挤压变形有限元数值模拟论.doc

有限元数值模拟课程报告 挤压变形有限元模拟分析 班级 成型121402 学号 201214030214 姓名 倪德贵摘要：传统的锻造工艺和模具的设计方法往往依靠一些成熟的经验和技巧作为设计的准则，难以准确、有效地解决锻造过程中的设计问题。这种常规方法具有很大的盲目性和试探性，带来严重的设备、材料和时间的浪费，同时产品质量得不到保证。随着数值模拟技术的应用，传统的经验设计方法迅速地被更有效的基于模拟的设计方法所代替，这种方法能有效地提高生产效率和材料利用率。采用有限元模拟的方法，可以及时发现设计中存在的不足，并通过修改设计方案，达到满意的效果，为设计模具提供科学的依据。我们可以较准确地了解到在塑性成型过程中的质点的流动规律、应力应变规律等，给实际工程带来了很大的方便。关键词： 锻造设计生产效率，有限元模拟分析，挤压变形过程，变形规律。1、 问题来源及意义1.问题来源 锻造生产虽然生产效率高，锻件综合性能高，节约原材料和机械加工工时，但生产周期较长，成本较高，在当代处于不利的竞争地位。因为传统的锻造工艺和模具的设计方法往往依靠一些成熟的经验和技巧作为设计的准则，难以准确、有效地解决锻造过程中的设计问题。这种常规方法具有很大的盲目性和试探性，带来严重的设备、材料和时间的浪费，同时产品质量得不到保证。 随着数值模拟技术的应用，传统的经验设计方法迅速地被更有效的基于模拟的设计方法所代替。DEFORM是一套基于有限元的工艺仿真系统，用于分析金属成形及相关工业的各种成型工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程，我们可以较准确地了解到在塑性成型过程中的质点的流动规律、应力应变规律等，有利于设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本，提高模具设计效率，降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。2.分析的目的和意义 文主要应用锻造有限元软件DEFORM软件作为模拟平台, 分析介绍了在挤压变形过程中载荷计算、应力应变分布、缺陷分析和预防、流线查看等方面的变化。并将其模拟的各项结果进行了相互分析和比较，以便总结研究相应的解决方案，从而尽量地提高锻件的生产质量。3. 挤压的概念，分类和特点（1） 概念 挤压是指坯料在三相不等压应力作用下，通过模具内有一定形状和尺寸的孔， 发生塑性变形，以获得所需制件的塑性成形工序。（2） 基本分类 1）正挤压：金属流动方向与凸模运动方向相同。 2）反挤压：金属流动方向与凸模运动方向相反 3）复合挤压： 金属在凸模涌动的同方向和反方向 均流动，是正挤和反挤的复合 4）径向挤压： 挤压时金属的流动方向与凸模的动方 向垂直 （3） 现代挤压技术的特点1)挤压零件尺寸准确，表面光洁。2)节约原材料,冷挤压件材料利用率通常可以达到80%,可以节约大量钢材和有色金属材料。3)生产效率高,用挤压方法生产机械零件的效率是非常高的，可比切削加工提高几倍，几十倍，甚至几百倍.4)可加工形状复杂的零件5)冷挤压件强度高，刚性好而质量轻,扩大了材料塑性加工成型范围。4. DEFORM-3D的基本特点与功能（1）DEFORM-3D是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。如：材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D功能与2D类似，但它处理的对象为复杂的三维零件、模具等。1)不需要人工干预，全自动网格再剖分。2)前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠。3)DEFORM-3D模型来自CAD系统的面或实体造型（STL/SLA）格式。4)集成有成形设备模型，如：液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机和用户自定义类型（如胀压成形）。5)表面压力边界条件处理功能适用于解决胀压成形工艺模拟。6)单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析。7)材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型。8)实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也可以耦合在成形模拟中进行分析。9）具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力-行程曲线等后处理功能。10）具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。11）程序具有多联变形体处理能力，能够分析多个塑性工件和组合模具应力。12）后处理中的镜面反射功能，为用户提供了高效处理具有对称面或周期对称面的机会，并且可以在后处理中显示整个模型。13）自定义过程可用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判据和一些特别的处理要求，如：金属微结构，冷却速率、机械性能等。其它14）DEFORM软件持续升级，并支持定期培训，定期举行DEFORM用户会。15）输出结果包括图形、原始数据、硬拷贝和动画，HTML格式的在线帮助(webbrowser)。16）SFTC为DEFORM材料数据库提供了146种材料的宝贵数据。（2）DEFORM是国际上最著名的2D/3D成形加工和热处理工艺模拟分析软件，专为生产实际应用而设计开发，使用起来特别简便。保证用户缩短设计、生产周期，优化最佳工艺，提高生产率。DEFORM具有如下突出特色：1) 模拟范围广：材料流动，锻造负荷，模具应力，晶粒流动，缺陷成因等2)适用工艺广：（a）冷、热、温过程；（b）锻造，拉拔，挤压，镦头，镦粗，轧制，摆辗，机加工车削，冲切等；（c）正火，退火，淬火，回火，时效，渗碳，蠕变，硬化等3)适用设备多：液压锻机，锻锤，摩擦压力机，机械压力机，轧机，摆辗机等4)材料库丰富：146种专用材料数据库5)模拟范围：预成形粗加工、二次成形、热处理、焊接和通用机加工等工艺。6)能够模拟的热处理工艺类型：正火、退火、淬火、回火、时效处理、渗碳、蠕变、高温处理、相变、金属晶粒重构、硬化和时效沉积等。7)模拟内容：能够精确预测硬度，金相组织体积比值（如马氏体、残余奥氏体含量百分比等），热处理工艺引起的挠曲和扭转变形，残余应力，碳势或含碳量等热处理工艺评价参数。8)材料模型有弹性、塑性、弹塑性、刚性和粉末材料。9)能够基于Johnson-Mel方程和T-T-T数据准确预测与扩散相关的相变。用Mag方程所描述的剪切过程相关的非弥散性相变，可以作为温度、应力和含碳量的函数来进行计算模拟。10)根据相硬度数据能够精确预测热处理工艺处理后的最终硬度分布。每个相变具有各自独立的弹性、塑性、温度和硬化等物理参数。相应综合材料性能则由某一时刻各金相组织类型及其所占比例等因素决定。11）集成有成形设备模型，如：液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机和用户自定义类型。不需要人工干预，AMG全自动网格优化再剖分。二、有限元建模基本数据和流程1.锻件的工艺参数2.锻件的三维实体图 3.模拟条件设定4.毛坯、上模、下摸的平面图 5.前处理6.后处理1. 锻件的工艺参数 锻造速度：5mm/s 图1 盘形件的二维零件图摩擦系数：剪切摩擦 0.2材料：AL-50832.锻件的三维实体图 （a）挤压的物理模型 （b）成形零件图 图2 挤压模拟图3.模拟条件设定 模拟时设定条件如下：坯料的选用AL-5083，模具材料选用45钢，此为冷挤压，设工件锻造温度为20度 ，摩擦模型为常剪应力摩擦，模具与坯料之间的摩擦系数取为0.2，假定模具为刚体，不发生变形。 由UG软件分析得：V=6883.5246，从而选择毛坯：=25，H =15进行锻造。4.毛坯、上模、下摸的平面图 （a）上模 （b）下模 （c）坯料 图3 上下模、毛坯平面图 5.前处理 导入工件与模具 网格的划分（8000个） 定义工件材料（AL-5083） 定义坯料的边界条件 定义上下模材料（刚体） 定义上模速度(5mm/s) 设定摩擦系数（0.2） 设定步长6. 后处理 图4 终锻状态图 （a）等效应力图 （b）等效应变图 图5 等效应力应变图 图6速度矢量图 图7载荷-行程图 图8流线图三.计算结果分析 本文依据所学的现有知识，运用有限元工艺仿真软件Deform对盘形件的挤压过程进行了有限元数值模拟，通过对载荷计算、应力应变分布、缺陷分析和预防、流线查看等方面的分析，得到一下几个结论：1）总的来说，从图4可以看出，模腔填充基本完整，有少量的飞边产生，圆角2）应稍微大点将有利于模腔的填充。3）从图5（a）应力图可以看到红色区域内承受较大的应力；4）从图5（b）应变图可以看出在坯料的圆角附近区域，其应变值较大；5）从图6速度矢量图可以看出，坯料向上下两凹腔和分型面出流动；6）从图7载荷-行程图中可以看出，开始时随着上模的下行载荷缓慢增加，当坯料圆柱外表面与上下模接触后，载荷随着上模的下行急剧增加，当坯料充满模腔时，载荷达到最大值；7）从图8流线图中可以看出在坯料中部流线变形很小，随着半径的增大流线越往外弓曲，总体上，金属流动存在不均匀现象；网格在凸模圆角处变形明显，说明圆角处金属流动明显；由图5（b)可以看出凸模圆角出应变集中，向外呈扩散减小趋势，到挤压件外壁基本无应变；由图5（a）可以看出凸模倒角应变集中，工件壁部几乎无应变。四.结论 运用DEFORM一3D三维模拟软件对AL-5083实心铝型材的挤压过程进行了有限元模拟。平面分流组合模挤压过程的模拟中，如何控制几何模型数据存储的误差、有限元网格的