第3章塑性仿真缺陷預測

1、第第3章章 塑性仿真缺陷預測塑性仿真缺陷預測北大出版社配套電子課件北大出版社配套電子課件【本章學習目標】 了解塑性成形仿真的常見缺陷預測； 了解金屬的斷裂準則及斷裂仿真的預測； 了解DEFORM-3D軟件的缺陷預測； 了解利用DEFORM-3D軟件預測塑性成形工藝中如何提高準確度?！颈菊陆虒W要點】【本章教學要點】知識要點能力要求相關知識塑性成形仿真的常見缺陷預測了解塑性成形仿真的常見缺陷預測塑性成形中的組織變化、失穩(wěn)現象、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生的基本理論DEFORM-3D軟件的缺陷預測了解DEFORM-3D分析中的缺陷及預測折疊、充不滿、排氣問題

2、及斷裂的表現形式提高塑性成形數值仿真的精度了解塑性成形仿真中的有限元基本特點，結合仿真工序，掌握影響仿真精度的基本因素材料的準確描述，網格的劃分，摩擦的取值導入案例 金屬成形缺陷的預測研究是預防缺陷、提高質量和控制成形的關鍵所在。 成形缺陷的發(fā)生直接影響生產和產品質量，能夠預見這些缺陷的發(fā)生，具有重要意義。扣釘分析和實驗對比 塑性仿真缺陷預測 （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構的變化，例如變形誘導織構和損傷的演化，熱加工過程中的相變與再結晶等等。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、構引起的塑性各向異性目前通常是采用宏觀的現象學模型，如Hill提出的兩種各向異性屈服準則加以考慮?？棙嬔莼梢岳镁w塑性理論進行分析，但目前對于織構演化的預測主要還是定性的。 材料熱加工中的相變與再結晶要與變形分析與熱分析結合進行。具體材料在一定的溫度和應力條件下相變轉化規(guī)律和晶粒長大規(guī)律以及各相力學性能與溫度的關系都要通過實驗測定。在這種分析中，要考慮變形、傳熱和組織轉變三者的相互影響。 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)一般表現為由壓縮變形模式轉變?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)一般表現為由均勻變形模式轉變?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起皺和折疊的預測 板材沖壓成形過程十分復雜，成形中工件的起皺有一個產生和發(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 采用損傷力學方法，分析變形中空洞的萌生、長大和連接，最后導致宏觀斷裂的過程。這種研究應該與

5、微觀分析相結合。 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），其延性都受到應變局部化（應變集中）的限制，這說明采用連續(xù)介質力學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構本身的初始缺陷等，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)生則受材料和結構的不均勻性的影響。（2）金屬可成形性的經驗準則 （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。即出現變形局部化或起皺即標志著產生缺陷。對于成形極限曲線，

6、理論上也提出了一些根據材料參數進行預測的方法。(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工件內部的破裂。 （2）表面開裂的經驗準則 Kudo等人利用鐓粗實驗得出了如下出現表面破裂的直線條件。5）破裂預測 采用有限元法預測破裂時，大致有兩種做法： 在應變集中處局部細分網格，當變形集中于某終單元而使其急劇變形甚至導致計算發(fā)散時，即認為該處發(fā)生破裂。若配合采用空單元技術，可追蹤破裂的發(fā)展過程。 采用有關經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力、應變值代入這些準則來預測破裂。5）破裂預測 （1）在應變集中處局部細分網格，當變形集中于某終單元而使其急劇變形甚至導致計算發(fā)散時，即認為該處發(fā)生破裂。 （2）采用有關經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）預測方法 成形加載過程模擬結束以后，已經得到了工件變形后的形狀，應力、應變分布和表面力分布。 回彈分析應采用隱式算法，避免采用動力顯式積分算法。 (2）預測精度 準確描述應力沿工件厚向的分布對于準確地計算彎矩，從而準確地預測回彈有很大影響，適當增加沿厚向的積分點數（例如取7個點）有利

8、于提高回彈預測的精度。迄今為止，回彈分析的結果還不能令人感到滿意。這可能與校正彎曲所帶來的復雜性有關，這方面還有待于探索。3.2金屬的斷裂準則及斷裂行為數值模擬金屬的斷裂準則及斷裂行為數值模擬 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測的人字型裂紋，這是由于工藝摩擦力太大，材料內部受軸向拉應力作用的結果。 在金屬的切削工藝中，是利用金屬的斷裂獲得最終產品，材料的韌性，刀具進給和速度等都直接影響切削的質量，下圖為金屬切削工藝的有限元數值仿真。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 生沖裁試驗和模擬分析裂紋產生比較相對間隙（）光亮帶高度（）試驗FEM3.3Deform軟件的缺陷預測軟件的缺陷預測 （1）充不滿情況 （2）折疊現象 （3）排氣問題引起的缺陷 （4）裂紋 3.4提高塑性成形數值仿真的精度提高塑性成形數值仿真的精度 1塑性有限元中的非線性1）材料的非線性 （2）塑性問題的應力與應變關系不一定是一一對應的。2）摩擦邊界條件 目前摩擦問題有限元模擬的理論有：經典干摩擦定律、以切向相對滑移為函數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的修改，即進行動態(tài)邊界條件處理。2提高塑性成形數值仿真精度的途徑 1)材料的準確描述 準確描述變形材料是整個有限元數值模擬仿真的基礎，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(thermal)性能、擴散(diffusion)性能、再結晶(grain)性能和加工硬化(hardness)性能等。2)網格劃分和邊界條件設定 為了提高模擬的質量，網格劃分是越多越好。但這種模擬質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格質量進行控制，對產品變形部位較大的部位進行細化。 不良網格劃分 精確網格劃分 1600210018501600 不良溫度傳導分析 精確溫度傳導分析（2）邊界條件的設定。 0.1摩擦系數鐓環(huán)結果 0.7摩擦系數鐓環(huán)結果 3)模擬過程網格調整和重劃分 在塑性成形模擬中，經常遇到塑性變形區(qū)內材料發(fā)生較大應變，有限元網格會產生嚴重畸變，致使模擬結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?，F象 。為了解決上