第3章塑性仿真缺陷預(yù)測

1、第第3章章 塑性仿真缺陷預(yù)測塑性仿真缺陷預(yù)測北大出版社配套電子課件北大出版社配套電子課件【本章學(xué)習(xí)目標】 了解塑性成形仿真的常見缺陷預(yù)測； 了解金屬的斷裂準則及斷裂仿真的預(yù)測； 了解DEFORM-3D軟件的缺陷預(yù)測； 了解利用DEFORM-3D軟件預(yù)測塑性成形工藝中如何提高準確度。【本章教學(xué)要點】【本章教學(xué)要點】知識要點能力要求相關(guān)知識塑性成形仿真的常見缺陷預(yù)測了解塑性成形仿真的常見缺陷預(yù)測塑性成形中的組織變化、失穩(wěn)現(xiàn)象、起皺及破裂金屬的斷裂準則及斷裂仿真了解常見的斷裂準則及測定方法斷裂產(chǎn)生的基本理論DEFORM-3D軟件的缺陷預(yù)測了解DEFORM-3D分析中的缺陷及預(yù)測折疊、充不滿、排氣問題

2、及斷裂的表現(xiàn)形式提高塑性成形數(shù)值仿真的精度了解塑性成形仿真中的有限元基本特點，結(jié)合仿真工序，掌握影響仿真精度的基本因素材料的準確描述，網(wǎng)格的劃分，摩擦的取值導(dǎo)入案例 金屬成形缺陷的預(yù)測研究是預(yù)防缺陷、提高質(zhì)量和控制成形的關(guān)鍵所在。 成形缺陷的發(fā)生直接影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量，能夠預(yù)見這些缺陷的發(fā)生，具有重要意義?？坩敺治龊蛯嶒瀸Ρ?塑性仿真缺陷預(yù)測 （1）成形過程的組織變化 塑性成形過程中材料組織性能的變化在金屬塑性成形過程中，伴隨著材料組織性能和微結(jié)構(gòu)的變化，例如變形誘導(dǎo)織構(gòu)和損傷的演化，熱加工過程中的相變與再結(jié)晶等等。一方面，材料的組織性能對材料的成形性能有很大的影響，在分析時要加以考慮。 由織

3、構(gòu)引起的塑性各向異性目前通常是采用宏觀的現(xiàn)象學(xué)模型，如Hill提出的兩種各向異性屈服準則加以考慮?？棙?gòu)演化可以利用晶體塑性理論進行分析，但目前對于織構(gòu)演化的預(yù)測主要還是定性的。 材料熱加工中的相變與再結(jié)晶要與變形分析與熱分析結(jié)合進行。具體材料在一定的溫度和應(yīng)力條件下相變轉(zhuǎn)化規(guī)律和晶粒長大規(guī)律以及各相力學(xué)性能與溫度的關(guān)系都要通過實驗測定。在這種分析中，要考慮變形、傳熱和組織轉(zhuǎn)變?nèi)叩南嗷ビ绊憽?2成形過程的穩(wěn)定性 一般說來，在彈塑性變形起始階段，變形模式是唯一的，即解是唯一的，也是穩(wěn)定的。隨著變形的進行，載荷的增加，新的變形模式成為可能，解失去唯一性。 受壓失穩(wěn)一般表現(xiàn)為由壓縮變形模式轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢?/p>

4、變形模式，如壓桿失穩(wěn)，板料成形中的起皺。受拉失穩(wěn)一般表現(xiàn)為由均勻變形模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫植炕淖冃文Ｊ?，最終變形集中于某一局部而發(fā)展成破裂，如圓棒或板料試件的拉伸斷裂，板料成形中的破裂。 3起皺和折疊的預(yù)測 板材沖壓成形過程十分復(fù)雜，成形中工件的起皺有一個產(chǎn)生和發(fā)展的過程。有的皺紋可以在加工中壓平消失，回彈過程中也可能出現(xiàn)皺紋。另外，如果皺紋只發(fā)生在要切除的部分，則對零件沒有影響。因此，對于板材成形過程的起皺分析通常是采用有限元模擬等數(shù)值方法來追蹤起皺的整個發(fā)展過程。破裂分析 (l）破裂的理論分析方法 損傷理論 采用損傷力學(xué)方法，分析變形中空洞的萌生、長大和連接，最后導(dǎo)致宏觀斷裂的過程。這種研究應(yīng)該與

5、微觀分析相結(jié)合。 塑性變形局部化理論 無論何種材料（單晶體、多單體或非晶體材料），其延性都受到應(yīng)變局部化（應(yīng)變集中）的限制，這說明采用連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法研究變形局部化問題是適宜的。當然，材料的微觀組織的不均勻性以及結(jié)構(gòu)本身的初始缺陷等，對于觸發(fā)變形的局部化有重要的影響。即變形局部化遲早是要發(fā)生的，但何時發(fā)生則受材料和結(jié)構(gòu)的不均勻性的影響。（2）金屬可成形性的經(jīng)驗準則 （1）塑性功準則 （2）臨界拉伸塑性功準則（Latham準則） （3）osakada等人提出的半經(jīng)驗準則3）板材的可成形性 在板材成形中，可成形性一般是由變形的穩(wěn)定性決定的。即出現(xiàn)變形局部化或起皺即標志著產(chǎn)生缺陷。對于成形極限曲線，

6、理論上也提出了一些根據(jù)材料參數(shù)進行預(yù)測的方法。(4)體積成形中的可成形性 體積成形中破裂的分類 體積成形中的破裂可分為如下三類：a自由表面破裂，發(fā)生于鐓粗及有關(guān)加工（如彎曲）；b由工件模具接觸表面開始發(fā)生的破裂；c工件內(nèi)部的破裂。 （2）表面開裂的經(jīng)驗準則 Kudo等人利用鐓粗實驗得出了如下出現(xiàn)表面破裂的直線條件。5）破裂預(yù)測 采用有限元法預(yù)測破裂時，大致有兩種做法： 在應(yīng)變集中處局部細分網(wǎng)格，當變形集中于某終單元而使其急劇變形甚至導(dǎo)致計算發(fā)散時，即認為該處發(fā)生破裂。若配合采用空單元技術(shù)，可追蹤破裂的發(fā)展過程。 采用有關(guān)經(jīng)驗的和理論的破裂準則（如損傷破裂準則、成形極限曲線、表面破裂的直線準則等

7、），即使不細分單元，也可將有限元模擬所得各離散點處的應(yīng)力、應(yīng)變值代入這些準則來預(yù)測破裂。5）破裂預(yù)測 （1）在應(yīng)變集中處局部細分網(wǎng)格，當變形集中于某終單元而使其急劇變形甚至導(dǎo)致計算發(fā)散時，即認為該處發(fā)生破裂。 （2）采用有關(guān)經(jīng)驗的和理論的破裂準則（如損傷破裂準則、成形極限曲線、表面破裂的直線準則等。5回彈分析 1）預(yù)測方法 成形加載過程模擬結(jié)束以后，已經(jīng)得到了工件變形后的形狀，應(yīng)力、應(yīng)變分布和表面力分布。 回彈分析應(yīng)采用隱式算法，避免采用動力顯式積分算法。 (2）預(yù)測精度 準確描述應(yīng)力沿工件厚向的分布對于準確地計算彎矩，從而準確地預(yù)測回彈有很大影響，適當增加沿厚向的積分點數(shù)（例如取7個點）有利

8、于提高回彈預(yù)測的精度。迄今為止，回彈分析的結(jié)果還不能令人感到滿意。這可能與校正彎曲所帶來的復(fù)雜性有關(guān)，這方面還有待于探索。3.2金屬的斷裂準則及斷裂行為數(shù)值模擬金屬的斷裂準則及斷裂行為數(shù)值模擬 在塑性成型工藝中，象擠壓和鍛造等，裂紋是主要缺陷之一，圖3-1是擠壓工藝有限元分析成功預(yù)測的人字型裂紋，這是由于工藝摩擦力太大，材料內(nèi)部受軸向拉應(yīng)力作用的結(jié)果。 在金屬的切削工藝中，是利用金屬的斷裂獲得最終產(chǎn)品，材料的韌性，刀具進給和速度等都直接影響切削的質(zhì)量，下圖為金屬切削工藝的有限元數(shù)值仿真。擠壓工藝人字型裂紋金屬切削材料斷裂切斷工藝材料的斷裂精沖材料斷裂后的產(chǎn)品2斷裂準則的測定凸 模凹 模板 料斷

9、裂準則測定原理沖 壓 深 度F裂 紋 產(chǎn) 生沖裁試驗和模擬分析裂紋產(chǎn)生比較相對間隙（）光亮帶高度（）試驗FEM3.3Deform軟件的缺陷預(yù)測軟件的缺陷預(yù)測 （1）充不滿情況 （2）折疊現(xiàn)象 （3）排氣問題引起的缺陷 （4）裂紋 3.4提高塑性成形數(shù)值仿真的精度提高塑性成形數(shù)值仿真的精度 1塑性有限元中的非線性1）材料的非線性 （2）塑性問題的應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系不一定是一一對應(yīng)的。2）摩擦邊界條件 目前摩擦問題有限元模擬的理論有：經(jīng)典干摩擦定律、以切向相對滑移為函數(shù)的摩擦理論和類似于彈塑性理論形式的摩擦理論。閉式模鍛的有限元模型 3）動態(tài)接觸邊界的處理 金屬塑性成形過程為非穩(wěn)態(tài)的大變形成形過程。在

10、有限元模擬過程中，變形體的形狀不斷變化，它與模具的接觸狀態(tài)也不斷變化，形成了工件、模具間的動態(tài)接觸表面。因此在有限元模擬中每一加載步收斂后，對這些節(jié)點的邊界條件均需進行相應(yīng)的修改，即進行動態(tài)邊界條件處理。2提高塑性成形數(shù)值仿真精度的途徑 1)材料的準確描述 準確描述變形材料是整個有限元數(shù)值模擬仿真的基礎(chǔ)，比如一般金屬材料的性能包括其彈性（elastic）性能、塑性(plastic)性能、熱傳導(dǎo)(thermal)性能、擴散(diffusion)性能、再結(jié)晶(grain)性能和加工硬化(hardness)性能等。2)網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)定 為了提高模擬的質(zhì)量，網(wǎng)格劃分是越多越好。但這種模擬質(zhì)量的提高是以大幅度降低計算機模擬的運算速度為代價的。一般用戶都是針對具體工藝對網(wǎng)格質(zhì)量進行控制，對產(chǎn)品變形部位較大的部位進行細化。 不良網(wǎng)格劃分 精確網(wǎng)格劃分 1600210018501600 不良溫度傳導(dǎo)分析 精確溫度傳導(dǎo)分析（2）邊界條件的設(shè)定。 0.1摩擦系數(shù)鐓環(huán)結(jié)果 0.7摩擦系數(shù)鐓環(huán)結(jié)果 3)模擬過程網(wǎng)格調(diào)整和重劃分 在塑性成形模擬中，經(jīng)常遇到塑性變形區(qū)內(nèi)材料發(fā)生較大應(yīng)變，有限元網(wǎng)格會產(chǎn)生嚴重畸變，致使模擬結(jié)果失真或模擬過程終止。另外，工件和模具接觸表面的相對速度有時很大，有時會發(fā)生相互嵌入的不正常現(xiàn)象 。為了解決上