【《某铝合金电机外壳无凸缘筒形件零件有限元分析模型分析案例》6800字】

某铝合金电机外壳无凸缘筒形件零件有限元分析模型分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u25213某铝合金电机外壳无凸缘筒形件零件有限元分析模型分析案例 1136681.1模具尺寸及模拟方案的确定 1137611.2ABAQUS损伤准则 2158421.3接触算法 2277801.4单元模型 390871.5数值模拟过程 4118054.5.1Part 4222774.5.2Property创建材料属性 9152844.5.3Assembly 116084.5.4Step 11223734.5.5创建接触关系 1319664.5.6Load 18106184.5.7Mesh 23107684.5.8Job 23155004.5.9Visualization 241.1模具尺寸及模拟方案的确定对该圆柱形深筒零件进行拉深工艺设计，拉深次数三道次，不需要压边圈。计算工艺参数为：第一道次零件尺寸：中性层直径为160.8mm，高度为71.5mm；第二道次零件尺寸：中性层直径为120.6mm，高度为120mm；第三道次零件尺寸：中性层直径为98mm，高度为140mm；第一道次模具尺寸：凸模直径为155mm，高度为71.5mm；凹模直径为167mm，高度为80.5mm；第二道次模具尺寸：凸模直径为115mm，高度为120mm；凹模直径为127mm，高度为126mm；第三道次模具尺寸：凸模直径为92mm，高度为140mm；凹模直径为104mm，高度为146mm。模拟方案：a.可以采用分体凸凹模，分三道次进行模拟。b.也可采用整体凹模进行模拟，其优势在于前面道次加载所形成的损伤可延续计算，减少更换凸凹模重新计算对材料属性的影响。此工艺采用方案b进行模拟。1.2ABAQUS损伤准则ABAQUS中包括延性金属损伤、服从Traction-Separation法则的损伤、纤维增强复合物的损伤、弹性体损伤。韧性金属的材料破坏的有限元目的是用来预测金属损坏的一般能力，这些金属包括薄板，挤压，铸造金属以及其他材料；可与韧性金属的损伤演化和元素去除中描述的韧性金属的损伤演化模型结合使用。允许规范一个以上的破坏引发标准；包括延性，剪切，成形极限图（FLD），成形极限应力图（FLSD）和Müschenborn-Sonne成形极限图（MSFLD）的破坏起始标准；在Abaqus/Explicit中包括Marciniak-Kuczynski（MK）和Johnson-Cook引发损害的标准；可以与Mises，Johnson-Cook，Hill和Drucker-Prager可塑性（延性，剪切，FLD，FLSD和MSFLD标准）一起在Abaqus/Standard中使用。延性金属损伤包括柔性损伤、Johnson-Cook损伤、剪切损伤、FLD损伤、FLSD损伤、M-K损伤、MSFLD损伤。对于延性金属损伤，剪切损伤模型用于预测剪切带局部化引起的损伤，FLD、FLSD、MSFLD、M-K损伤都是用于预测金属薄片成型引起的损伤。柔性损伤和Johnson-Cook损伤都是一类模型，预测由于延性金属内部空隙成核、成长、集结引起的损伤萌生。模型假定损伤萌生时的等效塑性应变是三轴应力和应变率的函数。该延性准则由MISES、Johnson-Cook、Hill、Drucker-Prager塑性模型整合得到。以应变为基础的FLD断裂准则，仅仅适用于完全线性的加载路径，同样以应力为基础的FLSD断裂准则对于应变的路径不是特别敏感。M-K准则可以较为准确的反应非线性的应变加载路径，但是当引入大量缺陷时，其计算成本很高。在一定的条件下，MSFLD准则和M-K准则的预测结果十分相似，同时MSFLD能够大量的减少计算成本。1.3接触算法拉深成形的有限元分析是典型的复杂非线性求解过程，模具与板料始终处于动态变化的接触和摩擦状态。数值模拟过程中常采用的接触处理方法主要分为三种：罚函数接触算法、拉格朗日(Lagrange）接触算法和非线性罚函数接触算法。罚函数接触算法处理接触问题时具有高效、稳健的优点，几乎可以用于任何板料成形模拟中的接触计算。此算法的具体处理原则是：如果主动面出现被从动面节点穿透的现象，那么就会在二者之间产生一个界面法向接触力，而且接触力随着穿透深度的增加而增大，罚函数值即表示接触过程中相应的接触力大小。此种接触算法在模拟过程中板料与模具之间可能会出现穿透现象，所以应力计算结果不是特别准确。除此以外，模拟计算的稳定性和精度还与接触刚度比例系数设置的是否合理有很大关系。拉格朗日算法不会出现从节点穿透主动面的现象。该方法将接触力以未知量的形式带入到运动方程中，并引进拉格朗日乘子，最后通过方程组联立求解计算出接触力大小。因此该算法得到的计算结果比较精确，适合于求解接触力非常高的情况。但是此方法对模具网格形状质量要求比较高，任何单元不允许出现不连续和交叉重叠，也不允许有初始穿透的存在。此外，处理过程中联立求解方程组会导致较高的计算消耗。非线性罚函数接触算法从本质上来讲还是属于罚函数算法。与传统的罚函数算法相比，只是在接触搜索方式和接触力计算方法上略有不同。该方法在判断接触是否发生时，首先将从动面节点看作是一个直径为料厚的球体，若球体与主动面存在穿透，则确定它们之间产生了接触。因此使用该算法过程中，模具的法向不需要统一指向板料。在接触力计算过程中，衡量惩罚强度的罚因子不再恒定不变，而是呈非线性变化。因此在该算法中，从节点几乎不可能穿透主动面，比传统的罚函数法拥有更高的计算精度。通常情况下，当接触面是刚体或者接触面之间的相对运动方向与接触面平行时使用罚函数法。1.4单元模型板料冲压成形模拟中,单元模型的类型是影响其数值模拟结果的重要因素之一。为了准确描述板料的变形特性必须考虑单元类型的选择。目前，用于板料成形模拟的单元模型主要分为薄膜单元、实体单元和壳单元三种。在这些单元模型中，薄膜单元是一种结构简单且对运算内存要求低的单元。正是基于这些特点，该种单元被广泛地应用在早期的板料成形有限元分析中。由于薄膜单元的结构简单，计算效率非常高，但是它忽略了成形过程中的弯曲效应、弯矩、扭矩和横向剪切对板料成形的影响，导致其应用受到了很大限制，只能适用于不产生明显弯曲的的成形模拟分析。与薄膜单元相比，实体单元是建立在三维的连续介质理论上的。它的单元结构不仅更加简单，而且它考虑了薄膜单元所忽略的弯曲和剪切效应。因此它可以用来分析三维成形问题。但是为了保证模拟结果的精确性,采用实体单元分析需对板料进行很细的网格划分，在板厚方向上一般至少需要划分6-8个实体单元，所以计算耗时很长，对内存需求较大。所以在实际应用中，不适用于复杂的冲压件的分析。基于板壳理论建立的壳单元被广泛地应用在板料冲压成形数值模拟分析中，主要是因为该种单元结合了薄膜单元与实体单元的所有优点。该类型单元不仅能够有效处理板料成形过程中的弯曲和剪切效应，而且对计算内存要求也较小，提高了计算效率，但同样可以保证计算结果的精度。1.5数值模拟过程Part采用3DAnalyticalrigid（解析刚体）的形式建立上下模模腔模型，变形坯料以3D可变形体的形式建模。凸模为三个模型，分别为三道次的凸模。凹模为一个模型，为三次挤压凹模的组合，采用SI(mm)量纲。1）创建Punch1CreateParta.Name：Punch1b.ModelingSpace：3Dc.Type：Analyticalrigidd.Basefeature：Revolvedshelle.Approximatesize：200f.点击左侧工具区CreateConstruction：VerticalLine，过（0，0）点绘制垂直构造线，作为轴对称部件的旋转轴。在中心线的一侧，过（0，0）点绘制长度为77.5的水平线，长度为71.5的垂直线，两线相交。在交点处倒角R7。Punch1的草绘尺寸如下图4-1所示：图4-1Punch1草绘尺寸Done。点击垂直构造线为旋转中心线，并旋转360°，设置对话框如下图4-2所示。图4-2旋转编辑对话框g.指定刚体部件的参考点，在主菜单中选择Tools-ReferencePoint，点击凸模的底面中心点，命名为RP-Punch1。创建好的Punch1及参考点如下图4-3所示：同理，创建Punch2，过（0，0）点水平线长度为57.5，右侧垂直线长度为120。在交点处倒角R5。刚体参考点命名为RP-Punch2，如下图4-4所示。创建Punch3，过（0，0）点水平线长度为46，右侧垂直线长度为140，在交点处倒角R4。刚体参考点命名为RP-Punch3。如图4-5所示。图4-3零件Punch1及参考点图4-4零件Punch2及参考点图4-5零件Punch3及参考点2）创建DieCreateParta.Name：Dieb.ModelingSpace：3Dc.Type：Analyticalrigidd.Basefeature：Revolvedshelle.Approximatesize：800f.点击左侧工具区CreateConstruction：VerticalLine，过（0，0）点绘制垂直构造线，作为轴对称部件的旋转轴。凹模草图各部分尺寸如下图4-6所示，注意凹模凸沿在坐标原点下方6：图4-6凹模草绘各部分尺寸g.随后在各交点处倒角，各倒角尺寸如下图4-7所示：图4-7凹模倒角尺寸h.Done。点击垂直构造线为旋转中心线，并旋转360°。i.指定凹模刚体部件的参考点，在主菜单中选择Tools-ReferencePoint，点击凸模的底面中心点。重命名为RP-Die。创建好的Die及参考点如下图4-8所示：图4-8零件Die及参考点3）创建BlankCreateParta.Name：Specimenb.ModelingSpace：3Dc.Type：Deformabled.Shape：Solide.Basefeaturetype：Revolutionf.Approximatesize：300g.点击左侧工具区Createlines：Rectangle。绘制点坐标为（0，0），（134，-6），的矩形。过（0，0）点做垂线为轴对称部件的旋转轴。h.Done。点击垂直构造线为旋转中心线，并旋转360°。图4-9零件BlankProperty创建材料属性1）创建材料AA5052a.Name：AA5052b.Density：2.77E-009c.Elastic：E=75000，泊松比=0.3.d.Plastic：逐点输入下表中的屈服应力-塑性应变值。表4-1AA5052应力-应变参数（mm单位制）屈服应力(MPa)塑性应变880106.70.00631350.0172160.40.0318177.30.0454191.40.0608205.50.07712140.0925228.10.1079230.80.1215239.30.1351250.50.1505256.10.1641261.70.17862）创建截面属性。a.Name：Section-AA5052b.Category：Solidc.Type：Homogeneousd.Material：AA50523)为Blank零件赋截面属性。AssignSection→Section：Section-AA5052，框选Blank零件区域。Assembly1)选择Meshonpart。2)拖动鼠标来选中全部零件，点击ok。按如下图410位置进行装配，使用移动各零件。装配关系为Punch1，2，3端面贴在Blank的顶面。Die的顶面贴在Blank的端面。全部零件沿Y轴对中。图4-10装配位置示意图为方便选择零件，将以上各零件及参考点分别设置集合。Tools→Set→Create→Set-blank，Set-die，Set-punch1，Set-punch2，Set-punch3。Step1)起始步（系统默认），作用：施加静止的初始边界条件。2)第二步（施加所有凸模接触），作用：建立凸模与板料的接触。a.Proceduretype：Dynamic，Explicitb.Name：punchcontactc.Nlgeom：Ond.Basic→Timeperiod：0.01e.Incrementation：Automatic3)第三步（凸模运动），作用：凸模1，2，3下压。Name：punchmove1Basic→Timeperiod：0.05其余设置选项与第二步相同。4)第四步（凸模运动），作用：凸模2，3下压，凸模1停止作用。a.Name：punchmove2b.Basic→Timeperiod：0.07875其余设置选项与第二步相同。5)第五步（凸模运动），作用：凸模3下压，凸模1，2停止作用。a.Name：punchmove3b.Basic→Timeperiod：0.1025其余设置选项与第二步相同。全部Step设置如下图4-11所示：图4-11Step设置总览对应加载时间，设置4个幅值曲线，Tools→Amplitude→Create，具体设置如下图4-12所示。图4-12所有Amplitude设置注：在punchmove1，2，3分析步中时间的分配原则是为保证在总长度范围匀速加载，因此各分析步所用时间按每个分析步的距离与加载速度的比值来分配。创建接触关系1)定义各接触面：为方便接触面的选择和让面具备明显的接触意义，首先定义面（Surface）。Tools→Surface→Create·Name：Blank-top，选择板顶面。·Name：Bank-bottom，选择板端面。·Name：Die-inside，选择凹模内表面。·Name：Punch1-outside，选择凸模1外表面。·Name：Punch2-outside，选择凸模2外表面。·Name：Punch3-outside，选择凸模3外表面。2)定义接触属性：点击CreateInteractionProperty→Name：IntProp-1，Type：Contact→Continue。Mechanical→TangentialBehavior→Frictionformulation：Penalty→FrictionCoeff：0.1。拉深成形过程在接触面上添加了润滑剂，因此摩擦系数较小。3)定义工具和板料的接触由于接触分别在Punch与Blank-top和Die与Blank-bottom发生，因此应分别设置接触对。设置接触在Punchcontact步开始。die-blank定义Die与Blank-bottom的接触。点击创建Createinteractiona.Name：die-blankb.Step：punchcontactc.Typesforselectedstep：Surface-to-Surfacecontact(Explicit)，d.Selectthefirstsurface（主面）：将前面定义好的Surfaces：Die-inside定为主面。e.Choosethesecondtype（从面）：点选Surface，选择前面定义的Blank-bottom定为从面。f.Mechanicalconstraintformulation：Penaltycontactmethod。g.Contactinteractionproperty：IntProp-1punch1-blank定义Punch1与blank-top的接触。点击创建Createinteractiona.Name：punch1-blankb.Step：punchcontactc.Typesforselectedstep：Surface-to-Surfacecontact(Explicit)，d.Selectthefirstsurface（主面）：将前面定义好的Surfaces：Punch1-outside定为主面。e.Choosethesecondtype（从面）：点选Surface，选择前面定义的Blank-top定为从面。f.Mechanicalconstraintformulation：Penaltycontactmethod。g.Contactinteractionproperty：IntProp-1。该接触在punchmove2中止。按同样的方法定义Punch2，Punch3与blank-top的接触punch2-blank：Punch2-outside与Blank-top接触；该接触在punchmove3中止。punch3-blank：Punch3-outside与Blank-top接触。四个接触对设置如图4-13所示：图4-13接触对设置总览3)定义各向同性与转动惯量质量元素：允许在某一点引入各向同性或各向异性的集中质量；与一个节点的三个平移自由度相关联。如果还需要旋转惯性（例如，代表刚体），可以使用元素类型ROTARYI（旋转惯性）。定义各向同性质量值：可以指定一个质量量级，该量级与元素节点处的三个平移自由度相关。指定质量，而不是重量并且必须将此质量与模型的区域关联。除了点质量外，Abaqus还提供了一种方便的非结构质量定义，该定义可用于从通常在与非结构特征相邻的区域上具有可忽略的结构刚度的特征涂抹质量。非结构质量可以以总质量值，每单位体积的质量，每单位面积的质量或每单位长度的质量的形式指定。当总质量分布在一个元素集区域上时，它可以与基础元素“结构”质量成比例或与初始配置中的元素体积成比例地分布。各向同性的材料在变形计算过程中需要采用各向同性硬化法则。材料达到屈服极限后，该法则规定屈服面基于同一中心向各方向均匀地扩张。假设材料在变形过冲中始终处于各向同性，忽略各向异性对材料变形的影响，即后继屈服函数的表达形式与其初始屈服函数完全相同。材料各向同性硬化准则的函数表达式如下：F=k=式中：k—是依赖于变形历史的硬化参数；εp“结构”质量定义为对非结构特征之外的元素的所有质量贡献之和。由于与该元素相关的任何材料定义，这可能包括质量。外壳，膜和表面单元的截面定义中给出的任何“单位面积质量”；壳，膜和表面元件中包含的任何钢筋的质量；以及梁/管道元件的截面定义中给出的任何附加惯性。如果该元素没有结构质量，则不允许对该元素进行非结构质量贡献。非结构质量即使省略了特征本身，也可以将非结构特征的质量贡献包括在模型中。非结构块被涂抹在通常与非结构特征相邻的元素集上。该元素集可以包含实体，壳体，膜，表面，梁，管道或桁架元素。非结构质量可以按以下形式指定：总质量值、每单位体积的质量、每单位面积的质量（对于包含常规壳，膜和/或表面元素的元素集），或每单位长度的质量（对于包含梁，管和/或桁架单元的单元集）。旋转惯性元件：允许在节点上包括旋转惯量；与一个节点的三个旋转自由度相关；和可以与MASS元素（点质量）配对以直接定义刚体的质量和惯性属性（刚体定义）。由于采用的是准静态成型的显示计算，根据牛顿第二定律F=ma,m=ρV可以算出质量的各向同性，即：m=ρV=2.7g/因为ABAQUS所有的输入数据必须保持一致性的量纲系统，所以可以确定其各向同性数值为0.000913。在四个参考点中，die为定点，可以不用设置各向同性与转动惯量，只需要为punch1，punch2，punch3设置各向同性及转动惯量。Special→Inertia→CreatName：punch1，punch2，punch3Type：Pointmass/inertiaMagnitude→Mass→Isotropic：9.13E-4I11：1I22：1I33：1图4-14转动惯量及各项同性设置Load进入Load模块，按照分析步定义加载。注：在Explicit模块中，设置加载速度比设置位移作为加载条件更准确，误差更小。1）Initial步：在起始步定义各零件静定的初始状态。①定义Blank在起始步的静定。a.CreateBoundaryCondition→Create→Name：BC-blankb.Step：Initialc.Region：Set-blankd.Category：Mechanicale.TypesforSelectedStep：Displacement/Rotationf.约束所有的位移：U1，U2，U3，UR1，UR2，UR3。②定义约束凹模的全部位移a.CreateBoundaryCondition→Create→Name：BC-dieb.Step：Initialc.Region：Set-died.Category：Mechanicale.TypesforSelectedStep：Symmetry/Antisymmetry/Encastre→选择Set-die→Encastre。③分别定义约束凹模的全部位移CreateBoundaryCondition→Create→Name：BC-punch1;BC-punch2;BC-punch3a.Step：Initialb.Category：Mechanicalc.TypesforSelectedStep：Velocity/Angularacceleration分别选择集合Set-punch1，Set-punch2，Set-punch3约束所有的速度。Punch1的边界条件设置如图4-15所示。图4-15Punch1的边界条件设置对话框Initail分析步边界条件总体设置如下表4-2所示。表4-2Initail分析步边界条件汇总边界条件名称几何集合边界条件BC-blankSet-blankU1，U2，U3，UR1，UR2，UR3BC-dieSet-dieENCASTREBC-punch1Set-punch1V1，V2，V3，VR1，VR2，VR3BC-punch2Set-punch2V1，V2，V3，VR1，VR2，VR3BC-punch3Set-punch3V1，V2，V3，VR1，VR2，VR32）punchcontact分析步所有的punch在punchcontact分析步先施加一小位移，建立接触。BC-blank位移约束从这个分析步至分析结束都失效。修改BC-punch1在Y方向的加载速度为-0.1，采用Amp-1的幅值曲线，配合幅值曲线的分析步时间，则位移为-0.001，设置如下图1.16所示。修改BC-punch2在Y方向的加载速度为-0.1，采用Amp-1的幅值曲线。修改BC-punch3在Y方向的加载速度为-0.1，采用Amp-1的幅值曲线。图4-16BC-punch1在punchcontact分析步的位移约束更改Punchcontact分析步边界条件总体设置及变更如下表1.3所示。表4-3Punchcontact分析步边界条件汇总边界条件名称几何集合边界条件BC-blankSet-blankInactiveBC-dieSet-dieENCASTREBC-punch1Set-punch1V1=0，V2=-0.1，V3=0，VR1=0，VR2=0，VR3=0，Amp-1BC-punch2Set-punch2V1=0，V2=-0.1，V3=0，VR1=0，VR2=0，VR3=0，Amp-1BC-punch3Set-punch3V1=0，V2=-0.1，V3=0，VR1=0，VR2=0，VR3=0，Amp-13）punchmove1分析步修改BC-punch1在Y方向的加载速度为-1600，采用Amp-2的幅值曲线，配合幅值曲线的分析步时间，则位移为-80，设置如下图4-17所示。图4-17BC-punch1在punchmove1分析步的约束更改Punchmove1分析步边界条件总体设置及变更如下表4-4所示。表4-4Punchmove1分析步边界条件汇总边界条件名称几何集合边界条件BC-blankSet-blankInactiveBC-dieSet-dieENCASTREBC-punch1Set-punch1V1=0，V2=-1600，V3=0，VR1=0，VR2=0，VR3=0，Amp-2BC-punch2Set-punch2V1=0，V2=-1600，V3=0，VR1=0，VR2=0，VR3=0，Amp-2BC-punch3Set-punch3V1=0，V2=-1600，V3=0，VR1=0，VR2=0，VR3=0，Amp-24）punchmove2分析步将BC-punch1在该分析步设为失效。修改BC-punch2，BC-punch3在Y方向采用Amp-3的幅值曲线，则在punchmove2分析步的位移为-126。Punchmove2分析步边界条件总体设置及变更如下表4-5所示。表4-5Punchmove2分析步边界条件汇