Morfeo多过程加工变形仿真技术PPT课件

1、 航空领域客户 汽车制造业铁路和造船业 重工业能源 一、Morfeo软件简介-部分客户第1页/共35页比利时Cenaero 有限元软件： Morfeo (Manufacturing ORiented Finite Element tOol 制造业定向有限元工具Morfeo主要应用方向: 机械加工 焊接和热处理 附加制造 热成型 和过程链接. 大量真实的工业案例 基于当前发展水平的持续累积 专门为高端应用而开发 一、Morfeo软件简介第2页/共35页设计设计材料材料AA5024 板材板材 前舱壁(FB) 起落架舱(LGB)减轻重量: 低密度热成型热成型节约时间和成本:无淬火无应力消除无时效处理

2、仿真仿真机加工机加工节约时间和成本:减少变形（降低残余应力）仿真仿真 加工挑战加工挑战一、Morfeo软件简介-完整的加工链模拟仿真第3页/共35页Morfeo model3D symmetry + clamping system 400,000 nodes (1,600,000 DOFs) Parallel simulation 32 processorsComputation time: 2 hours热成型 铣槽加工夹具固定铣槽加工完成去掉夹具前舱壁的加工前舱壁的加工热成型-机加工 (链) 一、Morfeo软件简介-完整的加工链模拟仿真第4页/共35页Morfeo model3D sym

3、metry + clamping system 400,000 nodes (1,600,000 DOFs) Parallel simulation 32 processorsComputation time: 2 hours 一、Morfeo软件简介-完整的加工链模拟仿真前舱壁的加工前舱壁的加工热成型-机加工 (链)热成型夹具固定 铣槽加工铣槽加工完成去掉夹具第5页/共35页机械加工的目标: 变形扭曲最小化 缩短加工时间 最大程度延长机床、工具寿命 国际标准代码兼容性的验证Morfeo的专长是通过仿真对以下因素进行验证: 仿真机械加工顺序对零件变形的影响 仿真可获得加工后的形状/厚度 仿真过

4、程可对零件夹具进行设置 原生支持多核计算，处理速度快，无需专门授权 仿真速度快，右下图所示零件机械加工变形仿真分析时间仅为2小时左右输出输入输入Morfeo输出 一、一、Morfeo软件简介软件简介-Morfeo的仿真优势的仿真优势第6页/共35页传统的有限元分析的局限：传统的有限元分析的局限：预测变形扭曲的原因 (越来越多的复杂因素): 逆残留应力的释放 (锻造、铸造等) 刀具和工件的振动 (常说的物理现象) 夹具和刀具的转向力 加工过程中残余应力的减少 (局部作用)二、传统过程仿真存在的局限在加工开始，无平衡等效的应力场在加工开始，无平衡等效的应力场 最大值最大值.初始残余应力初始残余应力

5、: 220 MPa在加工结束时的变形、扭曲在加工结束时的变形、扭曲第7页/共35页 传统的有限元分析的局限： 扭曲、变形的各种原因, 包括:q消除残余应力q加工过程的切削力作用 仿真必须正确的复制整个操作顺序，也就是说加工路径、加工顺序、加工次数、和材料去除的的位置等 必须用比较容易的方法，通过几何图形定义（包括参数）：比如使用CATIA 从一个加工过程到另一个加工过程，自动转换程序 (输入变成输出，. ) 用初始状态定义所有路径，而且不能根据工件的变形而改变! 无法自动优化二、传统过程仿真存在的局限第8页/共35页传统的有限元分析受到的限制: 工件的网格划分必须适合切削路径 (使用复杂的网格

6、再划分技术) 多工序加工的主要问题:独立的确定之前操作的切削路径 (在初始刀路时工件在变形状态) 需要大量网格再划分 多次转换后变得更棘手二、传统过程仿真存在的局限第9页/共35页优先次序优先次序Machining simulation with Morfeo预测: 残余应力造成的变形扭曲加工过程中，刀具工件的振动夹具和刀具产生的转向力加工导致的残余应力减少关注:最终产品形状及品质生产优化减少工业生产时间为概念设计提供帮助三、三、 Morfeo软件技术特点软件技术特点第10页/共35页三、三、Morfeo软件技术特点软件技术特点-多工序加工仿真多工序加工仿真工件的网格划分适合切削路径对于多工序

7、加工的主要问题:确定与之前的操作无关的切削路径(当刀具路径在初始状态时工件处于变形的结构) =需要大量的网格再划分用商业有限元软件包处理两个工步之间的转换，会变得非常麻烦5mm0.3mm1mm0 mm第11页/共35页Morfeo 是首先在工业上应用 使用初始或变形网格划分，单独确定不同的切削路径。 用一个标注距离的界面来描绘路径，就是: the level-set (LS) LS（ level-set）的数量是不受限制的 需要初始压力说明三、三、Morfeo软件技术特点软件技术特点-多工序加工仿真多工序加工仿真第12页/共35页 三、三、Morfeo软件技术特点软件技术特点-仿真过程简洁仿真

8、过程简洁输入 (所需信息) 加工前工件的几何图形 加工次序 (比如:切削面几何图形或机器的数字命令) 材料参数(杨氏模量, 泊松比) 残余应力场 (格式: Forge, Abaqus, )输出 变形云图(最终的几何形状) 残余应力场第13页/共35页四、仿真过程简介用morfeo 建立仿真模型分两个阶段第一阶段 预处理阶段这个准备工作不在morfeoGUI用户界面里完成. 建好的几何模型和网格文件生成的切削路径和工件最终的设计模型的网格文件；Material材料参数（属性）也准备好，包括残余应力第二阶段 仿真项目创建及后处理阶段在 morfeoGUI用户界面里完成. 载入工件网格文件 和制定的

9、材料属性和残余应力 载入的切削路径（已制定好顺序的）的网格文件决定加工顺序 规定边界条件 在morfeoGUI用户界面开始仿真. 每一工序的加工操作的结果被输出 后处理从morfeoGUI用户界面导出第14页/共35页四、仿真过程简介四、仿真过程简介-预处理阶段预处理阶段这一阶段包含以下内容:u准备材料文件u准备切削路径的网格文件u准备工件的网格文件u准备残余应力场以下操作可不在morfeo环境里完成为了填写材料文件，需要文本编辑器 (比如vim, notepad等)毛坯的几何建模和切削路径的几何建模（一般用CatiaV5等）网格文件的生成 (比如用CatiaV5/FMS-FMD, Gmsh)

10、.残余应力场可由morfeo生成第15页/共35页 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-材料预处理材料预处理在所有的加工过程中，假设加工模拟的材料是个向同性和线弹性的.模型也是在恒温状态因此只需要两个恒定的材料参数 弹性系数(E) 和泊松比 (v)这两个参数被写入材料文件 用extension .mat 格式 语法描述见morfeo的使用手册第6章（材料）的介绍.alloy.mat使用文本编辑器 (比如. vim, notepad)是为了填写所需的材料参数语法描述在 morfeo 的手册文件里保存格式是 extension .mat 或 alloy.mat.没有单位指定，值应该与 morfeoG

11、UI 的一样(参看使用手册3.1章).第16页/共35页切削路径的切削路径的 网格文件网格文件Gmsh 网格化网格化切削路径的切削路径的 STEP 文件文件 CAD 模型模型切削路径的切削路径的 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-切削路径预处理切削路径预处理根据最终的零件生成切削路径文件. 他们被网格化并以Gmsh本身的格式导出网格文件.这里是用先进建模工具和 Gmsh.生成切削路径文件的流程 CAD 模型模型最终零件的最终零件的 切削路径的切削路径的网格划分文件网格划分文件切削路径的网格文件必须遵循以下限制条件: (1) 三角形网格文件(2) 网格尺寸一致 (3) 方向一致(4) 每个切削加

12、工对应单独的网格文件.几何建模几何建模3-4小时小时建立网格文件建立网格文件 1-2小时小时Gmsh 转换转换 1小时小时没有建立没有建立网格文件网格文件1小时小时1-2小时小时5-7小时小时第17页/共35页 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-切削路径网格划分预处理切削路径网格划分预处理模拟加工需要每一道加工操作的网格文件 每个网格文件是要代表在相应的操作过程中去除材料的轮廓11 个孔个孔.5个个 槽槽.以右边图形为例，在这个例子中, 操作是铣槽、钻孔和铣面请看插图,有五个槽被去除，11个钻孔和一个铣面,因此需要生成17个网格文件网格划分时需遵循一下规则:仅有统一的网格尺寸和方向的三角形元每

13、个网格文件对应每个加工工序Gmsh 自己的格式或兼容的网格文件格式 (比如Nastran)第18页/共35页 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-残余应力场数据获取预处理残余应力场数据获取预处理零件残余应力通常用钻孔或X-射线法测量获得, 通过一个给定的应力的典型分布估计(定量数据)或通过超声波测得, 或从上一级的加工仿真获得（定量数据)如果不考虑零件原始毛坯状态下下的初始应力，则初始应力场是以以夹具系统为基础确定的，对于本例来说，采用虎钳进行装夹，与源自成形过程的残余应力的影响相比较，这些应力被认为是可以忽略的夹具图.无论任何情况下, 残余应力作为一个文件必须提供，文件格式是Gmsh 的后处理

14、格式extension .pos.第19页/共35页 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-残余应力场数据获取预处理残余应力场数据获取预处理残余应力可通过软件自带的编辑器输入各方向受力数据，也可通过模拟获得。残余应力场可以打开, 形象化并且可以用Gmsh内置的后处理模型修改单轴抗压应力场的第二个轴向组件 (2.4-A)用 Gmsh (ToolsPluginsMathEval).直观的展示米赛斯压力结果来自夹具系统的数值仿真 (2.4-B) 用Gmsh(ToolsPluginsSmooth)直观展示受力数据输入第20页/共35页 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-仿真项目创建及后处理阶段仿真项目创建

15、及后处理阶段这一阶段包含以下内容 :u初始化的制造加工文件u载入工件网格文件u设定材料性能u指明残余应力u载入切削路径网格文件u规定边界条件u所需的数据导出第21页/共35页1. 打开 morfeoGUI 点击Machining1.点击 Component scale (global)1. 命名一个加工和选取单位制 (参看 HelpUnit systems 的解释)1. 保存加工文件 (FileSave)1 4.1 建立模拟建立模拟:初始值初始值234第22页/共35页 4.2 建立模拟建立模拟: 工件工件211. 点击Workpiece1.浏览文件载入工件网格文件并点击OK 网格文件取决于网

16、格文件展示选项 (看 ToolsOptionsMeshVisibility).第23页/共35页命名点击选 all 是为了指定整个网格文件的材料浏览文件载入材料文件4.3 建立模拟建立模拟: 材料材料121. 点击Assign Material（选定材料）1. 指定材料并选定网格文件材料区域被用红色标注第24页/共35页选择压力作为输入场浏览文件载入压力文件选择场的网格文件匹配工件的网格文件，如果压力场文件在工件的网格文件里定义(比如 2.4-2 章节.). 保留它unselected otherwise (比如 2.4-1 章节.)点击 OK 4.4 建立模拟建立模拟: 残余应力残余应力21

17、1. 点击 Initial Conditions（初始条件）1. 指明材料并指定它的网格文件第25页/共35页命名浏览加载相适合的网格文件如果需要，反转方向点击 Add path （增加路径）为了定义下一个切削路径 并执行相同的操作步骤点击 OK 完成 4.5 建立模拟建立模拟: 切削路径切削路径21 1. 点击 Define Cutting Paths（定义切削路径）1. 指明一个切削路径当切削路径网格文件载入时，箭头表示它们的方向，方向必须当切削路径网格文件载入时，箭头表示它们的方向，方向必须展示这个边将保留。如果需要，它可以是反向的展示这个边将保留。如果需要，它可以是反向的第26页/共3

18、5页 4.5 建立模拟建立模拟: 切削路径切削路径Orientation is inverted片段展示工件（蓝色）和两个切削路径（红色）铣面是第一道加工工步相应的网格文件的定向是反向的，没有展示出方块的底部部分铣槽是第二道加工工序 定向方向不是反向的第27页/共35页命名选择分析区域选择方框和方框中心的坐标系选择 Constant Fixation（固定恒定）和位移组件中心值为这个边界条件选择 cutting paths切削路径是active活动的点击增加BC（边界条件）并且执行相同的操作步骤 去定义另一个边界条件点击OK完成 4.6 建立模拟建立模拟: 边界条件边界条件211. 点击 Bo

19、undary Conditions（边界条件）1. 指明一个边界条件第28页/共35页第二个边界条件的定义工件的相对的边的一部分 4.6 建立模拟建立模拟: 边界条件边界条件Box for the first boundary condition defines a portion one side of theworkpiece. 图示两个边界条件所有的自由度是约束在工件的两个相对的面的一部分，在切削加工期间他们是活跃的第29页/共35页场格式: 位移, 受力, 压力, 张力: Paraview, Compressed binary压缩的二进制码频率 : 加工后的Browse 浏览选择输出结果的目录点击 OK完成 4.7 建立模拟建立模拟: 输出输出211. 点击 Export （输出）1. 指定数据输出, 连同格式和频数第30页/共35页4.7 建立模拟建立模拟: 总结总结(4)残余应力场和切削路径网格文件(1)(3)(4)如图morfeoGUI 所示:(1) 工件和切削路径的网格文件(