DEFORM模拟锻压挤压实验报告

1、铜陵学院课程实验报告实验课程 材料成型计算机模拟 指导教师 专业班级 姓 名 学 号 2014年05月11日实验一 圆柱体压缩过程模拟 1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉AUTOCAD或PRO/E实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM软件分析压缩变形的变形力学问题。1.2 实验内容砧板工件锤头图1 圆柱体压缩过程模拟运用DEFORM模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。（一）压缩条件与参数锤头与砧板：尺寸200×200×20mm，材质DIN-D5-1U,COLD，温度室温。工件：材质DIN_CuZn40Pb2，

2、尺寸如表1所示，温度700。表1 实验参数序号圆柱体直径，mm圆柱体高度，mm摩擦系数，滑动摩擦锤头运动速度，mm/s压缩程度，%1100150013021001500.41303100250013041002500.4130（二）实验要求（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）比较实验 1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，

3、说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。2 实验过程2.1工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出STL格式。 2.2 压缩过程模拟2.2.1 前处理建立新问题：程序®DEFORM6.1®File®New Problem® Next®在Problem Name栏中填写“Forging” ® Finish®进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulatio

4、n Conrol按钮®Main按钮®在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“topdie”、“bottomdie”。定义对象的材料模型：在对象树上选择workpiece ®点击General按钮®选中Plastic选项（塑性）®点击Assign Temperature按钮®填入温度， ®点击OK按钮；在对象树上选择topdie ®点击General按钮®选中Rigid选项（刚性）®点击Assign Temperature按钮&#

5、174;填入温度， ®点击OK按钮®勾选Primary Die选项（定义为extusion dummy block主动工具）®如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die选项）。调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框®根据挤压要求及实体造型调整相互位置关系®点击OK按钮完成；模拟控制设置：点击Simulation Conrol按钮®Main按钮®在Simulation Title栏中填入“tuble extrusion” 或“stick extru

6、sion” ®在Operation Title栏中填入“deform heat transfer” ®选中SI选项，勾选“Defromation”选项，点击Stemp按钮®在Number of Simulation Stemps栏中填入模拟步数®Stemp Increment to Save栏中填入每隔几步就保存模拟信息®在Primary Die栏中选择extusion dummy block（以挤压垫为主动工具）®在With Constant Time Increment栏中填入时间步长®点击OK按钮完成模拟设置；实体网格

7、化：在对象树上选择workpiece®点击 Mesh ®在Number of Elements卡上填入需要的网格数，如15000®点击 Generate Mesh ®工件网格生成；说明：工模具不作分析，可以不进行网格划分。设置对象材料属性：在对象树上选择workpiece®点击Meterial®点击other®选择DIN-CuZn40Pb2®点击Assign Meterial完成材料属性的添加；设置主动工具运行速度：在对象树上选择topdie ®点击Movement®在speed/force选项

8、卡的type栏上选中Speed选项®在Directiont选中主动工具运行，如-Y®在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入速度值，如1mm/s；工件体积补偿：在对象树上选择workpiece®点击Property®在Target Volume卡上选中Active选项®点击Calculate Volumer按钮®®点击Yes按钮®勾选Compensate during remeshing。边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮®在对话框上选择workpiec

9、etopdie®点击Edit按钮®点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数，如0.4 ® 点击Close按钮®如此重复，依次设置其它接触关系® 点击Generate all按钮点击tolerace 按钮®点击OK按钮完成边界条件设置；保存k文件：在对象树上选择extrusion workpiece®点击Save按钮®点击保存按钮®保存工件的前处理信息®重复操作，依次保存各工模具的信息。2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database

10、generation按钮 ®在Type栏选中New选项®选择路径（英文）®填入数据库文件名（英文），如forging ®点击Check按钮®没有错误信息则点击Generate按钮®完成模拟数据库的生成。2.2.3 退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。2.2.4 模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的forging.DB文件®单击Run按钮，进入运算对话框®单击Start按钮开始运算®单击Stop按钮停止运算®单击Summary，Preview，Message，Log按钮

11、可以观察模拟运算情况。2.3 后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击forging.DB文件®在Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。3 实验结果与分析（1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程； （1） （2） （3） ( 4) （2）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；方案二（高度150；摩擦系数0.2）(1) (2) (3) (4) （3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择StressMax pricipal，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其

12、变化情况； （1） （2） （3） （4） 1）比较（1）和（2）的颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看最大应力值，可以看出：摩擦系数为0时，坯料各部分应力分布较均匀，处于三向压应力状态，为均匀变形。摩擦系数为0.4时，坯料各部分应力分布不均匀：圆柱体端部的接触面附近处于强烈的三向压应力状态；在与垂直作用力轴线呈45°交角的区域也处于三向压应力状态，但应力值较前者较小；在与垂直作用力轴线呈45°交角的区域径向向外的区域里，最大应力逐渐由压应力变为拉应力，该区域为二压一拉应力状态。该坯料的变形为不均匀变形。原因：镦粗时，由于受到接触表面摩擦力的影响，会使接触表面附近的

13、金属变形受阻。而接触表面摩擦力的影响，沿径向由侧边向中心逐渐增强，沿高度方向由端面向中心逐渐减弱，故产生不均匀变形。为了保持物体完整性，会出现附加应力，从而改变物体的应力状态。2）比较（3）和（4），其与（1）和（2）应力分布情况相似。再比较（1）和（3），可以看出：不同高度，在相同压下量下，应力分布同样较均匀，但最大应力的大小有所差异。最后比较（2）和（4）可以看出：不同高度，在相同压下量下，不均匀变形所对应的各个区域的体积跟最大应力大小都有所差异。综上，高度对均匀变形和不均匀变形的应力状态同样有影响。（4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择StrainEffective，点击播放

14、按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况； （1） （2） （3） （4）1）比较（1）和（2）的颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看最大应变值，可以看出：摩擦系数为0时，坯料各部分应变分布较均匀，为均匀变形。由于坯料在轴向上的为压缩变形且变形量为0.4，根据体积不变定律并参照图中最大应力值，可知该坯料在径向和周向均为拉伸变形，所以该坯料处于一向压缩两相拉伸应变状态。观察变形前后的坯料形状，还可以发现其形状在变形前后相似，这点符合均匀变形的特点。摩擦系数为0.4时，坯料各部分应变分布不均匀：位于圆柱体端部接触面附近，由于受接触面摩擦影响较大，且远离与垂直作用力轴线呈大致45°

15、;交角的最有利滑移区域，在此区域内产生塑性变形较为困难，为难变形区；处于与垂直作用力大致为45°交角的最有利变形区域，且受摩擦影响较小，因此在此区域内最易发生塑性变形，为易变形区。处于易变形区四周的区域，其变形量介于难变形区与易变形区之间，为自由变形区。观察变形前后的坯料形状，便可以发现其形状在变形后呈单鼓形，这正是由于不均匀变形。2）比较（3）和（4），其与（1）和（2）应变分布情况相似。再比较（1）和（3），可以看出：不同高度，在相同压下量下，应变分布同样较均匀，但最大应变的大小有所差异。最后比较（2）和图（4）可以看出：不同高度，在相同压下量下，不均匀变形所对应的各个区域的体积

16、跟最大应变大小都有所差异。综上，高度对均匀变形和不均匀变形的应变状态同样有影响。（5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况； （1） （2） （3） （4）由上面四幅图可以看出，1,2图破坏系数极小几乎为0，而3,4图破坏系数为0。说明在此镦粗过程中，晶格畸变不是很严重，坯料不容易被破坏。坯料无摩擦，即均匀变形时，其对坯料的破坏很小；坯料有摩擦时，即不均匀变形时，圆柱体侧面周向承受附加拉应力，但是由于变形程度不大，所以对坯料的破坏也很小。（6）成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为l

17、oad.png； (1) (2) (3) （4）1)比较上图中每条线段可以看出：在开始较短时间内载荷呈线性增大，该段时间内的变形为弹性变形，载荷迅速增加，变形很小；在后面的所有时间内载荷呈非线性增长，该时间内的变形主要为塑性变形，变形较大，载荷增长较弹性变形慢。弹性变形阶段，载荷上升的主要原因是原子间相互作用力；塑性变形阶段，载荷上升的主要原因是加工硬化。2)比较方案一和方案二对应的曲线可以看出：方案二接触表面有摩擦力即产生不均匀的坯料，塑性变形阶段的载荷曲线高于方案一接触表面无摩擦即产生均匀变形的坯料。这是由于不均匀变形产生的附加应力，使金属的塑性降低，变形抗力升高。3)比较方案三和方案四对

18、应的曲线，其与方案一和方案二的情况相似。只是载荷大小有所差异。4)比较方案一和方案三对应的曲线可以看出：相同压下量，均无摩擦的这两种情况，高度为150的载荷曲线比高度为250的载荷曲线高很多。比较方案二和方案四对应的曲线可以看出：相同压下量，摩擦系数相同的这两种情况，高度为150的载荷曲线比高度为250的载荷曲线高很多。（7）点跟踪分析：点击Point Tracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。 （1） （2） 3 （4）1）观察（1）和（3）各跟踪点在变形过程中最大应力

19、和最大应变观察(1)中左图和(3)中左图，可以看出：在前面极短时间内，为弹性变形，应力呈线性变化；后面的时间内，主要为塑性变形，呈非线性变化。除表面几个点外，坯料其他各点均为三向压应力状态，且应力分布较均匀。观察图(1)中右图和(3)中右图,可以看出：在变形过程中，所有点的最大应变呈线性增长，且应变大小也基本相同，这正符合均匀变形过程的特点。2）观察（2）和（4）各跟踪点在变形过程中最大应力和最大应变观察（2）中左图和（4）中左图，可以看出：在变形过程中，应力分布不均匀，且变化幅度较大。这是因为这两情况的变形为不均匀变形，产生大量附加应力，而这些附加应力的分布也是不均匀的，所以就出现了图示情况

20、。观察（2）中右图和（4）中右图，可以看出：在变形过程中，应变总体是呈上升趋势的，但是由于不均匀变形，所以各点处的应变大小不同。4 实验小结本实验通过ProE和DEFORM对镦粗过程进行了模拟，经过无摩擦镦粗和有摩擦镦粗之间的对比分析，验证了均匀变形和不均匀变形的变形特点。把书本的知识应用到模拟当中，使我对课本的知识有了更进一步的理解。同时我也学会了使用DEFORM-3D进行简单的材料成型模拟，分析成型过程中工件的应力、应变、破坏系数及挤压工具载荷的变化。DEFORM能够帮助我们设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。提高了工模具设计效率，降低生产和材料成本。缩短了产品的研究开发周期。

21、实验二 棒材热挤压过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉DEFORM软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的模拟操作。深入理解并掌握DEFORM软件分析热挤压的塑性变形力学问题。1.2 实验内容挤压模挤压筒挤压垫1401004060120450591001525图2 棒材热挤压示意图运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜(DIN_CuZn40Pb2)棒挤压过程（一）挤压条件与参数挤压工具：尺寸如图所示，材质DIN-D5-1U,COLD，温度3500。坯料：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸f98×100，温度6300。工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数

22、0.1。（二）实验要求（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）运用DEFORM后处理Flow Net（流动栅格）功能观察金属流动的不均匀性，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。2 实验过程2.1挤压工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体，文件名称分别为extr

23、usion workpiece，extrusion die，extusion mandrel，extusion dummy block，extusion chamber。输出STL格式。 说明：上述几何形体尽量在一个空间体系下用相对尺寸绘制，保证它们的装配关系；所有实体造型都要在空间体系的第一象限内，即几何点的坐标值非负。2.2 挤压模拟2.2.1 前处理建立新问题：程序®DEFORM6.1®File®New Problem® Next®在Problem Name栏中填写“tuble extrusion”（管材挤模拟的学生）或“stick ex

24、trusion”（棒材挤模拟的学生）® Finish®进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulation Conrol按钮®Main按钮®在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“top die”、“bottom die”和“object 4”，在Object Name栏中填入extrusion workpiece®点击Change按钮®点击 geometry ®点击import®选择extrusion workpiece.stl实体文件

25、74;打开；重复操作，依次添加extrusion die，extusion mandrel，extusion dummy block，extusion chamber。定义对象的材料模型：在对象树上选择extrusion workpiece®点击General按钮®选中Plastic选项（塑性）®点击Assign Temperature按钮®填入温度，如630®点击OK按钮®在对象树上选择extusion dummy block®点击General按钮®选中Rigid选项（刚性）®点击Assign Tem

26、perature按钮®填入温度，如300®点击OK按钮®勾选Primary Die选项（定义为extusion dummy block主动工具）®如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die选项）；调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框®根据挤压要求及实体造型调整相互位置关系®点击OK按钮完成；模拟控制设置：点击Simulation Conrol按钮®Main按钮®在Simulation Title栏中填入“tuble extrusion

27、” 或“stick extrusion” ®在Operation Title栏中填入“deform heat transfer” ®选中SI选项，勾选“Heat transfer”和“Defromation”选项®点击Stemp按钮®在Number of Simulation Stemps栏中填入模拟步数®Stemp Increment to Save栏中填入每隔几步就保存模拟信息®在Primary Die栏中选择extusion dummy block（以挤压垫为主动工具）®在With Constant Time Incr

28、ement栏中填入时间步长®点击OK按钮完成模拟设置；实体网格化：在对象树上选择extrusion workpiece®点击 Mesh ®在Number of Elements卡上填入需要的网格数，如15000®点击 Generate Mesh ®工件网格生成；说明：工模具不作分析，可以不进行网格划分。设置对象材料属性：在对象树上选择extrusion workpiece®点击Meterial®点击other®选择DIN-CuZn40Pb2®点击Assign Meterial完成材料属性的添加；设置主动工

29、具运行速度：在对象树上选择extusion dummy block®点击Movement®在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项®在Directiont选中主动工具运行，如-Y®在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入数度值，如10mm/s；工件体积补偿：在对象树上选择extrusion workpiece®点击Property®在Target Volume卡上选中Active选项®点击Calculate Volumer按钮®®点击Yes按钮®

30、;勾选Compensate during remeshing边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮®在对话框上选择extrusion workpieceextusion dummy block®点击Edit按钮®点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数或选择摩擦类型如Hot Forging (Lubricated) ® 点击Thermal®选中Constant选项，填入传热系数或选择传热类型如Fomging ® 点击Close按钮®如此重复，依次设置

31、其它接触关系® 点击Generate all按钮点击tolerace 按钮®点击OK按钮完成边界条件设置；保存k文件：在对象树上选择extrusion workpiece®点击Save按钮®点击保存按钮®保存工件的前处理信息®重复操作，依次保存各工模具的信息。2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database generation按钮 ®在Type栏选中New选项®选择路径（英文）®填入数据库文件名，如stick extrusion 或tuble extrusion ®点击Check按钮

32、74;没有错误信息则点击Generate按钮®完成模拟数据库的生成。2.2.3 退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。2.2.4 模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的stick extrusion.DB 或tuble extrusion.DB文件®单击Run按钮，进入运算对话框®单击Start按钮开始运算®单击Stop按钮停止运算®单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。2.3 后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击stick extrusion.DB 或tuble extr

33、usion.DB文件®在Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。3 实验结果与分析 （1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；（2）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况； 图一 挤压终了温度分布观察图一中颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看温度值，可以看出：远离挤压垫的一端温度最高，而与挤压垫相接触的一端温度最低。这主要是由于在整个挤压过程中与挤压垫接触的一端存在着坯料与挤压垫之间的热交换，从而使温度降低；不接触的一端在整个挤压过程中金属流动较为剧烈，并且由于散

34、热不好且挤压时间较短，温度要比与挤压模相接触端高且变化不大。同时，中心部位温度分布较均匀而且具有较高温度值，这是因为在整个挤压过程中坯料中心不与挤压模具和空气相接触，热量散失与热传递都很小。 （3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况； 图二 挤压终了最大应力分布 观察图二中颜色的分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看最大应力，可以看出：中间部位应力分布比较均匀，且数值较大，由于最大应力为负值，故为三向压应力状态。从中还可以看出：在挤压过程中应力数值最大的位置出现在坯料刚进入挤压模的位置，由于在此处坯料径向尺寸急

35、剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也最大，在此处将产生较大的附加应力，叠加后，应力数值增大。另外还能够看出：在挤压筒与坯料的接触部位附加应力对应力分布影响相对较小。 （4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况； 图三 挤压终了最大应变分布观察图三中颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看最大应变值，可以看出：应变状态为两压一拉状态。从中还能够看出：在整个挤压过程中应变最大的位置同样出现在工件刚进入挤压模的位置，此处坯料的主变形量最大，即应变最大，中间位置应变其次，中心部位应变较小，两端应变最小。这正符合挤压

36、的真实变形特点。 （5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况； 图四 挤压终了破坏系数分布观察图四中颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看破坏值，可以看出：已挤压坯料的表面破坏系数较大，已挤压坯料的中心和挤压筒内的坯料破坏系数都较低。这是由于挤压过程中挤压筒壁和挤压模壁接触摩擦力的影响，使边部金属流动滞后于中心部金属，造成了边部受压，中心受压的附加应力分布，表面在附加拉应力作用下易产生周期裂纹，所以坯料表面的破坏系数较大。（6）成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图。 图五 成型过程载荷分布从

37、图五中可以看出：整个挤压过程的成型载荷曲线总体上是逐渐增加的，因为随着挤压过程的进行，坯料和挤压模的接触面积越来越多，所以坯料与挤压模具之间的摩擦力就会逐渐增大，从而使挤压力上升。同时由于还会受到金属内部原子之间相互作用力的影响，随着挤压过程的进行金属流动越来越困难，所要求的挤压力也越大。图形中出现的很小的起伏，主要是因为在挤压过程中DEFORM-3D成型软件进行了网络的重划分，产生了均匀应变，挤压力出现小幅度降低，但是挤压力总体上呈上升趋势。 （7）点跟踪分析：点击Point Tracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。 图六 跟踪点分布 图七 最大应变跟踪点分布 图八 最大应力分布 图九 最大温度分布 图十 跟踪点破坏系数分布 1)从图九可以看出：所选的大部分点的温度分布整体上是呈小幅度的下降趋势，主要是因为在模拟成型过程中存在坯料和挤压垫、挤压筒、挤压模以及外界的热交换和热量损失，所以温度会有所下降但幅度很小。因为在热传递和热量散失的过程中接触摩擦会产生热量，所以跟踪点的温度降幅很小。还有一小部分点的温度先降低后上升，这主要是因为那些点分布在坯料表面靠前端，温度先由于与环境发生热传递而减小，后又由于接触摩擦温度又有所上升。还有几个