连接杆件的CAE分析--材料CAE课程设计.docx

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除材料CAE课程设计连接杆件的CAE分析学生姓名：学 院： 机械工程学院 专业班级： 材料成形及控制工程专业课程： 材料CAE课程设计 指导教师： 连接杆件的CAE分析该实验模拟了工件的热锻成形，并用DEEFORM-3D软件对成形过程的温度和成形进行了耦合分析。DEEFORM-3D是一个基于工艺模拟系统的有限元系统，专门用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据及有关成形过程中的材料流动和温度流动。本次实习主要是为了研究不同的摩擦因数分别对工件成形过程的温度及应力的影响，具体过程分为六个部分。1. 分析问题图 11所示为杆件截取1/2后的简化模型，图 11所示为简化有限元模型（含模具）。 图 11 图 12此案例是一个热锻成形工艺。工艺参数：单位：公制（SI）坯料材料：DIN41Cr4模具材料：AISI-H-13坯料温度：1300模具温度：80上模速度：150mm/s模具行程：50mm对于这个热成形工艺进行数值仿真，要分3个工序进行分析。（1） 模拟5s内坯料从炉子到模具的热传递。这是从炉子里拿出来进行锻造之前，工件和空气之间进行的热交换。（2） 对坯料停留于下模0.5s时间进行模拟，这个过程也是一个热传递的模拟。（3） 进行热传递和锻造工艺共同进行的耦合分析过程。2. 热传导工序分析2.1 创建一个新问题选择开始程序DEEFORM-3Dv6.1DEEFORM-3D命令，进入DEEFORM-3D的主窗口。单击按钮新建问题，在弹出界面中直接单击按钮，在接下来的弹出界面中单击按钮，在下一个界面中输入问题名称201410617218limingkun如图 21示，单击按钮，就进入前处理模块。图 212.2 设置模拟控制（1） 在前处理控制窗口中单击 按钮，在弹出的Simulation Controls对话框中,把模拟标题改为DEFORM SIMULATION，工序名称改为OPERATION 1，Mode选项区域中取消选中Deformation复选框，选中Heat Transfer复选框，Operation Number设为1，进行热传递的模拟，如图 22所示。图 22（2） 单击按钮，设置如下参数：Number of Simulation Steps为100，Step Increment to Save为10，分析用时间控制，Constant数值为0.05,如图 23所所视。图 232.3 定义毛坯的温度及材料（1） 此时默认选中物体Workpiece，单击 按钮，物体类型采用默认的塑性体。（2） 单击 按钮， 在弹出的对话框中输入1300，如图 24所示，单击 按钮，关闭对话框。图 24（3） 单击 按钮，选择材料库中的DIN41Cr4，如图 25所示，单击 按钮加载。图 252.4 几何体的导入（1） 单击 按钮，然后单击按钮，在弹出的读取文件对话框中找到 ids_link_billet.stl 并加载此文件。（2） 在Objects窗口中单击 按钮，在物体的列表中增加了一个名为Top Die的物体，并单击 按钮，然后单击按钮，在弹出的对话框中导入 Ids_link_top.stl文件。（3） 单击 按钮，增加一个名为Bottem Die的刚性物体，单击按钮导入 ids_link_bottom.stl 文件。导入的几何体如图 26所示。图 262.5 坯料网格划分选中物体Workpiece，单击 按钮，使其处于单一物体模式，然后单击 按钮进入网格划分窗口；选择Detailed Settings的General 选项卡，将类型改为相对的（Relative），网格数为32000，尺寸比Size改为2，单元尺寸改为最小单元尺寸0.04，如图 27所示。此时单击 按钮生成表面网格，单击 按钮生成实体网格，如图 27所示。 图 27 图 282.6 定义热边界条件（1） 在物体树中选中物体Workpiece，单击 按钮，弹出对话框，在BCC Type下选择Thermal类中的Heat Exchange with Environment选项，如图 2 29所示。再单击下面的按钮，在弹出的对话框中，设置环境温度为25,如图 2 29 图 210所示。设置完成后单击 按钮，关闭此对话框。 图 2 29 图 210（2） 在屏幕的左下角出现的小窗口是为了选择边界面，在默认的情况，如图 211所示单击热交换面包括毛坯所有的与空气接触的外表面（毛坯侧面和底面），如图 211 图 212所示，单击按钮完成热边界条件的定义。 图 211 图 2122.7 检查生成数据库文件在前处理控制窗口中单击按钮，在弹出的Database Generation对话框中单击按钮检查，如图所示，出现提示。单击按钮，生成模拟所需的DB文件，然后单击 按钮返回。此时单击按钮，进入到主窗口。2.8 模拟和后处理在DEEFORM-3D的主窗口中，选择Simulator中的Run选项开始模拟。模拟完成后，选择DEEFORM-3D Post选项。此时默认选中物体Workpiece，单击按钮，图形区将只显示Workpiece一个图形。在step窗口选择最后一步，在变量下拉表框中选择温度如图 213所示，物体温度显示如图 213所示。 图 213 图 2143. 坯料与下模热传导工序 3.1 打开前处理文件在主窗口中找到前面分析获得的数据文件201410617218limingkun.DB，选中后选择DEEFORM-3D Pre选项然后在弹出的对话框中选择第100步，如图 31所示，单击 按钮进入前处理。这时可以看到，是目前温度的实际范围。图 313.2 定义上模（1） 选中物体Top Die，单击按钮，物体类型保持默认的刚性体。单击按钮，在弹出的对话框中输入80,单击按钮，关闭对话框。（2） 在前处理控制窗口中，单击按钮，选择材料库中的Die-materialAISI-H-13 ，如图 32所示，单击按钮加载。图 32（3） 单击按钮，在默认的情况下，单击按钮。（4） 单击按钮，弹出对话框，在BCC Type下选择Thermal类中的Heat Exchange with Environment选项，然后选择除对称面之外的所有面，如图 33所示，单击 按钮。图 333.3 定义下模（1） 选中物体Bottem Die，单击按钮，物体类型保持默认的刚性体。单击按钮，在弹出的对话框中输入80,单击按钮，关闭对话框。（2） 在前处理控制窗口中，单击按钮，单击定义过的AISI-H-13加载。（3） 单击按钮，在默认的情况下，单击 按钮。（4） 单击按钮，弹出对话框，在BCC Type下选择Thermal类中的Heat Exchange with Environment选项，然后选择除对称面之外的所有面，如图 34所示，单击按钮。完成以后的网络模型如图所示。图 343.4 调整工件位置在前处理控制窗口的右上角单击按钮，在弹出的对话框中，方法选择自动干涉，需要定位的物体选择，参考物体选择，定位方向选择-z干涉值采用0.0001，如图 35所示。然后单击 按钮应用，再单击按钮，关闭对话框，坯料将从上往下靠拢下模，如图 35所示。 图 35 图 363.5 定义接触关系（1） 在前处理控制窗口的右上角单击按钮，在弹出的对话框中单击 按钮，弹出Inter-Object对话框，如图 37所示。图 37（2） 选中第2个关系Bottem Die-（1）Workpiece，单击按钮，弹出定义对话框，单击按钮，在弹出的下拉菜单中选择选项，热交换系数会自动给定1 ，如图 38所示，单击按钮，关闭该对话框.图 38（3） 单击按钮生成接触关系。3.6 设置模拟控制（1） 在前处理控制窗口中单击按钮，在弹出的Simulation Controls对话框中,把模拟标题改为OPERATION 2，工序名称改为 2 ，如图 39所示。图 39（2） 单击按钮，设置如下参数：Number of Simulation Steps为10，Step Increment to Save为1，分析用时间控制，Constant数值为0.05,如图 310所所视。图 3103.7 检查生成数据库文件在前处理控制窗口中单击按钮，在弹出的Database Generation对话框中单击按钮检查。单击 按钮，生成模拟所需的DB文件，然后单击按钮返回。此时单击按钮，进入到主窗口。3.8 模拟和后处理在DEEFORM-3D的主窗口中，选择Simulator中的Run选项开始模拟。模拟完成后，选择DEEFORM-3D Post选项。此时分别选中物体Workpiece和Bottem Die，单击 按钮，图形区将分别显示物体在不同时间步的温度分布。在step窗口选择最后一步，在变量下拉表框中选择温度，即可查看物体温度。4. 热锻成形工序4.1 打开前处理文件在主窗口中找到前面分析获得的数据文件2014106172148limingkun.DB，选中后选择DEEFORM-3D Pre选项然后在弹出的对话框中选择第110步，如图 41所示，单击按钮进入前处理。图 414.2 改变模拟控制参数（1） 在前处理控制窗口中单击按钮，在弹出的Simulation Controls对话框中,把模拟标题改为DEFORM SIMULATION，工序名称改为OPERATION 3，Mode选项区域中同时选中Deformation和Heat Transfer复选框，Operation Number设为3，进行热传递的模拟，如图 42所示。图 42（2） 单击 按钮，设置如下参数：Number of Simulation Steps为2500，Step Increment to Save为25，分析用步长控制，Constant数值为0.02,如图 43所所视。图 434.3 设置坯料边界条件选中Workpiece，单击按钮，选中图标，然后选中坯料的对称面，并单击按钮，增加 (-1,0,-0.0083)对称面。设置完成以后，设置区如图 44所示。图 444.4 添加体积补偿常数选中物体Workpiece，单击按钮，在Deformation选项卡的目标体积选项区域中选中单选按钮，如图 45所示。然后单击按钮，弹出对话框如图 45所示，单击按钮，目标体积会自动复制到体积输入。 图 45 图 464.5 上模对称及运动设置（1） 选中物体Top Die，单击按钮，选择选项卡，然后选中上模的对称面，并单击按钮，设置完成后设置区如图 47所示。图 47（2） 单击 按钮。定义在z轴上的速度为150mm/s,如图 48所示。图 484.6 下模对称设置选中物体Bottem Die，单击按钮，选择选项卡，然后选中下模的对称面，并单击 按钮完成设置。4.7 定位上模在前处理控制窗口的右上角单击按钮，在弹出的对话框中，方法选择自动干涉，需要定位的物体选择，参考物体选择，定位方向选择-z干涉值采用0.0001，如图 49所示。然后单击 按钮应用，再单击OK按钮，关闭对话框，上模将从上往下靠拢下模，如图 49所示。 图 49 图 4104.8 设置接触关系（1） 在前处理控制窗口的右上角单击按钮，在弹出Inter-Object对话框，选中关系Top Die-（1）Workpiece，单击按钮，弹出定义对话框，单击按钮，在弹出的下拉菜单中选择选项，摩擦因数设定为0.3，如图 411所示。图 411（2） 选择选项卡，单击按钮，在弹出的下拉菜单中选择选项，热传导系数默认为11，如图 412示。单击 按钮，关闭对话框。图 412（3） 接触关系对话框如图 413所示，单击按钮将Top Die-（1）Workpiece之间的接触关系复制到Bottem Die-（1）Workpiece。图 413（4）单击 按钮生成接触关系。单击 按钮关闭该对话框。4.9 检查生成数据库文件单击按钮在弹出的对话框中，单击按钮如图所示，单击按钮生成DB文件，单击按钮返回，单击 按钮进入到主窗口。4.10 模拟和后处理在DEEFORM-3D的主窗口中，选择Simulator中的Run选项开始模拟。模拟完成后，选择DEEFORM-3D Post选项。在step窗口的最后一步，在变量对话框中选择温度，展示窗口如图所示。5. 模拟仿真过程6. 后处理分析6.1 连接杆件在不同步数下的成型过程的成型图片如下图 61所示：图 61由以上从成形过程中所截取的9张代表性图片可大概了解该连接杆件在热锻成型过程中的形状及温度的变化。可明显观察到最终连接杆件“消失”了，这是由于模具行程设置不合理所造成的，适当修改模具行程即可得到成形良好的连接杆件。6.2 连接杆件在不同摩擦系数0.3,0.4,0.5条件下的载荷行程曲线分别如下图 62，图 63，图 64所示：图 62 f=0.3图 63 f=0.4图 64 f=0.56.3 对比3个摩擦系数条件下的载荷变化的折线图图 65（需将数据导出后用Excel等作图软件生产折线图）图 65由以上3个摩擦因数条件下的载荷行程曲线可看出，不同的摩擦因数影响载荷，但其影响又是极其细微的。倘若摩擦因数的梯度取值大些，载荷行程仍会有相同的趋势走向，但其力的数值大小会发生较大的差距6.4 利用软件的点跟踪功能查看(f=0.3)情况下P1,P2,P3点（通过截图说明3个点所处的位置）在整个变形过程中的温度变化情况如下图 66，图 67，图 68：图 66 f=0.3图 67 f=0.4图 68 f=0.5由该组的三张点追踪时间-温度曲线可以观察出：前5.5s时间内工件与周围环境热交换，温度略有下降；开始压缩到完成