金屬塑性成形三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

1、2010年第21期（總第156期）NO.21.2010（CumulativetyNO.156）金屬塑性成形三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用張 華（湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙 410151）摘要：文章闡述了三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用和發(fā)展趨勢，通過實例介紹了DEFORM3D數(shù)值模擬軟件的應(yīng)用及模擬中的注意事項，有助于更深入地研究、推廣和應(yīng)用三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)。關(guān)鍵詞：金屬塑性成形；三維有限元；數(shù)值模擬技術(shù)；有限元法；DEFORM3D中圖分類號：TG376文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374 （2010）21-0082-02近年來，隨著計算科學(xué)的快速發(fā)展和有限元技

2、術(shù)應(yīng)用的日益成熟，數(shù)值模擬技術(shù)模擬分析金屬在塑性變形過程中的流動規(guī)律在現(xiàn)實生產(chǎn)中得到愈來愈廣泛的應(yīng)用，不僅大大縮短了模具和新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的市場競爭能力，而且有利于將有限元分析法和傳統(tǒng)的實驗方法結(jié)合起來，從而推動現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展。在鍛造成形中，大多數(shù)變形過程由于不能簡化成二維變形過程進(jìn)行處理，所以有限元法數(shù)值模擬在鍛造成形中的應(yīng)用以三維模擬分析為主。1三維有限元數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用有限元法數(shù)值模擬在鍛造成形中的應(yīng)用最早是進(jìn)行二維的模擬分析。二維模擬分析技術(shù)發(fā)展比較成熟，經(jīng)過適當(dāng)簡化，能夠模擬普通的平面應(yīng)變、應(yīng)力和軸對稱成形等較簡單問題。但生產(chǎn)中，大多數(shù)零件形狀比較

3、復(fù)雜，影響因素多，如果仍然作為平面或軸對稱問題來處理，所得結(jié)果與實際相比會有較大差距，進(jìn)行三維有限元模擬是解決此類問題的有效途徑。數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用主要基于20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的有限單元數(shù)值計算方法。20世紀(jì)80年代早期，美國Battelle研究室在美國空軍的資助下開發(fā)的有限元程序ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)是塑性成形數(shù)值模擬技術(shù)的開始。當(dāng)時該技術(shù)只能分析平面問題和軸對稱問題，不能劃分網(wǎng)格，也沒有考慮非線性問題。但到1985年，美國已經(jīng)有6家大公司使用該軟件。隨后幾年，開發(fā)人員將程序逐漸完善

4、，發(fā)展成為商品化分析軟件DEFORM。后來許多分析軟件如：ANSYS、ABAQUS和MARC/Auto Forge等也如雨后春筍般出現(xiàn)，數(shù)值模擬軟件進(jìn)入了快速發(fā)展時期。當(dāng)前塑性成形過程模擬在工業(yè)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)進(jìn)入實用階段。正是由于計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱秒A段，經(jīng)典的塑性加工理論真正達(dá)到了實際使用，使得塑性成形成為一- -82門真正的科學(xué)。通過數(shù)值模擬，可以回答經(jīng)驗設(shè)計時無法回答的問題，了解金屬塑性成形的全過程，包括金屬成形過程中各階段材料的填充情況、材料變形的趨勢、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、成形載荷及速度矢量場。這對金屬塑性成形工藝設(shè)計、模具設(shè)計、金屬毛坯的設(shè)計、壓力機(jī)的選擇以及成形

5、質(zhì)量的控制等具有很大的現(xiàn)實意義。因此，國際國內(nèi)許多學(xué)者都對塑性成形過程的數(shù)值模擬進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多研究成果。國內(nèi)具有代表性的有：江雄心等人對空心直齒圓柱齒輪的精鍛成形過程進(jìn)行三維剛塑性有限元模擬和實驗研究，得出了直齒圓柱齒輪精鍛過程的金屬流動規(guī)律和變形力學(xué)特征，揭示了直齒圓柱齒輪精鍛過程的變形機(jī)理；肖紅生和吳希林等人探索了溫鍛精密成形數(shù)值模擬的方法和實現(xiàn)途徑，運(yùn)用三維有限元分析了棘爪零件的溫鍛成形工步，并用模擬結(jié)果指導(dǎo)了該零件的成形工藝和模具設(shè)計；陳澤中進(jìn)行了直齒圓柱齒輪鐓擠精鍛模擬；寇冠清對直齒圓柱齒輪冷精鍛成形過程進(jìn)行了三維大變形彈塑性有限元數(shù)值模擬，對閉式模鍛預(yù)鍛及以閉式模鍛

6、、孔分流及約束分流為終鍛的兩步成形過程的金屬流動情況進(jìn)行了數(shù)值分析，為此類工件的鍛造提供了參考。2DEFORM3D數(shù)值模擬軟件簡介目前，在塑性體積成形有限元分析領(lǐng)域，DEFORM(Design Environment for Forming)系統(tǒng)是世界上較流行的實用商業(yè)軟件，它包括二維有限元分析軟件DEFORM-2D與三維有限元分析軟件DEFORM-3D。它是美國SFTC公司(Scientific Forming Technologies Corporation)在S.Kobayashi等人的研究工作以及由S.I.Oh等開發(fā)的ALPID軟件的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，已在美國、日本、德國等國的實際生產(chǎn)

7、和科研中得到大量成功的應(yīng)用，并得到世界同行的公認(rèn)。采用DEFORM軟件進(jìn)行成形過程仿真分析，可獲得大量工藝設(shè)計所需要的信息，如：材料流動狀況的跟蹤、成形缺陷的預(yù)測、應(yīng)變、應(yīng)變速率和應(yīng)力分布、溫度場的分布情況以及成形載荷與模具行程的關(guān)系等。DEFORM有別于其它通用的有限元軟件，是專為金屬成形而設(shè)計、為工藝工程師和模具設(shè)計工程師量身定做的軟件。DEFORM主旨在于幫助設(shè)計人員在制造周期的早期能夠檢查、了解和修正潛在的問題或缺陷。它具有良好的用戶界面、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理簡便，從而使設(shè)計者能夠撇開復(fù)雜的計算機(jī)系統(tǒng)而專心研究成形工藝，該軟件最大的特點是具有分析大變形問題基于變量密度的自適應(yīng)網(wǎng)格自動劃分功能

8、，實用性強(qiáng)。由于二維和三維圖形系統(tǒng)功能的差異，DEFORM分為DEFORM-2D和DEFORM-3D兩個相對獨立的模塊。DEFDRM-2D用于軸對稱和平面變形問題的分析，其圖形建模系統(tǒng)包括XYR和直線圓弧兩種數(shù)據(jù)輸入模式，也有IGES， DXF等標(biāo)準(zhǔn)圖形輸入接口；DEFORM-3D則只有STL、PATRAN、IDEAS等圖形輸入接口，但其它功能基本相同。根據(jù)自身的情況建立產(chǎn)品材質(zhì)庫。(2)DEFORM3D的模擬過程是在絕對理想環(huán)境下的進(jìn)行，而實際生產(chǎn)情況下則存在各種各樣的干擾因素，所以模擬結(jié)果存在偏離。在模擬過程中工藝人員要根據(jù)自己的知識和經(jīng)驗不斷調(diào)整模擬中的一些相關(guān)參數(shù)糾正此類干擾。(3)使

9、用DEFORM3DM對大型件、復(fù)雜件進(jìn)行輔助模擬時，耗時比較嚴(yán)重，此時可以采用化復(fù)雜為簡單的方法。如利用等溫變形代替非等溫變形、略模具或坯料中一些次要的幾DEFORM-2D/3D主要由前處理(Preprocessor)、有限元分析(Simulation)、后處理(Postprocessor)三大模塊組成。3應(yīng)用實例3.1以弧面凸輪等溫擠壓成形為例本實例使用DEFORM3D軟件，采用三維剛塑性有限元模擬技術(shù)，研究了弧面凸輪等溫擠壓成形機(jī)理。弧面凸輪是弧面凸輪分度機(jī)構(gòu)的重要零件，為了驗證弧面凸輪等溫擠壓工藝的可行性，建立了如圖1所示的有限元分析模型：圖1 有限元分析模型模擬初始條件設(shè)定如下：成形材

10、料：40Cr；初始坯料尺寸：49 mm×152mm加熱溫度：750；模具加熱溫度為750左右；摩擦系數(shù)為0.25；沖頭移動速度為10mm/s。采用DEFORM3D軟件基于剛粘塑性有限元法進(jìn)行模擬，得到了如圖2所示的模擬結(jié)果：圖2可見，采用三維有限元模擬技術(shù)，能得到等溫擠壓的應(yīng)力應(yīng)變分布、擠壓件表面變形形狀和模具的受力情況及材料流動狀況等重要信息，有助于認(rèn)識擠壓件缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，有助于深入探討等溫擠壓工藝的成形機(jī)理等。3.2數(shù)值模擬中的注意事項使用DEFORM3D進(jìn)行數(shù)值模擬時，需注意以下幾點：(1)成形材料的材質(zhì)選擇是整個模擬的關(guān)鍵，直接影響到模擬的精度，因此在DEFORM中建立屬于

11、企業(yè)自己產(chǎn)品的材質(zhì)庫則是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。對于我國的加工制造企業(yè)一定要何形狀、減小并使用合理的網(wǎng)格分配、盡量去除增加網(wǎng)格重新劃分的因素等。在取得合適的工藝方法后，再針對其進(jìn)行高精度模擬。4技術(shù)展望目前，三維有限元模擬技術(shù)在金屬塑性加工中的應(yīng)用正朝著擴(kuò)大適應(yīng)性，提高實用性和精確性的方向發(fā)展，以下的工作將會成為研究的重點并有望取得一定突破。4.1探討有效的網(wǎng)格劃分與重劃分算法在金屬塑性成形過程的三維有限元模擬中，常出現(xiàn)網(wǎng)格畸變、計算精度降低、迭代結(jié)果不能收斂等現(xiàn)象，為了能完整、準(zhǔn)確地模擬大變形金屬塑性成形過程，需進(jìn)行網(wǎng)格劃分與重劃分。由于三維網(wǎng)格具有空間幾何實體描述的復(fù)雜性，使得三維網(wǎng)格的劃分和重劃分

12、嚴(yán)重制約著有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，所以探討行之有效的網(wǎng)格劃分和重劃分算法是亟待解決的問題。4.2金屬塑性加工中的接觸和摩擦問題有待于進(jìn)一步研究到目前為止，人們對摩擦的本質(zhì)機(jī)理認(rèn)識還不夠，摩擦理論描述還不準(zhǔn)確，沒有一種理想的物理模型或數(shù)學(xué)模型能全面、準(zhǔn)確地描述金屬塑性加工中的摩擦效應(yīng)。4.3增強(qiáng)幾何模型建造功能目前的有限元模擬軟件大都僅具有簡單幾何造型功能，對于復(fù)雜幾何模型的建造往往借助于大型的CAD專用軟件。所以，很有必要在有限元模擬軟件的前處理模塊中增強(qiáng)幾何造型功能，使之具備較為復(fù)雜對象的幾何造型功能。4.4模擬技術(shù)與CAD/CAM系統(tǒng)相結(jié)合將模擬和優(yōu)化軟件與CAD/CAM系統(tǒng)有效結(jié)合，將為企業(yè)的生產(chǎn)部門提供一個集計劃、設(shè)計到生產(chǎn)和質(zhì)量保證為一體的高效信息系統(tǒng)，以實現(xiàn)有限元軟件的專業(yè)化和智能化。總之，數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形過程的應(yīng)用可以有效地解決金屬塑性成形過程中模具設(shè)計制造存在的許多問題，為工藝人員提供一個方便可靠的設(shè)計環(huán)境，工藝人員可以直接看到模擬結(jié)果，隨時調(diào)整工藝參數(shù)、修改模具，直至得到比較理想的結(jié)果，達(dá)到事半功倍