板材彎曲數(shù)值模擬設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

中南林業(yè)科技大學(xué)畢 業(yè) 論 文2007 年 6 月前 言有 限 單 元 法 是 隨 著 電 子 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 而 迅 速 發(fā) 展 起 來(lái) 的 一 種 現(xiàn) 代 計(jì)算 方 法 。 它 是 50 年 代 首 先 在 連 續(xù) 體 力 學(xué) 領(lǐng) 域 -飛 機(jī) 結(jié) 構(gòu) 靜 、 動(dòng) 態(tài) 特 性分 析 中 應(yīng) 用 的 一 種 有 效 的 數(shù) 值 分 析 方 法 ， 隨 后 很 快 廣 泛 的 應(yīng) 用 于 求 解 熱傳 導(dǎo) 、 電 磁 場(chǎng) 、 流 體 力 學(xué) 等 連 續(xù) 性 問(wèn) 題 。 有 限 元 法 最 初 被 稱 為 矩 陣 近似 方 法 ， 應(yīng) 用 于 航 空 器 的 結(jié) 構(gòu) 強(qiáng) 度 計(jì) 算 ， 并 由 于 其 方 便 性 、 實(shí) 用 性 和 有效 性 而 引 起 從 事 力 學(xué) 研 究 的 科 學(xué) 家 的 濃 厚 興 趣 。 經(jīng) 過(guò) 短 短 數(shù) 十 年 的 努 力 ，隨 著 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 快 速 發(fā) 展 和 普 及 ， 有 限 元 方 法 迅 速 從 結(jié) 構(gòu) 工 程 強(qiáng) 度 分析 計(jì) 算 擴(kuò) 展 到 幾 乎 所 有 的 科 學(xué) 技 術(shù) 領(lǐng) 域 ， 成 為 一 種 豐 富 多 彩 、 應(yīng) 用 廣 泛并 且 實(shí) 用 高 效 的 數(shù) 值 分 析 方 法 。 將 有 限 元 分 析 應(yīng) 用 于 沖 壓 工 藝 的 模 具設(shè) 計(jì) 中 ， 可 以 避 免 僅 憑 經(jīng) 驗(yàn) 和 試 制 這 種 傳 統(tǒng) 的 模 具 設(shè) 計(jì) 方 法 所 帶 來(lái) 的 弊端 ， 可 以 節(jié) 省 昂 貴 的 模 具 試 驗(yàn) 費(fèi) 用 ， 指 導(dǎo) 模 具 設(shè) 計(jì) 制 造 ， 縮 短 產(chǎn) 品 更 新周 期 。本 次 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 就 是 應(yīng) 用 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS 對(duì) 板 材 的 彎 曲 過(guò)程 進(jìn) 行 模 擬 仿 真 ， 對(duì) 板 材 彎 曲 后 的 應(yīng) 力 和 變 形 情 況 進(jìn) 行 計(jì) 算 分 析 并查 找 面 板 彎 曲 后 最 大 應(yīng) 力 和 最 大 變 形 的 發(fā) 生 點(diǎn) ， 通 過(guò) 方 案 對(duì) 比 得 出模 具 結(jié) 構(gòu) 的 最 佳 工 藝 參 數(shù) 即 最 佳 的 凸 、 凹 間 隙 ， 優(yōu) 化 模 具 的 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 。這 次 設(shè) 計(jì) 是 在 參 閱 了 大 量 文 獻(xiàn) 并 在 張 艷 君 導(dǎo) 師 的 輔 導(dǎo) 下 完 成 的 。由 于 本 人 設(shè) 計(jì) 經(jīng) 驗(yàn) 不 足 ， 所 學(xué) 知 識(shí) 有 限 ， 錯(cuò) 誤 之 處 在 所 難 免 ， 敬請(qǐng) 各 位 老 師 批 評(píng) 指 正 ， 以 便 完 善 。編 者 目 錄中文摘要1英文摘要21 緒論1.1 CAE 技術(shù)1.2 有限單元法1.3 ANSYS 軟件1.4 本章小結(jié)2 金屬工藝數(shù)值模擬2.1 基本概念2.2 基本原理2.3 作用2.4 本章小結(jié)3 彎曲工藝機(jī)理分析3.1 板料彎曲變形分析3.2 板料回彈的機(jī)理分析3.3 本章小結(jié)4 參數(shù)計(jì)算及方案確定4.1 問(wèn)題描述4.2 門面板成形工藝過(guò)程4.3 計(jì)算過(guò)程4.4 方案確定4.5 本章小結(jié)5 ANSYS 建模簡(jiǎn)化5.1 模型的簡(jiǎn)化與分析5.2 板料彎曲過(guò)程的簡(jiǎn)化5.3 本章小結(jié)6 彎曲工藝的 ANSYS 分析6.1 前處理操作6.2 求解操作6.3 后處理操作6.4 本章小結(jié)7 結(jié)果與誤差分析7.1 面板的回彈分析7.2 面板的應(yīng)力分析7.3 本章小結(jié)結(jié) 語(yǔ)致 謝參考文獻(xiàn)中 文 摘 要本設(shè)計(jì)是采用有限元分析軟件 ANSYS，對(duì)板材彎曲成形過(guò)程進(jìn)行模擬仿真，根據(jù)理論間隙值范圍調(diào)整凸、凹模單邊間隙，分析回彈和應(yīng)力集中區(qū)。通過(guò)分析比較得到較理想的間隙值，從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的效果。通過(guò)準(zhǔn)確地模擬出模具與板料之間的動(dòng)態(tài)接觸，在全面分析板料與模具接觸邊界動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合 ANSYS 軟件給出了模型的幾何描述、接觸算法選擇、接觸摩擦模型的建立等具體方法。通過(guò)具體應(yīng)用實(shí)例分析，證明了這些方法應(yīng)用于板料彎曲成形分析的可行性，而其變形規(guī)律具有一定的典型性。研究這類彎曲件的成形規(guī)律，不僅對(duì)這類件成形工藝參數(shù)和工藝步驟的確定是至關(guān)重要的，同時(shí)也是進(jìn)一步認(rèn)識(shí)復(fù)雜件成形規(guī)律的基礎(chǔ)。應(yīng)用 ANSYS 軟件對(duì)板材彎曲成形過(guò)程進(jìn)行有限元分析并優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以避免許多由傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法所導(dǎo)致的設(shè)計(jì)缺陷，提高成品率和生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞 有限元 ANSYS 彎曲 模擬仿真 間隙 回彈 應(yīng)力 規(guī)律外 文 摘 要 Title Gate Kneading Board Curving Forming Value SimulationAbstractThis design uses finite element analysis software ANSYS, carries on the simulation simulation to the sheet curving forming process, according to theory gap value range adjustment raised, concave mold unilateral gap, analysis snapping back and stress concentration area. Obtains the ideal gap value through the analysis comparison, thus achieves the optimized design the effect. Through simulates between the mold and the sheet dynamic contact accurately, contacts the boundary dynamic change in the comprehensive analysis sheet and the mold in the foundation, unified the ANSYS software to give the model geometry description, the contact algorithm choice, the contact friction model establishment and so on the concrete method. Through the concrete application example analysis, had proven these methods apply in the sheet curving forming analysis feasibility， But its distortion rule has certain typical nature. Studies this kind of curving formed rule, not only to this kind of formed craft parameter and the craft step determination is very important, simultaneously also is further knows the duplicate miscellaneous items forming rule the foundation. Visits the kneading board curving forming process using the ANSYS software to the refrigerator to carry on the finite element analysis and to optimize the design, may avoid many the design flaw which causes by the traditional mold design method, enhances the rate of finished products and the production efficiency. Keywords Finite element ANSYS curving simulation gap snapping back stress rule1.緒 論1.1 CAE 技術(shù)1.1.1 CAE 的概念與分類CAE 是計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-Aided Engineering)的英文簡(jiǎn)稱，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)可以建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)，并模擬產(chǎn)品及零件的工況，對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行工程校驗(yàn)、有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，企業(yè)應(yīng)用 CAE 能有效地對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行仿真檢測(cè)，確定產(chǎn)品和零件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并極大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。在產(chǎn)品維護(hù)檢修階段能分析產(chǎn)品故障原因，分析質(zhì)量因素等。 有限元分析在 CAE 中運(yùn)用最廣，有限單元法的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個(gè)簡(jiǎn)單單元的組合，用這些單元的集合來(lái)模擬或逼近原來(lái)的物體，從而將一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題。物體被離散后，通過(guò)對(duì)其中各個(gè)單元進(jìn)行單元分析，最終得到對(duì)整個(gè)物體的分析結(jié)構(gòu)。隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷增大和逼近真實(shí)情況。如圖 1-1 所示為現(xiàn)行 CAE 軟件的結(jié)構(gòu)示意圖:CAE 軟件可分為專用與通用兩類，前者主要是針對(duì)特定類型的工程或產(chǎn)品所開(kāi)發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析，預(yù)測(cè)和優(yōu)化的軟件，它以在某個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用深入而見(jiàn)長(zhǎng)，如美國(guó) ETA 公司的汽車專用 CAE 軟件 LS/YNA3D 及 ETA/FEMB 等。通用型軟件可對(duì)多種類型工程和產(chǎn)品的物理力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)利優(yōu)化 ，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的軟件，它以覆蓋的應(yīng)用范圍廣而著稱，如ANSYS、NASTRAN、MARC 等 。CAE 軟件的主要價(jià)值在于：在設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行加工、性能和安全可靠性的模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并預(yù)測(cè)工程產(chǎn)品的可靠性與實(shí)用性，為工程實(shí)施、產(chǎn)品創(chuàng)新提供技術(shù)保障。CAE 技術(shù)的發(fā)展動(dòng)力是 CAD/CAM 技術(shù)水平和應(yīng)用水平的提高，CAE 技術(shù)的發(fā)展條件是計(jì)算機(jī)及圖形顯示設(shè)備的推出，CAE 軟件的理論基礎(chǔ)是有限元、邊界元法等現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)方法，其核心內(nèi)容是計(jì)算機(jī)模擬和仿真。1.1.2 CAE 的作用與發(fā)展美國(guó)上市公司 Moldflow 公司是專業(yè)從事注塑成型 CAE 軟件和咨詢公司，自 1976 年發(fā)行了世界上第一套流動(dòng)分析軟件以來(lái)，一直主導(dǎo)塑料成型 CAE 軟件市場(chǎng)。近幾年，在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用 CAE 技術(shù)可以在模具加工前，在計(jì)算機(jī)上對(duì)整個(gè)注塑成型過(guò)程進(jìn)行模擬分析，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)修改制件和模具設(shè)計(jì)，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對(duì)傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法的一次突破，而且對(duì)減少甚至避免模具返修報(bào)廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。塑料模具的設(shè)計(jì)不但要采用 CAD 技術(shù)，而且還要采用 CAE 技術(shù)。這是發(fā)展的必然趨勢(shì)。注塑成型分兩個(gè)階段，即開(kāi)發(fā)/設(shè)計(jì)階段（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和模具制造）和生產(chǎn)階段（包括購(gòu)買材料、試模和成型） 。傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前，由于設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)與直覺(jué)設(shè)計(jì)模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，不僅需要重新設(shè)置工藝參數(shù)，甚至還需要修改塑料制品和模具設(shè)計(jì)，這勢(shì)必增加生產(chǎn)成本，延長(zhǎng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。采用 CAE 技術(shù)，可以完全代替試模，CAE 技術(shù)提供了從制品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案，在模具制造之前，預(yù)測(cè)塑料熔體在型腔中的整個(gè)成型過(guò)程，幫助研判潛在的問(wèn)題，有效地防止問(wèn)題發(fā)生，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。近年來(lái)，CAE 技術(shù)在注塑成型領(lǐng)域中的重要性日益增大，采用 CAE 技術(shù)可以全面解決注塑成型過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題。CAE 分析技術(shù)能成功地應(yīng)用于三組不同的生產(chǎn)過(guò)程，即制品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和注塑成型。制品設(shè)計(jì)制品設(shè)計(jì)者能用流動(dòng)分析解決下列問(wèn)題：(1) 制品能否全部注滿 這一古老的問(wèn)題仍為許多制品設(shè)計(jì)人員所注目，尤其是大型制件，如蓋子、容器和家具等。(2) 制件實(shí)際最小壁厚 如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。減小壁厚還可大大降低制件的循環(huán)時(shí)間，從而提高生產(chǎn)效率，降低塑件成本。(3)澆口位置是否合適 采用 CAE 分析可使產(chǎn)品設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)具有充分的選擇澆口位置的余地，確保設(shè)計(jì)的審美特性。模具設(shè)計(jì)和制造CAE 分析可在以下諸方面輔助設(shè)計(jì)者和制造者，以得到良好的模具設(shè)計(jì)：(1) 良好的充填形式 對(duì)于任何的注塑成型來(lái)說(shuō)，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、經(jīng)濟(jì)。單向充填是一種好的注塑方式，它可以提高塑件內(nèi)部分子單向和穩(wěn)定的取向性。這種填充形式有助于避免因不同的分子取向所導(dǎo)致的翹曲變形。(2)最佳澆口位置與澆口數(shù)量 為了對(duì)充填方式進(jìn)行控制，模具設(shè)計(jì)者必須選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制的澆口位置和數(shù)量，CAE 分析可使設(shè)計(jì)者有多種澆口位置的選擇方案并對(duì)其影響作出評(píng)價(jià)。(3)流道系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 實(shí)際的模具設(shè)計(jì)往往要反復(fù)權(quán)衡各種因素，盡量使設(shè)計(jì)方案盡善盡美。通過(guò)流動(dòng)分析，可以幫助設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出壓力平衡、溫度平衡或者壓力、溫度均平衡的流道系統(tǒng)，還可對(duì)流道內(nèi)剪切速率和摩擦熱進(jìn)行評(píng)估，如此，便可避免材料的降解和型腔內(nèi)過(guò)高的熔體溫度。(4)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì) 通過(guò)分析冷卻系統(tǒng)對(duì)流動(dòng)過(guò)程的影響，優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條件，從而產(chǎn)生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應(yīng)力。(5)減小反修成本 提高模具一次試模成功的可能性是 CAE 分析的一大優(yōu)點(diǎn)。反復(fù)地試模、修模要耗損大量的時(shí)間和金錢。此外，未經(jīng)反復(fù)修模的模具，其壽命也較長(zhǎng)。注塑成型注塑者可望在制件成本、質(zhì)量和可加工性方面得到 CAE 技術(shù)的幫助：(1) 更加寬廣更加穩(wěn)定的加工“ 裕度” 流動(dòng)分析對(duì)熔體溫度、模具溫度和注射速度等主要注塑加工參數(shù)提出一個(gè)目標(biāo)趨勢(shì)，通過(guò)流動(dòng)分析，注塑者便可估定各個(gè)加工參數(shù)的正確值，并確定其變動(dòng)范圍。會(huì)同模具設(shè)計(jì)者一起，他們可以結(jié)合使用最經(jīng)濟(jì)的加工設(shè)備，設(shè)定最佳的模具方案。(2) 減小塑件應(yīng)力和翹曲 選擇最好的加工參數(shù)使塑件殘余應(yīng)力最小。殘余應(yīng)力通常使塑件在成型后出現(xiàn)翹曲變形，甚至發(fā)生失效。(3) 省料和減少過(guò)量充模 流道和型腔的設(shè)計(jì)采用平衡流動(dòng)，有助于減少材料的使用和消除因局部過(guò)量注射所造成的翹曲變形。(4)最小的流道尺寸和回用料成本 流動(dòng)分析有助于選定最佳的流道尺寸。以減少澆道部分塑料的冷卻時(shí)間，從而縮短整個(gè)注射成型的時(shí)間，以及減少變成回收料或者廢料的澆道部分塑料的體積。1.2 有限單元法1.2.1 基本概念與發(fā)展有限單元法是應(yīng)用數(shù)值分析技術(shù)并借助于電子計(jì)算機(jī)的高速、大容量的功能把復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度及動(dòng)態(tài)特性分析計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為概念淺顯、容易掌握、適應(yīng)范圍廣泛和精確度高的一種分析計(jì)算方法。其基本概念是用較簡(jiǎn)單的問(wèn)題代替復(fù)雜問(wèn)題后再求解。它將求解域看成是有許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單）的近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件）從而得到問(wèn)題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解。由于大多數(shù)實(shí)際問(wèn)題難以得到準(zhǔn)確解而有限元不僅計(jì)算精度高而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限單元法最初是在二十世紀(jì)五十年代