塑性成形CAE技術(shù)

1、第第1章塑性成形章塑性成形CAE技術(shù)技術(shù)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(biāo)】 了解塑性成形CAE技術(shù)及國內(nèi)外現(xiàn)狀； 了解塑性成形技術(shù)的特點； 了解DEFORM-3D軟件的發(fā)展、特點及功能。【本章教學(xué)要點】知識要點能力要求相關(guān)知識塑性成形CAE技術(shù)現(xiàn)狀了解塑性成形CAE技術(shù)及國內(nèi)外現(xiàn)狀CAE技術(shù)及塑性成形CAE的定義、優(yōu)點及常見技術(shù)塑性成形技術(shù)的特點了解塑性成形技術(shù)的特點各種類型的常見塑性成形技術(shù)原理及變形特點DEFORM-3D軟件了解DEFORM-3D軟件的發(fā)展、特點及功能了解有限元法及剛黏塑性有限元法導(dǎo)入案例 隨著計算科學(xué)的快速發(fā)展和有限元技術(shù)應(yīng)用的日益成熟，CAE技

2、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。 CAE技術(shù)的成功運用，縮短了模具和新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的市場競爭能力。鍛件預(yù)成形后的坯料應(yīng)力分布 塑性成形CAE技術(shù) 塑性成形CAE的特點是以工程和科學(xué)問題為背景，建立計算模型并進(jìn)行計算機(jī)仿真分析。 一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過去受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答； 另一方面，計算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平重復(fù)的工作。國外現(xiàn)狀 目前，一些發(fā)達(dá)國家在這方面已達(dá)到了較高的水平。 國際上不少先進(jìn)的大型通用

3、有限元計算分析軟件的開發(fā)已達(dá)到較成熟的階段并已商品化。 就CAE技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用而言，西方發(fā)達(dá)國家目前已經(jīng)達(dá)到了實用化階段。 我國CAE技術(shù)現(xiàn)狀 隨著我國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的提高，計算機(jī)輔助工程技術(shù)也在我國蓬勃發(fā)展起來。 近年來，我國的CAE技術(shù)研究開發(fā)和推廣應(yīng)用在許多行業(yè)和領(lǐng)域已取得了一定的成績。 但從總體來看，研究和應(yīng)用的水平還不能說很高，某些方面與發(fā)達(dá)國家相比仍存在不小的差距。 目前，一些大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進(jìn)我國，在汽車、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用。 我國已經(jīng)擁有一批科技人員在從事CAE技術(shù)的研究和應(yīng)用，取得了不少研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗，使我們在CAE技術(shù)方面緊跟住現(xiàn)代科

4、學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 開發(fā)出CAXA等具有自己產(chǎn)權(quán)的CAE軟件。 但是，這些研究和應(yīng)用的領(lǐng)域以及分布的行業(yè)和地區(qū)還很有限，現(xiàn)在還主要局限于少數(shù)具有較強經(jīng)濟(jì)實力的大型企業(yè)、部分大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)。 我國的計算機(jī)分析軟件開發(fā)是一個薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重地制約了CAE技術(shù)的發(fā)展。金屬塑性成形技術(shù) 金屬塑性成形技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)中金屬加工的重要方法之一，它是金屬坯料在模具的外力作用下發(fā)生塑性變形，并被加工成棒材、板材、管材以及各種機(jī)器零件、構(gòu)建或日用器具等技術(shù)。 金屬塑性成形加工的作用如下： (1）塑性成形可將金屬坯料內(nèi)的疏松和空洞性缺陷壓實，提高其性能和質(zhì)量。 (2）塑性成形引起再結(jié)晶，從而改變金屬坯料鑄態(tài)偏析，改善金

5、屬壞料組織結(jié)構(gòu)。 (3）在塑性成形過程中，通常采用各種模具型腔，可制造各種形狀的構(gòu)件。 與金屬切削加工、鑄造、焊接等加工方法相比，金屬塑性成形具有以下特點： （1）組織、性能得到改善和提高。 （2）材料利用率高。 （3）生產(chǎn)效率高。 （4）尺寸精度高。1.3DEFORM-3D軟件軟件 DEFORM-3D是針對復(fù)雜金屬成形過程的三維金屬流動分析的功能強大的過程模擬分析軟件是由美國的科學(xué)成形技術(shù)公司（Science Forming Technology Corporation）開發(fā)的。該系列軟件主要應(yīng)用于金屬塑性加工、熱處理等工藝數(shù)值模擬。目前，DEFORM軟件己經(jīng)成為國際上流行的金屬加工數(shù)值模擬

6、的軟件之一。 主要軟件產(chǎn)品有： DEFORM-2D（二維） DEFORM-3D（二維） DEFORM-HT（熱處理） DEFORM-PC（微機(jī)版） DEFORM-F2 （2D簡化版本） DEFORM-F3 （3D簡化版本） 典型的DEFORM-3D應(yīng)用包括鍛造、擺碾、軋制、旋壓、拉拔和其他成形加工手段。DEFORM-3D是模擬3D材料流動的理想工具。 它不僅魯棒性好，而且易于使用。DEFORM-3D強大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性。系統(tǒng)中集成了在任何必要時能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分細(xì)密的網(wǎng)格，從而降

7、低題目的運算規(guī)模，并顯著提高計算效率。 DEFORM-3D圖形界面既強大又靈活，為用戶準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果數(shù)據(jù)提供了有效工具，DEFORM-3D還提供了3D幾何操縱修正工具，這對于3D過程模擬極為重要。 在最近的國際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中，DEFORM-3D的計算精度和結(jié)果可靠性，被國際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。1.3.1DEFORM的發(fā)展的發(fā)展 20世紀(jì)70年代后期，位于美國加州伯克利的加利福尼亞大學(xué)小林研究室在美國軍方的支持下開發(fā)出有限元軟件ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。 1990年在此基礎(chǔ)上開發(fā)出

8、DEFORM-2D軟件。該軟件的開發(fā)者獨立出來成立SFTC公司（Scientific Forming Technologies Co.) DEFORM的理論基礎(chǔ)是經(jīng)過修訂的拉格朗日定理，屬于剛塑性有限元法。 DEFORM-2D的單元類型是四邊形，3D的單元類型是經(jīng)過特殊處理的四面體，四面體單元比六面體單元容易實現(xiàn)網(wǎng)格重劃分。 在網(wǎng)格重劃分時，DEFORM在同類軟件中體積損失最小。1.3.2DEFORM 的特點的特點 EFORM-3D是在一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。適用于熱、冷、溫成形，提供極有價值的工藝分析數(shù)據(jù)。 不需要人工干預(yù)，全自動網(wǎng)格再剖分。 前處

9、理中自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠。 DEFORM-3D模型來自CAD系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型（STL/SLA）格式。1.3.2DEFORM 的特點的特點 集成有成形設(shè)備模型，如：液壓壓力機(jī)、錘鍛機(jī)、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)等。 表面壓力邊界條件處理功能適用于解決脹形工藝模擬。 單步模具應(yīng)力分析方便快捷，適用于多個變形體、組合模具、帶有預(yù)應(yīng)力環(huán)時的成形過程分析。 材料模型有彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料及自定義類型。1.3.2DEFORM 的特點的特點 實體之間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可以單獨求解，也可以耦合在成形模擬中進(jìn)行分析。 具有FLOWNET和點跡示蹤、變形、云

10、圖、矢量圖、力行程曲線等后處理功能。 具有2D切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。程序具有多聯(lián)變形體處理能力，能夠分析多個塑性工件和組合模具應(yīng)力。 后處理中的鏡面反射功能，為用戶提供了高效處理具有對稱面或周期對稱面的機(jī)會，并且可以在后處理中顯示整個模型。1.3.2DEFORM 的特點的特點 自定義過程可用于計算流動應(yīng)力、沖壓系統(tǒng)響應(yīng)、斷裂判據(jù)和一些特別的處理要求，如：金屬微結(jié)構(gòu)、冷卻速率、力學(xué)性能等。1.3.3DEFORM功能功能 （1)成形分析 冷、溫、熱鍛的成形和熱傳導(dǎo)耦合分析。 豐富的材料數(shù)據(jù)庫，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金和超合金。 用戶自定義材料數(shù)據(jù)庫允許用戶自行輸入材料數(shù)據(jù)庫中沒有

11、的材料。提供材料流動、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息。 剛性、彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分析。1.3.3DEFORM功能功能 彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問題。 燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形。 完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機(jī)械壓力成形。 用戶自定義子函數(shù)允許用戶定義自己的材料模型、壓力模型、破裂準(zhǔn)則和其他函數(shù)。 網(wǎng)格劃線和質(zhì)點跟蹤可以分析材料內(nèi)部的流動信息及各種場量分布。1.3.3DEFORM功能功能 溫度、應(yīng)變、應(yīng)力、損傷及其他場變量等值線的繪制使后處理簡單明了。 自我接觸條件及完美的網(wǎng)格再

12、劃分使得在成形過程中即便形成了缺陷，模擬也可以進(jìn)行到底。 多變形體模型允許分析多個成形工件或耦合分析模具應(yīng)力。 基于損傷因子的裂紋萌生及擴(kuò)展模型可以分析剪切、沖裁和機(jī)加工過程。1.3.3DEFORM功能功能 （2)熱處理 模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過程。 預(yù)測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量。 專門的材料模型用于蠕變、相變、硬度和擴(kuò)散。 可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來預(yù)測最終產(chǎn)品的硬度分布。 可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性。 。 混合材料的特性取決于熱處理模擬中每步各種混合材料的特性取決于熱處理模擬中每步各種金屬相的百分比。金屬相的百分比。1.3.3DEFORM功能功能 DEFORM用來分析變形、傳熱、熱處理、相用來分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用。各種現(xiàn)象之間變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用。各種現(xiàn)象之間相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊以后，這些耦合效相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊以后，這些耦合效應(yīng)將包括：由于塑性變形引起的升溫、加熱軟應(yīng)將包括：由于塑性