（材料学专业论文）复杂曲面切削加工仿真技术研究.pdf

r e s e a r c ho ns i m u l a t i o nt e c h n o l o g yo f m a c h i n i n gc o m p l e xs u r f a c e w a n gm i n b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 11 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o u u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y p r o f e s s o rl ix u d o n g a p r i l ，2 0 11 m肿l2 册658舢8 niil_m y 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 丘缸日期：洲f 年6 月岁e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：王敛 导师签名：翻红孕， 日期：功【1 年 日期：乱，年 6 月r 日 6 月7 日 ， 硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 1l 第1 章绪论1 1 1 制造领域的现状和发展趋势l 1 1 1 先进制造技术1 1 1 2 加工过程规律的研究3 1 1 3 制造技术的发展方向4 1 2 技术背景4 1 2 1 有限元法4 1 2 2 金属塑性成形过程的有限元仿真技术概述6 1 2 3 有限元软件d e f o r m 的介绍8 1 3 国内外研究现状l o 1 4 本文主要研究内容1 2 第2 章刚塑性有限元仿真技术1 3 2 1 刚塑性有限元法列式及求解1 3 2 1 1 离散化1 3 2 1 2 线性化1 5 2 2 动态边界条件的接触处理1 5 2 2 1 自由节点接触刀具的判断1 6 2 2 2 接触节点的位置调整1 7 2 3 有限元网格畸变与重划1 8 2 3 1 网格重新划分的判别准则1 9 2 3 2 网格重划技术2 2 2 3 3 刚塑性有限元分析步骤2 5 2 4 切削的分离准则2 7 2 5 本章小结2 8 第3 章基于d e f o r m 切削有限元模型的建立2 9 3 1 几何模型及材料模型的建立2 9 3 1 1 几何模型的建立2 9 3 1 2 材料模型的建立3 0 3 2 网格划分及动态网格自适应网格重划3 1 3 3 边界条件的设定以及刀具的运动控制3 2 3 4 摩擦模型的建立二3 3 3 5 刀具磨损模型3 5 3 6 切削模型结果及分析3 5 3 6 1 切屑的形成过程3 6 3 6 2 切削力的提取3 6 基于d e f r o m 软件复杂曲面切削加t 仿真技术研究 3 6 3 工件的切削应力分布3 7 3 6 4 切削应变的分布3 7 3 6 5 切削温度场的分布3 8 3 7 本章小结3 8 第4 章复杂曲面三维切削模型的建立3 8 4 1d e f o r m 二次开发技术3 9 4 2 运动控制子程序的编写4 3 4 2 1 切削速度的计算4 4 4 2 2 走刀路线的选择4 6 4 3 加工验证4 7 4 3 1 曲线的切削4 8 4 3 2 曲面的切削5 0 4 4 本章小结5 5 结论5 6 参考文献5 8 致谢6 1 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 2 硕士学位论文 摘要 切削是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸 以及表面光洁度的方法。为了提高切削加工特别是精密和超精密切削的生产效率 和加工质量，需要深入研究切削机理、切削加工和切屑形成理论。研究表明，数 值方法是研究切削加工的过程的有效手段。本文选用大型体积成形商业软件 d e f o r m 对复杂曲面的切削加工过程进行仿真和分析，将d e f o r m 3 d 作为模拟 金属切削过程和计算的主体工具，将f o r t r a n 作为d e f o r m 3 d 的接口语言，对 d e f o r m 3 d 进行二次开发和辅助计算。 首先，在讨论有限元基本理论和刚塑性成形理论的基础上，建立了金属切削 三维热力耦合刚塑性有限元模型，确定了材料模型、接触摩擦模型、磨损模型， 网格重划分方法等。并成功地模拟了基于d e f o r m 3 d 软件d e f o r m 一3 dp r e 模 块成功地模拟了三维金属切削过程，得到了切削过程中的切削力数据、应力应变 分布、温度场分布以及切屑的形成过程，证明了模拟结果的正确性，为建立复杂 曲面切削的有限元模型奠定了坚实基础。 其次，基于w i n d o w s 平台，体积成形软件d e f o r m 3 d 进行二次开发，通过 d e f o r m 3 d 的用户子程序功能，找到自定义模具或者工件运动的方法，插入了 可以让模具按照指定路径运动的模型，克服了d e f o r m 3 d 软件仅仅只能做简单 的直线或者是旋转运动的缺陷，使得软件d e f o r m 3 d 软件模拟复杂型面的切削 成为可能。 最后，根据前面建立的有限元模型，应用经过二次开发的d e f o r d 3 d 软件，建 立平面曲线轮廓加工过程几何仿真模型，研究几何仿真技术，分析刀位点位置， 并以此为依据开发出复杂型面的切削路径生成方法，最后通过实验逐渐优化算法， 完成了曲线和曲面的切削过程的仿真，将零件经切削后的曲线( 曲面) 与原始曲 线( 曲面) 进行了对比，在绝大部分区域吻合的很好。这证实了所添加了模具运 动模型的正确性，说明该模型能够按照用户任意指定的路径运动。同时也表明了 软件d e f o r m - 3 d 的二次开发是成功的。 关键词：切削；三维数值模拟；复杂曲面；刚塑性有限元；热力耦合 a b s t r a c t c u t t i n gi st h em e t h o dw h i c h r e m o v ee x c e s sm a t e r i a ll a y e rt og e tt h ed e s i r e dw o r k p i e c e ，s i z ea n ds u r f a c es m o o t h n e s so nt h em a t e r i a ls u r f a c eb yu s i n gt o o l s t oi m p r o v e t h e e f f i c i e n c y o fc u t t i n ga n dp r o c e s s i n gq u a l i t y o f p r e c l s m n c u t t i n g a n d u i t r a p r e c i s i o nc u t t i n g ，i tn e e d st o f u r t h e rs t u d yt h em e c h a n i s mo fc u t t i n ga n dc h l p f b 恤a t i o nt h e o r y r e s e a r c hs h o w st h a tt h en u m e r i c a lm e t h o d i st h ee f f e c t i v em e a n st o s t u d vt h ep r o c e s so fc u t t i n g t h ep a p e rs e l e c t c o m m e r c i a ls o f t w a r ed e f o r mt o s i m u l a t ea n da n a l y z et h ec u t t i n gp r o c e s s o fc o m p l e xs u r f a c e i t t a k e st h e d e f o r m 3 da sm a i nt o o lt os i m u l a t ep r o c e s so f m e t a lc u t t i n ga n dc o m p u t a t l o n ，a n d t a k e sf o r t r a n a s t h ei n t e r f a c el a n g u a g e o fd e f o r m - 3 d t os e c o n d a r y d e v e l o p m e n ta n ds u p p o r t i n g c a l c u l a t i o n f i r s t l y ，o nt h eb a s eo ff i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n dr i g i d 。p l a s t i cf o r m i n gt h e o r y ， r i g i dp l a s t i ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo ft h r e e - d i m e n s i o n a lt h e r m a lc o u p l e o fm e t a l c u t t i n gi se s t a b l i s h e d ，a n dt h em a t e r i a lm o d e l ，c o n t a c tf r i c t i o nm o d e l ，w e a r m o d e l ，t h e g r i d - p a r t i t i o nm e t h o da r ea l s o d e t e r m i n e d b a s eo nd e f o r m 3 dp r em o d u l eo f d e f o r m 3 ds o f t w a r e ，t h et h r e e - d i m e n s i o n a lp r o c e s so f m e t a lc u t t i n gi ss u c c e s s f u l l y s i m u l a t e d ，c u t t i n gf o r c ed a t a 、s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o n 、t e m p e r a t u r ed l s t r l b u t l o n a i l dt h ef o m a t i o np r o c e s so ft h ec h i p a r eo b t a i n e d ，t h ec o r r e c t n e s so fs i m u l a t l o n r e s u l t si sp r o v e d ，w h i c hl a yt h eb a s i co fe s t a b l i s h i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l o fc o m p l e x c u t t i n gs u r f a c e s e c o n d l y ，b a s e do nw i n d o w sp l a t f o r m ，i t m a k e ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t o d e f o r m 3 ds o f t w a r e t h r o u g ht h eu s e rs u b r o u t i n ef e a t u r e o fd e f o r m - 3 d ，t h e c u s t o mm o l do rt h ew o r kp i e c em o t i o nm e t h o d i sf o u n d b yi n s e r t i n gm o d e lw h l c hc a n m a k em o l dm o v i n ga ss p e c i f i e dp a t ha n do v e r c o m i n gt h ed e f e c to f t h a td e f o r m - 3 d s o f t w a r ec a no n l yd oas i m p l es t r a i g h t l i n e so rr o t a r ym o v e m e n t ；i tm a k e st h a t s i m u l a t i n gt h ec o m p l e xs u r f a c eb y d e f o r m 一3 ds o f t w a r ep o s s i b l e f i n a l l v ，o nt h eb a s i co ft h ef i n i t ee l e m e n tm o d e le s t a b l i s h i n g a sb e f o r e ，i tb u i l d s g e o m e t r i cs i m u l a t i o nm o d e lo fm a c h i n i n gp r o c e s so fp l a n a r c u r v ec o n t o u r i n g ，b y a p p l y i n gt h ed e f o r m 3 ds o f t w a r ea f t e rs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t a tt h ef o u n d a t l o n o fr e s e a r c h i n gg e o m e t r ys i m u l a t i o na n da n a l y z i n gc u t t e rp o s i t i o n ，t h em e t h o dw h l c h c a ng e tt h ec u t t i n gp a t ho fc o m p l e xs u r f a c ei sd i s c u s s e d a t t h ee n d ，t h r o u g hg r a d u a l o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，i tf i n i s h e st h es i m u l a t i o no fc u t t i n gp r o c e s so f c u r v e sa n d s u r f a c e s a f ：【e rc o m p a r i n gt h ec u tc u r v e s ( s u r f a c e s ) t ot h eo r i g i n a lc u r v e s ( s u r f a c e s ) ，i t i i 硕士学位论文 c a nb ef o u n dt h e ya r eg o o da g r e e m e n ti nm o s ta r e a s t h i sr e s u l tc o n f i r m st h e c o r r e c t n e s so ft h ea d d e dm o t i o nm o d e l i ta l s os h o w st h a tt h em o d e lc a nm o v ea st h e p a t ho fu s e rs p e c i f i e s a l lo ft h i sc a nv e r i f yt h es e c o n dd e v e l o p m e n to fd e f o r m 3 d s o f l w a r ei ss u c c e s s f u l k e yw o r d s ：c u t t i n g ；t h r e e d i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；c o m p l e xs u r f a c e ； r i g i dp l a s t i cf i n i t ee l e m e n t ；t h e r m a lc o u p l e i i i 硕士学位论文 第1 章绪论 现代先进机械制造技术的趋势之一的产品形状结构的复杂化和精密化。一方 面为了满足动力学性能要求，航空、航天类产品往往形状结构非常复杂；另一方 面为了满足人们个性化、美观化的需求，某些民用产品( 玩具、装饰品) 也设计 的形态怪异。所以复杂曲面的加工技术一直以来都是机械制造领域研究的热点问 题之一。早期阶段，人们一般利用普通机床制造较为复杂的零件曲面，但是此种 方法对于工人的技术要求很高，并且加工效率低下，精度不高。另一种传统方法 是精密制造( 精密铸造) ，其前提是需要制造精密的模具，而且其精度要求高， 难以满足工作面的要求。 随着计算机技术的飞速发展，出现了一门新型的学科一数值模拟技术。工程 上也称之为虚拟技术。通过这项技术，可对许多工程中的实际问题进行数值仿真， 从而加快了设计的速度，提高了设计的可靠性。数值模拟技术的发展，离不开不 断发展的数值模拟方法，工程技术中常用的数值模拟方法有：有限元法、边界元 法、离散单元法和有限差分法，但就其实用性和应用的广泛性而言，有限元法是 最常用的。 数值模拟技术在切削加工领域也得到了广泛的应用。近年来，数值模拟方法 特别是有限元方法在切削模拟中的地位越来越明显。本课题针对复杂曲面的若干 关键技术( 几何建模技术、加工技术) 进行研究。通过在计算机上模拟整个加工 过程，设计工艺流程，减少昂贵的现场试验成本，提高设计效率，缩短研究开发 周期。 1 1 制造领域的现状和发展趋势 2 0 世纪9 0 年代，市场竞争日益激烈，制造业方面面临着严峻的挑战。市场 竞争的特点是：如何利用不断涌现的新技术，在最短的时间内开发出高质量、低 成本的新产品，以最快的速度满足市场的需求。 1 1 1 先进制造技术 ( 1 ) 新的企业生产管理方式 经济与科技的发展使制造逐渐全球化、信息化，从而改变了制造业得传统观 念和生产模式。出现了精艺生产、敏捷制造、智能制造、虚拟制造、虚拟企业等 先进的生产管理方式。这些新的管理方式有如下优点： 一l 一 基于d e f r o m 软件复杂曲面切削加工仿真技术研究 从技术中心逐渐转移到以人为中心； 从金字塔式的多层次生产管理机构转变到扁平的网络结构； 从传统的顺序工作方式向并行工作的方式转变； 从按功能划分部门的固定组织形式向动态的、自主管理的小组工作组织 转变； 从符合性质量观向满意性质量观转变。 ( 2 ) 绿色制造技术 由于全球生态环境日趋恶化，自然资源越来越缺乏，绿色制造将使人类可持 续发展的必然趋势。“生态工厂”和“绿色生产力”等概念和口号已被人们广泛接受。 目前，日本将绿色制造作为重点研究技术，大力投资建立实验工厂。并且香港也 在积极推行i s 0 1 4 0 0 0 0 国际环保标准，执行绿色产品标志、绿色奖励计划，培训 清洁生产人才。我国人口总舵，资源相对缺乏，环境污染严重，绿色制造技术将 使我国生产力可持续发展的必由之路。 ( 3 ) 快速制造技术 随着市场的竞争激烈化，产生了快速制造技术，其中最为典型的就是并行工 程和快速原型制造技术。 并行工程：集成地、并行地设计产品及相关过程( 包括制造过程和支持过程) 的系统方法。这种方法要求产品开发人员在一开始就考虑产品整个生命周期中从 概念成形到产品报废的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。并行 工程的目标是为提高质量、降低成本、缩短产品开发周期和产品上市时间。 快速原型制造技术：利用三维c a d 数据，将一层层的材料堆砌成实物模型。 这种技术可以大大缩短产品开发周期。 ( 4 ) 虚拟制造技术 虚拟制造技术是以虚拟现实和仿真技术为基础，对产品的设计、生产过程统 一建模，在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、使用整个生命周期的 模拟和仿真。这样，可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程， 以此来优化产品的设计质量和制造过程，优化生产管理和资源规划，以达到产品 开发周期和成本的最小化，产品设计质量的最优化和生产效率最高化，从而形成 企业是市场竞争优势。虚拟制造技术主要包括：虚拟环境技术；虚拟设计技 术；加工和装配过程的模拟仿真技术。虚拟制造技术是一项软技术。其中，产 品建模、数据共享和过程仿真是虚拟制造技术的基础。 一2 一 硕士学位论文 1 1 2j j q - r 过程规律的研究 ( 1 ) 物理规律 刀具的切削过程是非常复杂的，影响因素很多。在切削加工时，刀具材料性 能、刀具类型、刀具几何参数、切削深度和进给量等都影响切削过程，从而影响 整个工艺系统的变形，最终影响加工精度。为此，需要建立相应的几何模型和力 学模型，探索简化的加工精度与工件的材料性能、刀具参数和切削用来之间的关 系。 美国和日本在此方面的研究较早，美国的n e wh a m p s h i r e 大学的研究较为深 入和系统，发表了多篇论文，最近已经切削力分析的结果用于进给量的自动计算。 在西雅图召开的“1 9 9 7 美国科学基金会设计与制造领域受资助者”会议上，f u s e l l 和j e r a r e l 介绍了他们的研究项目“f e e d r a t es e l e c t i o nf o rn cm a c h i n i n gb a s e do n p a r tt o l e r a n c e , 但目前尚未在商品化c a d 、c a m 系统中得到应用。 另外，刀具在切削时，会产生微量磨损。在刀具还未完全报废的使用过程中， 可以通过传感器，及时向电脑程序输入刀具的磨损程度、切削区得温度变化，以 便适时调整刀具轨迹的偏置和切削速度，以实现切削过程中切削质量的稳定控制。 ( 2 ) 几何规律 自动编程技术是指通过给定的毛坯和一些列刀具，以及工件材料和待加工轮 廓和曲面，能自动的生成精加工、半精加工轨迹；改变设计曲面和加工条件，能 自动更新刀具和所有工序的刀具轨迹。它要求刀具轨迹的生成效率该，并且在任 何位置不发生干涉和碰撞。 ( 3 ) 高速加工 高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优 质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受干扰的问题，通过高速 切削加工得到了解决。其切削速度、进给速度相对于传统的切削加工，以级数级 提高，切削机理发生了根本变化。与传统切削加工比，高速切削加工发生了本质 性的飞跃，其单位功率的金属切削率提高了3 0 4 0 ，切削力降低了3 0 ，刀具 的切削寿命提高了7 0 ，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削震动几乎消失。 随着切削速度的提高，单位时间毛皮材料的去除率增加，切削时间减少，加 工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高 速切翔j ) j h 工的小量快进使切削力减少，切削的高速排除，减少了工件的切削力和 热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。 通常高速切削机床主轴旋转速度为1 0 0 0 0 4 0 0 0 0 r p m ，刀具的切削速度为 5 0 m m i n ，每层切削厚度介于0 3 0 5 m m 之间。在这种条件下，刀具切削时对刀具 轨迹的平滑性要就很严格，以保证刀具移动时的平稳性和安全性，同时还可以提 一3 一 基于d e f r o m 软件复杂曲面切削加工仿真技术研究 高产品的表面质量。高速切削刀具轨迹除了妈祖高精度、高效率以外，还必须满 足以下特征：不能碰撞任何工件、装卡具等等；进给速度随着轨迹的弯曲弯化实 时调整；刀具轨迹必须平滑。所以，为了保证实际加工的顺利进行，加工之前一 般都须进行仿真。 1 1 3 制造技术的发展方向 ( 1 ) 智能化 这里所指的智能化包括两方面，生成刀具轨迹的智能化和生产工艺流程的智 能化。 生成刀具轨迹的智能化是指自动生成精加工、半精加工、精加工、补加工的 刀具轨迹。当c a d 的数据发生改变时，会自动更新各加工工序的刀具轨迹：当 某工序的加工餐宿改变时，自动改变刀具轨迹。 生产工艺流程的智能化是指自动产生加工工艺文件和工序的文件。并且工艺 文件和工序文件自动随工序的改变而改变。 ( 2 ) 集成化 通过计算机及相关软件，将企业的全部生产活动，包括设计、制造、管理以 及整个物流与信息流有机地集成，构成一个完整的生产系统，从而获得更高的生 产效率。 ( 3 ) 网络化 包括共享网络资源、平衡负载和提高系统性能价格比。共享网络资源是指通 过计算机联网实现程序、数据和资源的共享。平衡负载是指用较闲的计算机来分 担较重计算机的工作，把重要图形的计算工作放到高速计算机上。提高系统性能 价格比是指使用若干p c 机、工作站或小型机代替昂贵的大型机，来共同完成需 要在大型机上才能完成的工作。 1 2 技术背景 1 2 1 有限元法 有限元法的基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在应用有限 元法分析问题时，首先采用“化整为零”的办法，将连续体分解为有限个性态比较 简单的“单元”，对这些单元分别进行分析；然后采用“积零为整”的办法，将各个单 元重新组合为原来的连续体的简化了的“模型”，通过求解这个模型得到问题的基 本未知量( 例如位移) 在若干离散点上的数值解；最后，根据得到的数值解，再回到 各个单元中计算其它物理量( 例如应变、应力) 。【1 2 】 一4 - 硕士学位论文 有限元法的基本思想就是“一分一合”。分是为了进行单元分析，就是将某个 工程结构离散为由各个单元组成的计算模型，即单元剖分。离散后的单元和单元 之间利用节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应该根据问题的性 质，描述变形形态的需要和计算精度而定( 一般情况，单元划分越细，描述变形的 情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大) ，如果划分的单元数目足够 多而且又很合理，那么获得的结果就与实际情况十分接近；合是为了对整体结构进 行综合分析，利用结构的力平衡条件、热平衡条件和边界约束条件，把各个单元 按照原来的结构重新连接起来，通过单元之间的纽带一节点，完成过程变量的传 递，最终形成整体的有限元方程。根据方程组的具体特点，选择合适的计算方法， 求解这个方程，就可以得到工程需要的结果，例如：变形位移，变形力，应力分布， 温度分布等等。有限元求解的整个工作流程可以用图1 1 来表示。 一5 一 基于d e f r o m 软件复杂曲面切削加工仿真技术研究 图1 1 有限元分析流程 1 2 2 金属塑性成形过程的有限元仿真技术概述 进入9 0 年代以来，计算机的运算速度和存储量得到了很大的提高。大量的高 性能超级计算机已经投入了工程应用。随之而得到飞速发展的计算机图形处理技 术，使得c a d c a m c a e 技术在各类工程问题的应用中取得了巨大的成功。其中， 模具c a d c a m c a e 技术已成为改造金属塑性成形传统工艺的重要工具。尤其是 计算机图形学与有限元法及成形工艺学的有机结合，开创了金属塑性成形过程仿 一6 一 硕士学位论文 真的新途径。所谓成形过程仿真就是：在计算机上对金属塑性成形过程进行实时 跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整个成形过程，从而揭示金属的流动规律、 各种因素对变形行为的影响及成形过程中变形体和模具的各种力学场分布。目前， 成形仿真过程已经成为拟实制造技术的核心之一，也是实现新产品开发短周期、 高质量、低成本目标的重要手段。 就金属塑性成形而言，有限元法大致可以分为两类： 一类是固体塑性有限元法，包括小变形和大变形弹塑性有限元法。弹塑性有 限元最早是由m a r c a l 和k i n g 于1 9 6 7 年提出来的。它同时考虑了弹塑性变形和塑性 变形，弹性区采用h o o k 定律，塑性区采用p r a n d t l r e u s s 方程和m i s e s 屈服准则。小 变形弹塑性有限元法以小变形理论为基础，忽略微元体得局部变形并认为位移与 应变曾线性关系，只适合分析金属塑性成形的初期。大变形弹塑性的有限元法是 以有限元理论为基础，考虑到了大变形过程中由于大位移和大转动对单元形状及 有限元计算的影响。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形过程，不仅能按照变 形路径得到塑性区的变化，变形体的应力、应变分布规律和大小以及几何形状的 变化，而且还能有效地处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以进行 回弹计算及缺陷预测分析。但是，弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性， 须采用增量加载，在每一增量加载步中，都要做弹性计算来判断原来处于弹性区 的弹性单元是否已进入屈服，对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从 而改变了单元刚度矩阵。为了保证精度和解的收敛性，每次加载不能使很多单元 同时屈服，这就使得每次计算时的变形增量不能太大，所以对于大变形问题计算 时间较长，效率较低。 另一类是流动型塑性有限元法，包括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。 这类有限元法不计弹性变形，采用l e v y m i s e s 方程作为本构方程，满足体积不变 条件，并采用率方程描述，变形后物体的形状通过在离散空间上对速度积分而获 得，从而避开了有限元变形中的几何非线性问题。同时，可采用比弹塑性有限元 大的增量步长来达到减少计算时间，提高计算效率的目的，并能保证足够的工程 精度。但是，由于忽略了弹性变形，这类有限元法不能处理卸载问题和计算残余 应力、残余应变以及回弹。 自7 0 年代中期，o s i a s 和m c m e c k i n g 等人采用e u l e r 描述法建立了大变形弹塑性 有限元列式后，大变形弹塑性有限元法不断完善，并在工程实际中得到了成功的 应用。1 9 8 2 年，l e e 等人研制出了一套预测板料成形的软件，包括材料参数库和成 形极限数据库。f o r d 汽车公司的s c t a n g 等从1 9 8 0 年开始在汽车车身覆盖件成形 分析的弹塑性有限元法研究中作出了不懈的努力，开发出了m t l f r m 系统，并在 生产中投入应用。同时，国内外围绕大变形弹塑性有限元法进行的理论研究也十 分活跃，先后对板料成形时的各向异性、单元分析、回弹、起皱、拉延模型方面 一7 一 基于d e f r o m 软件复杂曲面切削加工仿真技术研究 进行了深入的研究，并取得了令人满意的成果，如美国的d y n a f o r m 、m a r c ， 法国的p a m s t a m p 、o p t r i s 和德国的i n d e e d 等。目前，这些系统已经在汽车 工业中得到了广泛的应用。这些成功的应用也说明，弹塑性有限元法适用于分析 板料成形过程。 自从1 9 7 3 年l e e 和k o b a y a s h i 首次提出了刚塑性有限元法的矩阵列式后，极大 的推动了有限元数值模拟技术在金属体积成形过程中的应用。k o b a y a s h i 与他的合 作者先后成功地利用刚塑性有限元法分析了锻造、挤压、轧制、拉拔等体积成形 问题。1 9 9 7 年，z i e n k i e w i c z 等人提出了粘塑性材料的有限元列式并导出了粘塑性 有限元的罚函数法，使得高温成形问题的分析得到解决。1 9 8 0 年，r e b e l o 等应用 刚塑性有限元法对速率敏感材料的成形过程进行了热力耦合计算。m o r i 和o s a k a d a 提出了刚塑性有限元法的材料可压缩性法并将其成功应用于粉末烧结体金属的成 形过程分析。基于这些理论研究成果，出现了美国的a l p i d 、d e f o r m 、 a u t o f o r g e 及法国的f o r g e 3 等通用体积成形刚( 粘) 塑性有限元数值分析系 统。 由于金属塑性成形过程是一个影响因素复杂的非线性变形过程，有限元数值 仿真技术本身还有待进一步完善和研究，如考虑金属材料微观、亚微观结构对成 形的影响极其本构方程的研究，三维网络系统重构技术的研究，成形过程摩擦与 润滑机理极其理论模型的研究，成形过程缺陷分析技术的研究以及可视化技术的 研究，都有待展开。 1 2 3 有限元软件d e f o r m 的介绍 2 0 世纪7 0 年代后期，位于美国加州伯克利的加利福利亚大学小林研究室在 美国军方的支持下开发出了有限元软件a l p i d ，1 9 9 0 年在此基础上开发出 d e f o r m 一2 d 软件。该软件的开发者独立出来成立s f t c 公司，并退出了 d e f o r m 3 d 软件，d e f r o m 3 d 软件是集成了原材料、成形、热处理和机加工 的软件。该软件的理论基础是经过修订的拉格朗日定理，属于刚塑性有限元法， 其材料模型包括刚性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和弹塑性材料模型。 d e f o r m 一2 d 的单元类型是四边形，3 d 的单元类型是经过特殊处理的四边形，四 面体单元比六面体单元容易实现网格重划分。d e f o r m 软件具有强大的网格重划 分功能，当变形量超过设定值时自动进行网格重划。在网格重划时，工件的体积 有部分损失，损失越大，计算误差越大，而d e f o r m 软件在同类软件中体积损 失是最小的。 d e f o r m 3 d 是一套基于工艺模拟系统的有限元系统( f e m ) ，专门设计用 于分析各种金属成形过程中的三维( 3 d ) 流动，提供极有价值的工艺分析数据， 一8 一 硕士学位论文 及有关成形过程中的材料和温度流动。典型的d e f o r m 3 d 包括锻造、挤压、镦 头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形加工手段。d e f o r m 3 d 不仅鲁棒性好，而 且容易使用，它强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用 的大变形和热特性。在系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生 成器，生成优化的网格系统。在要求精度要求较高的区域，可以划分较细密的网 格。 d e f o r m 软件提供了三种迭代计算方法：n e w t o n r a p h s o n 、d i r e c t 和e x p l i c i t ， 根据不同的材料性能可以选择不同的计算方法。同时该软件还提供了丰富的材料 库，几乎包含了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交 换数据、晶粒长大数据、材料硬化数据和破坏数据。 d e f o r m 软件具有以下特点： ( 1 ) d e f o r m 3 d 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 模拟仿真技术。适合于热、冷、温成形； ( 2 ) 不需要人工干预，全自动网格再剖分； ( 3 ) 前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠； ( 4 ) d e f o r m 一3 d 模型来自c a d 系统的面或实体造型( s t l s l a ) 格式； ( 5 ) 集成有成形设备模拟； ( 6 ) 表面压力边界条件处理功能适用于解决膨压成形工艺模拟； ( 7 ) 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； ( 8 ) 材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料及自定义 类型； ( 9 ) 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； 。 ( 1 0 ) 具有f l o w n e t 和点迹追踪、变形、云图、矢量图、力行程曲线等后 处理功能； ( 1 1 ) 具有2 d 切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。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； ( 1 2 ) 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； 一9 一 基于d e f r o m 软件复杂曲面切削加工仿真技术研究 ( 1 3 ) 自定义过程可以用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判据和一些 特别的处理 。 要求。 d e f o r m 3 d 图形界面既强大又灵活，为用户准备输入数据和观察结果数据 提 供了有效工具。d e f o r m 3 d 延续了d e f o r m 系统几十年以来一贯秉承的力 保计算精度和结果可靠性。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算 中，d e f o r m 3 d 的计算轻度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一【1 1 1 。 1 3 国内外研究现状 2 0 世纪4 0 年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要 求，即重量轻，强度高，刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算，正是在这 一背景下，逐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。在随后的4 0 年里，学者们做 了大量的基础性研究【3 ，4 】： 1 9 4 1 年，h r e n i k o f 6 ! 用“框架变形功方法 ( f r a m e wo r k me t h o d ) 求解了一个弹 性问题，这开创了有限元的先河。 1 9 4 3 年，c o u r a n t 发表了一篇使用三角形区域的多项式函数来求解扭矩问题的 论文。 1 9 5 4 年，我国的胡海昌提出了广义变分原理。 1 9 5 5 年，德国的a r g y r i s f l 5 版了第一本关于结构分析中的能量原理和矩阵方法 的书，为后续的有限元研究奠定了基础。 1 9 5 6 年，波音公司的t u n r e r ，cl o u g h ，ma r t i n 和t o p p 在分析飞机结构时系统研究 了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式，并求得了平面应力问题的正确解答。 1 9 6 0 年，c l o u g h 在处理平面弹性问题时，第一次提出并使用了“有限元方法 ( f i n i t ee l e m e n t me t h o d ) 的名称。 1 9 7 0 年，希伯特( h d h i b b i t ) 等人首先采用了以拉格朗日描述法为基础的大变 形弹塑性有限元列式，有限元法开始应用与处理非线性和大变形问题。 1 9 7 1 年，兰格( k l a n g e ) 在马可夫( m a r k o v ) 变分原理的基础上，把体积不可 压缩条件用拉格朗日乘子法引入到泛函中，通过这种表述建立了刚塑性有限元公 式。 1 9 7 2 年，o d e n 出版了第一本关于处理非线性连续体的专著。 1 9 7 3 年，李和小林史郎以矩阵分析法，独立地提出了类似的刚塑性有限元法。 1 9 7 4 年，t a y ，s t e v e n s o n 和d a v i s 5 】第一次采用有限元方法计算正交切削刀具、 切屑、工件上的温度分布。 一1 0 一 硕士学位论文 1 9 7 8 年，陈( c c c h e n ) 和小林史郎提出了刚性区的处理方法以及反