ABAQUS针对加工成形的解决方案

FormingAnalysisABAQUS针对加工成形的解决方案—辊压、锻造、钣金、型材、弯管、焊接1前言当前，制造行业加工工艺的趋势正朝着高新技术的方向发展。由于新产品、新技术的开发成本太高、开发时间过长，加上开发成果没有保障，越来越多的公司在研发、制造过程中应用。采用有限元软件对加工工艺进行模拟有着诸多优点：投放市场的时间；开始注重仿真技术的1.数值模拟减少了耗时的原型实验，缩短了产品2.合理的参数设计可以降低对工件的损耗；3.合理的坯料设计，减少了飞边，也减少原材料的浪费；4.对模具的设计、加工提供合理建议；5.优化加工过程，提高产品成形质量；6.对加工过程中材料流动、模具损伤热的影响积累更多认。识ABAQUS产品源于为世界一流公司解决传统有限元软件不能解决或解决不好的问题；产品质量通过ISO-9001认证，美国核工业质量评估(NQA)认证；针对每一个新版本的推出，每天都在进行约30,000次考题的循环验证。采用ABAQUS进行仿真模拟的目的：9节约开发成本9加快研发速度9提高产品质量ABAQUS的主要功能模块：¾ABAQUS/CAE模块为界面友好的快速交互式的前后处理环境，提供了集成化的建模、分析、监测和控制、以及结果评估的完整功能。¾ABAQUS/Standard模块主要用于结构静态、动态的线性和非线性分析以及耦合分析。¾ABAQUS/Explicit模块用于形分析。ABAQUS可以提供：¾433种以上的解决瞬态的大变形和高度非线性问题，例如模拟成单元表达式¾40套以上的材料本构模型¾20种以上的分析方式同时，ABAQUS可以针对不同操作系统(Unix,Linux,Windows)进行单机或多机并行运算，节省更多运算时间。2目录前言.......................................................................................................................24第一部分ABAQUS软件初识.....................................................................................1.1ABAQUS/CAE用户界面1.2实时打印输出视图信息1.3丰富的材料模型1.4开放的软件接口...................................................................................................4.....................................................................................................5.................................................................................................................5.................................................................................................................5第二部分ABAQUS在加工成形行业中的应用.........................................................82.1钢材轧制过程的模拟2.1.1工字钢成形过程模拟2.1.2“L”型钢材轧制过程2.1.3自适应2.1.4飞剪过程2.2厚板材2.3弯管成形过程的模拟2.3.1实际加工过程2.3.2有限元模型2.3.3圆锥管成形2.4钣金成形过程的模拟2.4.1冲压成形的模拟2.4.2液压成形的模拟2.4.3起皱模拟2.4.4掉底模拟2.4.5压延梗模拟2.5超塑性材料的2.5.1各向同性材料2.5.2率相关材料2.6多次成形过程的模拟2.7点焊、线焊过程的模拟2.8复杂结构的技术处理.......................................................................................................182.9退火过程的模拟2.10锻造过程的模拟附录：采用.........................................................................................................9...................................................................................................10...................................................................................................10网格技术的应用...............................................................................................11.......................................................................................................................11辊压成形过程的模拟...........................................................................................11.......................................................................................................12...............................................................................................................12...................................................................................................................13...................................................................................................................13.......................................................................................................14...........................................................................................................14...........................................................................................................14.......................................................................................................................15.......................................................................................................................15...................................................................................................................16深冲压成形模拟.......................................................................................16和各向异性材料的成形模拟...............................................................16和率无关材料的成形模拟.......................................................................17.......................................................................................................17...................................................................................................18...............................................................................................................19.............................................................................................................19ABAQUS针对型材拉弯的优化设计.....................................................................203

第一部分ABAQUS软件初识1.1ABAQUS/CAE用户界面41.2实时打印输出视图信息和动画制作1.3丰富的材料模型通用材料属性菜单5机械弹塑性属性菜单热属性菜单金属和非金属材料本构模型电效应属性菜单6考虑质量耗散特点的属性菜单考虑渗流特性的属性菜单特殊接触类型的属性菜单1.4开放的软件接口ABAQUS/CAE良好的建模功能可以建立复杂的几何模型，也可以导入由第三方优秀CAD软件如Pro/E、UG、CATIA、IDEAS、Parasolid等建立的几何模型。7第二部分ABAQUS在加工成形行业中的应用金属、非金属成形件在汽车、飞机仪表、机械设备等产品的零部件中占有相当大的比例。由于其具有生产效率高，生产费用低的特点，适合于大批量生产，是现代高速发展的制造业的重要工艺。据统计，在发达国家中，金属塑性成形件的产值在国民经济中的比重居行业之首，在我国也占有相当大的比例。由于新产品、新技术的开发成本太高、开发时间过长，加上开发成果没有保障，越来越多的公司在研发、制造过程中开始注重仿真技术的应用。在成形加工中，引入有限元软件后其设计流程与传统设计流程相比有着重要的差别和强大的优势。传统的设计流程如下：冲压成形修改模具制作模具[采用软质材料]修改设计方案初期设计冲压成形修改模具制作模具[采用加工制作硬质材料]引入ABAQUS进行仿真模拟后的设计流程如下：修改设计方案初期设计冲压成形修改模具制作模具[采用软质材料]数字模拟数字模拟(ABAQUS)(ABAQUS)冲压成形制作模具[采用硬质材料]加工制作修改模具8在初期设计和改进设计方案的时候引入ABAQUS进行仿真模拟，可以大大减少传统的原型实验所需的时间，同时缩短产品投放市场的时间；通过分析模拟结果的特点还可以对模具的设计、加工提供合理建议；进而优化加工过程，提高产品成形质量。2.1钢材轧制过程的模拟钢铁工业作为基础产业在国民经济中具有举足轻重的地位，其发展与国内经济周期密切现高速发展，尤其2004年全年产钢2.72数量最多的一年。由于技术进步，其中有限是取得了广泛应用，使得钢材品种结构改善，质量稳定提高，出现了进口钢材减少，出口钢材增多，净进口钢材大幅度下降。ABAQUS在螺纹钢、线材刚生产，钢坯角钢、工字钢、槽钢等工艺过程等方面的卓越性能，得到钢铁研究院和国内各大钢铁集团的广泛认可。相关。2002年～2004年我国钢铁工业连续三年实亿吨，比2003年增加5046万吨，元模拟分析是历史上增产技术更加工，螺纹钢钢坯角钢槽钢大角线材92.1.1工字钢成形过程模拟在轧制工字钢、槽钢等带凸缘的异型断面型钢时，传统上最多的加工方法多采用二辊孔型、直轧孔型、弯腰式孔型、弯腰大斜度式孔型以及蝶式孔型等孔型系统，辅助ABAQUS软件进行有限元仿真分析，可以对孔型横断面上各处变形进行精确模拟，能够有效解决轧辊、动力消耗大，产品尺寸精度、轧制效率等问题。2.1.2“L”型钢材轧制过程轧制过程中，轧件在变形区内的轧制压力分布是影响轧制主动辊子力及轧辊各部位磨损钢材程度的主要因素。目前关于轧制压力的研究比较多，已经有许刚材模型:多经典的公式对其进节点数:10117行了描述，关于L型单元数:7729轴向初始速度:5.602m/s:分析子:匀速角加速度:5rad/s子:轴向自由转动钢轧制压力分布规律从动辊子辊子模型研究还需进一主动辊刚体表面方面的步完善。ABAQUS显示从动辊动力学有限元模拟的摩擦系数:0.3方法，对在不同变形参数条件下的轧制过实时数值模拟，温度值，而且可以得到整个轧件的变形和温度场等更全面的信息，从而使新产品开发和现有工艺的改进建立在更科学、更可靠得基础上，对现场生产提供必要的借鉴信息。此外，ABAQUS有限元模拟还可应用在：金属挤压、拉拔过程分析、板带热轧过程变形冷轧、热轧过程（包括粗轧、精轧）变形分析、中厚板控制冷却、棒线材控制冷却、钢轨在线淬火工艺中温度场分析等。程进行得出了轧件表面的轧制压力分布规律，表面关键点的位移、应力、应变、分析、型钢102.1.3自适应网格技术的应用单元长宽比例适中单元长宽比例失调单元形状没有畸形失真的单元变形2.1.4飞剪过程先进制造技术的不断发展，在冷热加工之间，加工、检测、物流、装配过程之间，设计、材料应用、加工制造之间，其界限均逐渐淡化，逐步走向一体化。飞剪作为钢材轧制过程中必要的环节，其分析的精确性直接影响到后续的工艺流程。ABAQUS良好的处理非线性问题的性能可以为该流程中每一道环节提供技术保障。2.2厚板材辊压成形过程的模拟厚板材在进入辊子前后网格在厚度方向发生较大变形等效塑性应变分布11E505等效塑性应塑性变形变(PEEQ)E1045N736侧向扩展N1506E1045N1506E505N736局部单元和节点的变形信息2.3弯管成形过程的模拟在航空、航天、汽车结构中大量存在着各种管道零部件，可能涉及到不锈钢、特种钢、合金、橡胶、复合材料、高分子材料等一种或多种材料并存，力学性能从简单线弹性到极端复杂的各向异性。一些特殊用途的率非常大，明显的各向异性，横向等特性。往往，结构的管道可能还具有连续屈服特征，无明显的屈服平台，延伸拉伸的屈服强度、抗拉强度及弹性模量均比纵向拉伸的高截面形状和尺寸对抗拉强度也有一定的影响，而对屈服强度影响不大，同时，由于材料内部的缺陷引起的沿厚度方向强度降低和横向拉应力的作用，断裂时在结构特定区域出现分层开裂等。在实际分析中，往往需要作适当简化，但这种数字化的模拟却是现代工业生产必不可少的步骤之一。此外，管道分析还包括天然气管道，城市给排水管道等实际应用。2.3.1实际加工过程图示结构为弯管成形制造工艺中各种装备相互作用情况的示意图。有限元分析主要针对过程进行研究。在内压作用下经过加热的钢管受力发生塑性变形的122.3.2有限元模型2.3.3圆锥管成形据估计，切削加工约占机械制造工作量的30%～40%，全世界每年约有1亿吨钢料通过刀具切削而成为切屑，全世界每年切削加工耗资约2500亿美元。对产品的加工过程进行模拟与仿真，预测产品的加工质量、制造周期、使用性能等，以便及时修改设计，缩短产品的研制周期，获得最佳产品质量、最低生产成本和最短开发周期。132.4钣金成形过程的模拟2.4.1冲压成形的模拟冲压是靠压力机和模具对板材、带材、管材和型材等施加外力，使之产生塑性变形或分离，从而获得目标形状和尺寸的工件(冲压件)的成形加工方法。全世界的钢材中，有60～70%是板材，其中大部分是冲压工艺成形。汽车的车身、底盘、油箱、散热器片，锅炉的汽包、容器的壳体、电机、电器的铁芯硅钢片等都是冲压加工的。仪器仪表、家用电器、自行车、办公机械、生活器皿等产品中，也有大量冲压件。2.4.2液压成形的模拟自1990年代起管件液压成形(TubeHydroforming)或称管件内高压成形(InternalHighPressureForming)技术受到工业界及学术界极大瞩目而蓬勃发展，目前已成为国际间汽车产业主流制造技术之一，包括：德国双B、VW、AUDI、OPEL，美国GM、FORD、CHRYSLER，日本TOYOTA、HONDA、NISSAN、SUBARU、MAZDA、MITSUBISHI，韩国KIA、Hyundai等均已投入生产或试量产，主要应用为底盘件、车身结构件与排气系统零组件，在其它产业应用亦不断扩大中，前景十分广阔。142.4.3起皱模拟由于塑性成形工艺影响因素甚多，有些因素如摩擦与润滑、变形过程中材料的本构关系等机理尚未被人们完全认识和掌握，因而到目前为止还未能对各种材料各种形状的制件成形过程作出准确的定量判定。正因为大变形机理非常复杂，使得塑性成形研究领域一直成为一个充满挑战和机遇的领域。ABAQUS拥有丰富的材料本构模型和单元类型，在处理高度非线性问题方面性能卓越，一直为广大工业和研究客户所信赖。图示为某航空油箱成形过程中起皱现象的仿真模拟。2.4.4掉底模拟在传统工艺分析和模具设计中，主要依靠工程类比和设计经验，经过反复试模修模，调整工艺参数以期望消除成形过程中的产品缺陷如局部破裂等，仅仅依靠类比和传统的经验工艺分析和模具设计方法已无法满足高速发展的现代金属加工工业的要求。因此，现代金属成形工艺分析过程中，建立适当的“过程模拟”非常重要。掌握诸如摩擦条件、材料性能、工件几何形状、成形力等工艺参数对成形过程的影响，设计工程师可以正确地设计模具和选择加工设备，并预测和防止缺陷的生成。152.4.5压延梗模拟实际模型示意图有限元模型示意图2.5超塑性材料的深冲压成形模拟目前几乎所有的金属材料，如锌、铝、铜、铅、锡、镍、钛、镁、钨、锆等有色金属及碳钢、合金钢、不锈钢等钢铁材料中都发现有超塑现象，很多材料都在生产中获得了应用。如电子、仪表、纺织、机械、汽车、航空航天及工艺制品等行业中获得了应用，尤其在航空零件，在B-1B上用得更多，美国在战斗机、轰炸机上广泛使用超塑成形的铝合金、钛合金重型轰炸机上用量达11，550磅，为其铝、钛结构件重量的15%。ABAQUS提供了多种本构模型适用于对各种超塑性材料的研究。2.5.1各向同性材料和各向异性材料的成形模拟各向同性材料各向异性材料162.5.2率相关材料和率无关材料的成形模拟率无关材料率相关材料2.6多次成形过程的模拟随着模拟中的一些关键技术的进一步发展及计算机硬件水平的提高，数值模拟在加工成形中的应用越来越接近真实流程，模拟工作逐步从模拟简单零件转向模拟复杂零件，从模拟单工步成形转向模拟多工步成形，从单纯的金属流动模拟转向温度场等多方面的复合模拟。ABAQUS的分析步正好体现了这样的概念－模拟真实的世界。172.7点焊、线焊过程的模拟焊接技术发展至今，已经广泛应用在航空航天、汽车、船舶、电子等行业。ABAQUS具有强大的热固耦合分析功能，包括：稳态热传导和瞬态热传导分析，顺序耦合热固分析，完全耦合热固分析，强制对流和辐射分析，热界面接触，摩擦生热等等。可以定义从简单弹塑性模型到随温度变化材料常数的热塑性、热硬化性、高温蠕变等复杂材料模型，来模拟金属、聚合物、复合材料等电子材料的热学和力学性质。2.8复杂结构的技术处理技术突破：采用实体壳单元模拟复杂的壳结构，比传统壳单元更精确。182.9退火过程的模拟型钢轧制退火过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程,既有材料非线性、几何非线性,又有边界接触条件非线性变化,因此其变形机理非常复杂,难以用准确的数学关系式来描述。ABAQUS软件提供了复杂的非线性分析程序，且拥有功能强大的子程序接口。因此无论是从计算收敛性、精确程度的角度，还是从方便程度的角度，均有较高的优选价值。2.10锻造过程模拟ABAQUS提供了强大的处理非线性的功能。可以模拟锻造成形过程中的局部大位移、大转动，以及复杂的接触算法（包括刚体－刚体，刚体－变形体，变形体－变形体，其中刚体表面还可以是解析刚体面），并可以实时计算相应的模具反力。19附录：采用ABAQUS针对型材拉弯的模拟分析前言：型材拉弯工艺广泛应用于航空航天、汽车、机械设备、建筑等行业，随着高新技术越来越多应用于这些工业，设计工程师对于计算机仿真技术的要求也与时俱进。ABAQUS处理能力为广大工业客户所认可，本文以航空工品为例，介绍了ABAQUS对应的分析方案逐一进行分析，它们进行比较，最后提出改进方案。经实践检验，仿真分析的结果跟实际程师提供了可信参考数据的以其卓越的非线性问题的业中某型材拉弯产流程，对工程中提出的四种加工结合回弹的结果对结果达到高度一致，为设计工。一、模型描述首先将造型设计工程师提供的型材产品目标形状的几何模型导入到ABAQUS/CAE中，如图１所示。图１型材产品目标形状考虑到型材几何形状的对称性，我们针对1/2模型的拉弯过程进行分析，图２所示为实一半，考虑壁厚与其表面长宽之间的比例关系，我们进一步将模型简化为壳具模型及其有限元网格模型，图４为装配模型及其际模型的到型材结构，图３为根据该模型的尺寸生成的模有限元模型。图２产品模型的二分之一20图３刚体模具的几何模型（左）和有限元网格模型（右）图４装配体的几何模型（左）和有限元网格模型（右）二、分析方案根据实际加工过程的特点，并针对此类型材拉弯问题，我们采用ABAQUS的隐式算法模块ABAQUS/Standard进行成形分析。考虑到实际成形时的材厚度变化量、局部型材的变形量作为考查影响因素，我们按照下面四类分析过程分别进行模拟，最后分别以回弹量、型标准，为实际加工过程提供必要的数据作为参考。分析过程的分类如下：1、直接进行型2、首先对型3、第一步进行型4、首先对型材拉弯，然后考察其回弹量；材做一个整体拉伸，然后再进行型材拉弯，最后进行回弹分析；材拉弯，然后对弯曲得型材做一个整体拉伸，最后进行回弹分析；材做一个整体拉伸，然后再进行型材拉弯，接着对弯曲得型材做一个整体拉伸，最后进行回弹分析；三、分析结果针对以上提出的四种方案的具体流程，我们分别生成相应的分析模型进行计算。下面总结了这四种分析方案得到的Mises应力、等效塑性应变、型材壁板最终成形之后的对比结果。由图５可以得到：对于方案2和方案4最大Mises应力的大小均为：127.9MPa，方案1和方案3最大Mises应力的大小均为：149.2MPa。四个方案共同之处是Mises应力的分布表现一致，即应力在型材的弯曲部分，尤其竖筋与板的交界处；不同之处在于方案2和方案4的Mises应力分布更均匀，而方案1和方案3的Mises应力分布集中。厚度和回弹量的集中区域都是214123图５Mises应力分布云图由图６可以得到：对于方案2和方案4最大等效塑性应