Deform圓柱體壓縮過程模擬

1、銅陵學(xué)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(jī)模擬 指導(dǎo)教師 張 金 標(biāo) 專業(yè)班級 10 材控（2） 姓 名 彭 建 新 學(xué) 號 1010121064 2013年04月20日實驗一 圓柱體壓縮過程模擬 1 實驗?zāi)康呐c內(nèi)容1.1 實驗?zāi)康倪M(jìn)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(xué)會運(yùn)用DEFORM軟件分析壓縮變形的變形力學(xué)問題。1.2 實驗內(nèi)容圖1 圓柱體壓縮過程模擬運(yùn)用 DEFORM 模擬如圖 1 所示的圓柱坯壓縮過程。 （一）壓縮條件與參數(shù)錘頭與砧板：尺寸20020020mm，材質(zhì)DIN-D

2、5-1U,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(yùn)動速度，mm/s壓縮程度，%1100150012021001500.41203100250012041002500.4120（二）實驗要求（1）運(yùn)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(yùn)算（參考指導(dǎo)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(yīng)力、應(yīng)變及損傷值分布狀態(tài)；（5）比較方案1與2

3、、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(yùn)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 壓縮過程模擬建立新問題，單位制度選擇，添加對象，定義對象的材料模型，調(diào)整對象位置關(guān)系，模擬控制設(shè)置，實體網(wǎng)格化，設(shè)置對象材料屬性，設(shè)置主動工具運(yùn)行速度，工件體積補(bǔ)償，邊界條件定義，保存k文件，在工具欄上點擊Database generation按

4、鈕 在Type欄選中New選項選擇路徑（英文）填入數(shù)據(jù)庫文件名（英文），如forging 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。在工具欄上點擊Exi按鈕，退出前處理程序界面。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(jìn)入運(yùn)算對話框單擊Start按鈕開始運(yùn)算單擊Stop按鈕停止運(yùn)算單擊Summary，Preview，Message，Log按鈕可以觀察模擬運(yùn)算情況。2.3 后處理模擬運(yùn)算結(jié)束后，在主控界面上單擊forging.DB文件在Post Processor欄中單擊DEFORM-3D Post按鈕，進(jìn)入后處理界面。1） 觀

5、察變形過程：點擊播放按鈕查看成型過程；2） 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；3） 觀察最大應(yīng)力分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇Max Stress，點擊播放按鈕查看成型過程中最大應(yīng)力分布及其變化情況；4） 觀察最大應(yīng)變分布：在狀態(tài)變量的下拉菜單中選擇Max Strain，點擊播放按鈕查看成型過程中最大應(yīng)變分布及其變化情況；5） 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；6） 成型過程載荷：點擊Load Stroke按鈕，生成變形工具加載曲線圖，保存圖形文件為lo

6、ad.png；7） 點跟蹤分析：點擊Point Tracking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(yīng)力、最大應(yīng)變、溫度、破壞系數(shù)，保存相應(yīng)的曲線圖。3 實驗結(jié)果與分析3.1觀察變形過程以下實驗（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0.4；（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0.4；方案（a）、（b）、（c）、（d）實驗的圓柱體大致變形過程分別如下圖分別所示：（a） 高度150、摩擦系數(shù)0 （c） 高度250、摩擦系數(shù)0 （b）

7、高度150、摩擦系數(shù)0.4（d） 高度250、摩擦系數(shù)0.4圖1 （a）、（b）、（c）、（d）四種方案的壓縮變形過程從上圖1中對比方案(a、(b可以看出在高度相同的圓柱體鐓粗，無摩擦系數(shù)的圓柱體變形后的形狀任然是圓柱體，產(chǎn)生的是均勻變形；摩擦系數(shù)為0.4 的圓柱體變形后為單鼓形，產(chǎn)生的是不均勻變形。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是工件和模具接觸界面有摩擦的情況，工件不僅收到了壓縮正應(yīng)力也同時受到了摩擦剪應(yīng)力的作用，表面金屬質(zhì)點流動受到束縛，產(chǎn)生鼓形的不均勻變形。對比方案(a、(c可以看出無接觸摩擦?xí)r，圓柱體高度對壓縮變形無影響，任然是均勻變形。對比方案（c）、（d），即在有摩擦條件下（摩擦系數(shù)相等），當(dāng)

8、H/d 2 出現(xiàn)的單鼓形較為明顯。注：試驗中H/d2時摩擦系數(shù)為0.4的柱體壓縮未產(chǎn)生雙鼓形，與理論有差別，其原因可能是壓縮量不夠，現(xiàn)象不夠夠明顯;摩擦系數(shù)不夠大或者與材料自身性質(zhì)有關(guān)。3.2溫度變化（b）高度150，摩擦系數(shù)0.4（a）高度150，摩擦系數(shù)0（c）高度250，摩擦系數(shù)0（d）高度250，摩擦系數(shù)0.4圖2 （a）、（b）、（c）、（d）四種方案的溫度分布從圖2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（25攝氏度）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(jìn)行塑性變形時，由于金屬流動而產(chǎn)生些許熱量，應(yīng)有

9、溫度變化，但未出現(xiàn)溫度變化，可能的原因變形量太小，產(chǎn)生的熱量太少，不足以使得金屬的溫度有明顯的上升，所以在模擬情況下看不到溫度變化。3.3最大應(yīng)力比較 （b）高度150，摩擦系數(shù)0.4（a）高度150，摩擦系數(shù)0（d）高度250，摩擦系數(shù)0.4（c）高度250，摩擦系數(shù)0圖3 （a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應(yīng)力分布（b）高度150，摩擦系數(shù)0.4（a）高度150，摩擦系數(shù)0（d）高度250，摩擦系數(shù)0.4（c）高度250，摩擦系數(shù)0圖4 （a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應(yīng)力半剖云圖分布分析：觀察上圖3及圖4（a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應(yīng)力分布（1）高度

10、相同，接觸摩擦系數(shù)不同： 由上圖4中對比方案（a）和方案（b），圓柱體表面及內(nèi)部最大應(yīng)力分布截然不同。方案（a）中最大、最小應(yīng)力相同為-2.48Mpa，應(yīng)力分布比較均勻，主要為壓應(yīng)力。方案（b）中最大應(yīng)力為1.85Mpa，最小應(yīng)力為-4.5Mpa，最大應(yīng)力主要位于圓柱體的表面以及靠近表面處，比較方案（c）和方案（d），方案（c）中最大應(yīng)力為0.0192Mpa，最小應(yīng)力為-0.055Mpa，最大拉應(yīng)力主要分布在圓柱體的表面，最小應(yīng)力即最大壓應(yīng)力一小點區(qū)域分布在圓柱體表面，應(yīng)力分布比較均勻。方案（b）中最大應(yīng)力為1.85Mpa，最小應(yīng)力為-4.57Mpa，其分布及形成原因與方案（b）類似。（2）接

11、觸摩擦系數(shù)相同，高度不同：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(yīng)力拉應(yīng)力和附加壓應(yīng)力就越小，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力均分布在圓柱體表面上。比較方案（b）和方案（d），摩擦系數(shù)均為0.4時，壓下量越大，圓柱體壓縮變形過程中最大壓應(yīng)力越小，最大拉應(yīng)力越小，且應(yīng)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。3.4最大應(yīng)變比較（a）高度150，摩擦系數(shù)0（b）高度150，摩擦系數(shù)0.4（c）高度250，摩擦系數(shù)0（d）高度為250mm、摩擦系數(shù)為0.4圖5（a）、（b）、（c）、（d）四種方案的最大應(yīng)變分布由圖5可看出：（1）高度一樣，接觸

12、摩擦系數(shù)不一樣：比較方案（a）和方案（b），從表面及內(nèi)部的應(yīng)變狀態(tài)圖可以得出，無摩擦鐓粗時，應(yīng)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(yīng)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(yuǎn)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

13、圓柱體的形狀，便可以發(fā)現(xiàn)其形狀在變形后呈單鼓形。比較方案（c）和方案（d）的應(yīng)變分布及其分析原因于中大致相同。由此可以得出，接觸摩擦系數(shù)對應(yīng)變的分布有影響。（2）接觸摩擦系數(shù)相同，高度不同：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(yīng)變分布和內(nèi)部應(yīng)變分布都比價均勻，符合壓縮過程中均勻變形；比較方案（b）和方案（d），圓柱體接觸摩擦系數(shù)均為0.4時，其表面應(yīng)變分布和內(nèi)部應(yīng)變分布都不均勻，各部分最大應(yīng)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(yīng)變均有不同程度的影響。3.5壓縮變形后破壞系數(shù)的比較（b）高度150，摩擦系數(shù)0.4（a

14、）高度150，摩擦系數(shù)0（c）高度250，摩擦系數(shù)0（d）高度250，摩擦系數(shù)0.4圖6 （a）、（b）、（c）、（d）四種方案的破壞系數(shù)分布從圖6中可以看出，（a）、（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；方案（b）的破壞系數(shù)為中部鼓形邊緣的破壞系數(shù)最大。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(yīng)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)生較大的周向拉應(yīng)力，由于中外部自由變形區(qū)變形程度最大，破壞程度也是最大的，理論模擬情況相符合。但是（d）方案的破壞系數(shù)為0，與

15、理論不符合，理論上的破壞云圖應(yīng)該與（b）相似，因為在接觸摩擦相同的情況下，H/D越大，金屬流動的側(cè)面翻平比例越大，因而不僅中部側(cè)面存在較大破壞，破壞系數(shù)在上下側(cè)面也有所增大。之后筆者按照（c）方案做了幾次重復(fù)試驗，結(jié)果依然如此，可能這就是DEFORM軟件存在的不足之處。36 行程載荷曲線分析總體分析：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

16、其變形抗力增加，故載荷力繼續(xù)增加。圖7 表示（a）、（b）、（c）、（d）四種方案壓縮變形過程中行程載荷圖比較分析：（1）高度相同，摩擦系數(shù)不同：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。比較方案（c）和方案（d）的結(jié)果與大致相同，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(xì)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(dǎo)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

17、荷力，摩擦系數(shù)越大，載荷力越大，摩擦系數(shù)越小，載荷力越小。（2）摩擦系數(shù)相同，高度不同：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中可以時，最終結(jié)果，高度越低，載荷力越大；反之，越小。比較方案（b）和方案（d），兩者都屬于不均勻變形，比較同上述類似。3.7點追蹤最大應(yīng)力分析圖8 （a）、（b）、（c）、（d）四種方案下點追蹤最大應(yīng)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(yīng)力變化大；二是塑性變形階段，應(yīng)力變化小。并且無論選取的點的位置的不同，其應(yīng)力變化趨勢基本都相同。4 實驗小結(jié)本實驗通過CAD和DEFORM對鐓粗過程進(jìn)行了模擬，經(jīng)過無摩擦鐓粗和有摩擦鐓粗之間的對比分析，驗證了均勻變形和不均勻變形的變形特點。把書本的知識應(yīng)用到模擬當(dāng)中，使我對課本的知識有了更進(jìn)一步的理解。通過這次實驗，培養(yǎng)了我運(yùn)用書本知識解決實際問題的能力。通過老師的講解和PDF的學(xué)習(xí)，初步運(yùn)用了DEFORM進(jìn)行簡易的應(yīng)用，通過鐓粗的前處理和求