 經(jīng)營的跨國公司 MOLDFLOW 公司開發(fā)的。該系列軟件根據(jù)功能差別) 和 MPI分 為 MPA ( MoldflowPlasticsAdvisersMoldflowPlasticsInsight ），其中 MPI 功能非常強大，包括流動分 析、冷卻分析、翹曲分析、收縮分析、結(jié)構(gòu)應力分析、氣體輔助注射成型分析、注射工藝參數(shù)優(yōu)化等。以下是 MPI 的主要技術(shù)特性和功能。MPI/FLOWBaseModules基本模塊模型及幾何建模能夠?qū)Ω鞣N復雜的產(chǎn)品曲面進行造型， 并能對模 具冷流道、熱流道及冷卻管道方便的進行造型，并能自動進行有限單 元網(wǎng)格劃分； 結(jié)果顯示能夠?qū)τ嬎銠C計算結(jié)果按等值線、光照或按照有限單 元、單元節(jié)點等多種方式顯示，并能方便的放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、平移 顯示結(jié)果； 標準圖形接口能夠?qū)?CAD/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)