材料成形計算機(jī)模擬要點

1、材料成形計算機(jī)模擬要點 第一章 緒論“材料成形計算機(jī)模擬”是利用計算機(jī)和數(shù)值計算方法研究材料成形過程基本規(guī)律的新興技術(shù)和課程。教材材料成形計算機(jī)模擬第二版 董湘懷著 機(jī)械工業(yè)出版社 參考書 金屬塑性成形過程模擬李尚健主編 機(jī)械工業(yè)出版社金屬塑性成形原理李堯著 機(jī)械工業(yè)出版社 1-1 本課程的目的和任務(wù) 學(xué)習(xí)本課程需具備的基礎(chǔ)知識是高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、理論力學(xué)、金屬塑性成形原理和有限元法基礎(chǔ)方面的知識。成形過程數(shù)值模擬是模具CAE中的基礎(chǔ)。 一、本課程的目的 掌握金屬塑性成形過程模擬基本原理； 掌握金屬板料成形分析軟件DYNAFORM的使用。 二、本課程的任務(wù)：簡明闡述線性彈性力學(xué)問題的有限元；

2、闡述材料成形的剛塑性有限元模擬基礎(chǔ)理論和實施方法；闡述材料成形的彈塑性有限元模擬基礎(chǔ)理論和實施方法；闡述金屬體積成形和板料成形的有限元模擬1-2 材料成形過程模擬方法概述一、材料加工的概念廣義上的概念狹義上的概念二、材料成形模擬方法分類模擬是針對某個現(xiàn)象或過程原型，建立一個與該現(xiàn)象或過程具有相似性而又便于人們進(jìn)行觀測和控制的模型，通過研究模型在各種條件下的響應(yīng)來推測原型在相應(yīng)條件下的響應(yīng)，從而獲得對于原型規(guī)律性的認(rèn)識。材料成形模擬方法分為物理模擬和數(shù)值模擬兩大類。物理模擬及數(shù)值模擬是使材料科學(xué)研究由“經(jīng)驗”走向“科學(xué)”，由“定性”走向“定量”的橋梁。二、材料成形模擬方法分類物理模擬可以省時、省

3、錢、高效地揭示新材料研制及其熱加工過程中材料組織及性能的變化規(guī)律。數(shù)值模擬可以描述與設(shè)計許多無法用實驗方法去展示的科學(xué)問題。三、計算機(jī)模擬的概念計算機(jī)模擬是通過數(shù)值計算得到微分方程邊值問題來描述的具體材料成形問題中工件和模具的速度場(位移場)、應(yīng)變場、應(yīng)力場、溫度場等,據(jù)此預(yù)測工件中組織性能變化以及可能出現(xiàn)的缺陷；利用計算機(jī)圖形技術(shù)將這些分析結(jié)果直觀地動態(tài)地呈現(xiàn)在研究設(shè)計人員面前,使他們能夠通過這個虛擬的材料加工工程檢驗工件的最終形狀尺寸性能等是否符合設(shè)計要求,正確選用機(jī)器設(shè)備和模具材料。1-3材料成形過程的物理模擬BDGE-BOOC-ADCC-BEDG沖壓工藝的新發(fā)展：材料、工藝、測控一體化

4、 體積成形過程物理模擬技術(shù)的研究及應(yīng)用一、 概述 1、 成形過程的物理模擬包括的內(nèi)容：一是模擬研究成形過程的物理化學(xué)現(xiàn)象和性質(zhì)，二是模擬研究成形過程中位移、應(yīng)變和應(yīng)力等力學(xué)數(shù)學(xué)內(nèi)容。2、 相似原理 相似理論是模擬研究的基礎(chǔ)，相似理論的基本內(nèi)容包括在相似三定理中（相似第一定理、相似第二定理、相似第三定理）。 確定相似準(zhǔn)則的方法：分析方程式法和量綱分析法。3、 塑性成形過程物理模擬準(zhǔn)則 在塑性模擬實驗的模型與原型兩個系統(tǒng)中，有關(guān)描述塑性變形現(xiàn)象的方程式，諸如平衡方程、幾何方程、屈服條件、硬化條件和流動理論等單值條件應(yīng)該相似。4、塑性成形的模擬材料 常見的塑性成形的模擬材料有五類：軟金屬材料（鉛、鋁

5、、銅、錫）、粘土類材料（塑泥）、蠟（熔點為54的石蠟）、高分子材料和同種實物材料。二、物理模擬分類1 網(wǎng)格法網(wǎng)格法是用于塑性變形過程分析的經(jīng)典方法之一，可用來確定試件內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速度的分布規(guī)律，其方法是首先選定試樣剖分面，該剖分面應(yīng)能反映金屬流動情況。制作網(wǎng)格的技術(shù)可用照像制版法、光刻法或電腐蝕法，精度可達(dá)以下。測量網(wǎng)格尺寸可用測量顯微鏡、投影儀或?qū)Ｓ脵z測裝置等。2、云紋法在試件表面上制出一組柵線，稱“試件柵”，它與試件一起變形，在其上重疊一塊拷貝有柵線的玻璃版，由于光干涉就會產(chǎn)生云紋。這塊玻璃柵版稱為“基準(zhǔn)柵”或“分析柵”。試件變形時，試件柵柵線的間距就會發(fā)生變化，云紋也隨著增加、

6、減少、傾斜或彎曲。因為云紋的分布和試件的變形情況有著定量的幾何關(guān)系，從而可推算出試件各處的應(yīng)變值。試件柵是用快干膠粘貼在試件上，或用光刻、腐蝕、鍍膜和機(jī)械加工的方法做在試件上，隨同試件變形的一組柵線?；鶞?zhǔn)柵是疊合在試件柵上，產(chǎn)生云紋圖象的一組柵線。基準(zhǔn)柵可以用硬版（即玻璃柵版），也可以采用軟版（即滌綸片柵版）。云紋圖象可客觀的揭示金屬流動變形的特征。3、光塑性法光塑性法是用光測方法研究物體處于彈性或塑性狀態(tài)下的應(yīng)力、應(yīng)變的一門學(xué)科。它采用透明的、具有雙折射效應(yīng)的光學(xué)敏感材料，制作成與原型構(gòu)件相似的模型，使用偏振光透射塑性變形的透明模型，可在偏光鏡屏幕上觀察到一些相同顏色的條紋（等差線），這是最

7、大剪切應(yīng)力的幾何點位置。同時也會出現(xiàn)斜度相同的條紋（等斜線）。據(jù)此計算出模型內(nèi)的應(yīng)力分布，最后根據(jù)相似理論，將模擬應(yīng)力轉(zhuǎn)換為原型應(yīng)力。光塑性法分為模型光塑性法和實物光塑性法。模型光塑性法是將原結(jié)構(gòu)按相似定理模擬成模型，應(yīng)用光測方法研究模型受載后的彈塑性應(yīng)變狀態(tài)，然后再轉(zhuǎn)換為原型結(jié)構(gòu)的彈塑性應(yīng)變狀態(tài)。在模型光塑性法中，目前主要采用賽璐珞、聚碳酸酯聚合物制作模型進(jìn)行實驗。 實物光塑性法是直接在金屬結(jié)構(gòu)表面上，粘貼雙折射性質(zhì)的材料制作的貼片進(jìn)行實驗以確定結(jié)構(gòu)表面的彈塑性應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。在實物光塑性法中，目前主要采用環(huán)氧樹脂和聚碳酸酯作為貼片材料進(jìn)行實驗。1-4 材料成形過程的數(shù)值模擬一、數(shù)值模擬的定

8、義數(shù)值模擬指采用一組數(shù)學(xué)方法（一般是微分方程）和定解條件將實際過程抽象成理論模型，采用電子計算機(jī)求得該理論模型在不同條件下的數(shù)值解，以此推測在相應(yīng)條件下所發(fā)生的實際過程。數(shù)值模擬方法是建立在塑性成形過程力學(xué)分析的基礎(chǔ)之上的。分析金屬塑性成形過程的目的在于：（1）預(yù)測工件的幾何形狀是否滿足產(chǎn)品的精度要求，是否會產(chǎn)生表面缺陷；（2）預(yù)測工件的內(nèi)部質(zhì)量，是否會發(fā)生破裂等；（3）預(yù)測模具的受力和磨損；（4）據(jù)此選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾凸に嚰澳＞邊?shù)。二、數(shù)值模擬的基本特點使一個連續(xù)的、無限自由度問題變成離散的、有限自由度問題。三、數(shù)值模擬的分類1、有限元為代表2、有限差分法為代表 四、常用的數(shù)值模擬軟件板料成

9、形模擬：美國DYNAFORM、德國AUTOFORM、法國PAM系列軟件； 體積成形模擬：美國DEFORM、，法國FORGE3等。 國內(nèi)板料成形：吉林金網(wǎng)格模具工程公司的KMAS、北航的SHEETFORM、華中科技大學(xué)的VFORM等，體積成形方面有北京機(jī)電研究所的MAFAP 東風(fēng)模具有限公司采用的是AUTOFORM。思考題1、什么是金屬成形工藝數(shù)值模擬?材料成形工藝數(shù)值模擬是人們使用專用的計算機(jī)軟件讓計算機(jī)對整個成形過程的各種物理量的變化進(jìn)行數(shù)值計算，預(yù)測出成形過程中工程師們所關(guān)心的各種有用的技術(shù)信息，并將最終的計算結(jié)果以各種圖形或動畫的形式直觀生動地顯示在計算機(jī)的屏幕上。 從屏幕上人們可以看到

10、工件的詳細(xì)變形過程，以及各種物理量隨空間和時間的變化。如果其工藝、模具或坯料設(shè)計不當(dāng)，還可以看到由此所產(chǎn)生的各種成形缺陷，如開裂、折疊、過燒與回彈等等。 做一次工藝數(shù)值模擬，就相當(dāng)于在計算機(jī)上做了一次虛擬的工藝試驗。與實際工藝試驗相比，它的優(yōu)勢是成本低、周期短，所得到的技術(shù)信息更多更全、而且全是定量化的數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)模擬出的工件具有某些缺陷，可以根據(jù)自己的經(jīng)驗找出產(chǎn)生缺陷的原因，然后對工藝、模具和坯料進(jìn)行修改。將修改后的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次工藝模擬。如此反復(fù)直到工藝成功。目前金屬成形工藝數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并在工業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用，給公司帶來了豐厚的利潤。在世界上很多著名的公司中，金屬成形工

11、藝數(shù)值模擬已經(jīng)成為生產(chǎn)中一個不可缺少的的工序。討論題2、 數(shù)值模擬的基本原理是什么？金屬成形過程是工件的一個彈（粘）塑性變形過程，有時在這個過程中還伴有明顯的溫度和微觀組織變化。從物理的角度看，無論這個過程多么復(fù)雜，這個過程總可以通過一組微分方程以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件表示出來。這組微分方程以及邊界條件和初始條件可以根據(jù)固體力學(xué)、熱力學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論建立起來。通常，這組微分方程的基本未知量是工件各點的位移、溫度和一些用于描述微觀組織的物理量。例如，對于普通的沖壓過程，由于溫度的影響和微觀組織的變化可以忽略，因此基本的未知量只是工件各點的位移；而對于熱鍛過程，溫度也應(yīng)該作為基本的未知量

12、。如果我們可以得到這組微分方程的解，那么，我們可以根據(jù)相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律，由所得到的基本未知量計算出其他物理量（例如應(yīng)力、應(yīng)變、載荷等）隨空間和時間的變化。由于金屬成形過程的復(fù)雜性，這組微分方程具有極強(qiáng)的物理的和幾何的非線性，因此得到這組微分方程的理論解是非常困難的。直到七十年代，隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算方法特別是有限元方法的迅速發(fā)展，才使得有可能通過數(shù)值計算的方法來求解這組微分方程，從而逐步建立了金屬成形工藝數(shù)值模擬技術(shù)。用計算機(jī)語言編寫的求解這組微分方程并由基本未知量計算其他物理量全部計算過程的文件就是我們常說金屬成形工藝數(shù)值模擬軟件。討論題3、做金屬成形工藝數(shù)值模擬需要客戶準(zhǔn)備

13、哪些數(shù)據(jù)? 客戶需要提供數(shù)據(jù)包括：工藝參數(shù)，坯料、模具的形狀尺寸數(shù)據(jù)和材料性能數(shù)據(jù)，壓力機(jī)數(shù)據(jù)等。對于沖壓工藝：材料性能數(shù)據(jù)只包括板料在室溫條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，例如：應(yīng)力應(yīng)變曲線，n值（應(yīng)變硬化指數(shù)）的測定與r值（厚向異性系數(shù)）,成形極限圖等。對于鍛造工藝：如果客戶需要了解模具的變形和應(yīng)力數(shù)據(jù)，則還需要提供模具的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。如果是熱鍛，除了需要提供模具和坯料在鍛造溫度條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)外，還需要提供模具和坯料在鍛造溫度條件下的熱力學(xué)數(shù)據(jù)。如果客戶希望預(yù)測坯料的微觀組織變化，還需要提供與坯料與微觀組織變化有關(guān)的數(shù)據(jù)。討論題4、通過金屬成形工藝數(shù)值模擬,可以得到什么結(jié)果?金屬成形工藝數(shù)值模擬

14、可以預(yù)測出工件變形的詳細(xì)過程，并定量地給出工程師們所關(guān)心的與變形有關(guān)的各種物理量在工件或模具上的空間分布以及隨時間的變化。通常這些物理量包括: 工件與模具的幾何外形、位移、速度、（彈性和塑性）應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力、載荷等。對于熱鍛，還包括溫度以及微觀組織（例如：再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒度）。如果工件為疏松材料，還另外包括材料密度。 根據(jù)上述各物理量的計算結(jié)果，我們可以判斷出工件是否存在成形缺陷。例如， 對于沖壓工藝，您可以從工件外形判斷是否起皺，對比成形極限圖您可以看到工件哪些位置可能開裂?；貜椨嬎憬Y(jié)果直接給出工件各處的相對回彈量。 對于鍛造工藝，您可以從工件外形判斷是否有折疊，工件是否已經(jīng)充滿模具

15、型腔。從溫度分布您可以判斷工件溫升是否太高，甚至出現(xiàn)過燒。對比破裂準(zhǔn)則您可以看到工件哪些位置可能開裂。根據(jù)晶粒度分布您可以判斷鍛件是否出現(xiàn)混晶缺陷等。 如果發(fā)現(xiàn)成形后的工件出現(xiàn)某些缺陷，可能是模具/坯料或者工藝的某些參數(shù)有問題，可以根據(jù)經(jīng)驗對工藝參數(shù)以及模具和坯料進(jìn)行修改，然后再進(jìn)行工藝模擬，看那些缺陷是否已經(jīng)去掉。如此反復(fù)修改工藝反復(fù)模擬直到工件沒有缺陷為止。在計算機(jī)上進(jìn)行了一次工藝優(yōu)化。這就是說通過金屬成形工藝數(shù)值模擬，可以進(jìn)行工藝設(shè)計并最終得到一個經(jīng)過優(yōu)化的成形工藝。 5、做金屬成形工藝數(shù)值模擬對企業(yè)有什么好處? 通過金屬成形工藝數(shù)值模擬，可以進(jìn)行工藝設(shè)計并最終得到一個經(jīng)過優(yōu)化的成形工藝

16、。由于這個工藝模擬的計算是根據(jù)固體力學(xué)、材料科學(xué)與數(shù)值計算的基礎(chǔ)理論進(jìn)行的，因此這種數(shù)值模擬過程原則上與進(jìn)行工藝試驗具有相同的效果。但是由于工藝模擬是在計算機(jī)上進(jìn)行的，它不需要加工實際的模具和坯料，也不需要壓力機(jī)，從而使您在工藝設(shè)計和優(yōu)化上所花費的時間、成本大為降低?？梢娺@是一項能夠給企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的技術(shù)。由于數(shù)值模擬技術(shù)可以使開發(fā)新產(chǎn)品的工藝試驗次數(shù)大為減少，從而縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低了新產(chǎn)品的開發(fā)成本，提高了企業(yè)在市場上的競爭能力。長期應(yīng)用這項高新技術(shù)將大幅度地提升企業(yè)的技術(shù)水平，使工藝設(shè)計逐步地從傳統(tǒng)的“技藝”走向“科學(xué)”。6、本課程選擇dynaform詳細(xì)講解的原因。我國0

17、6 年的汽車產(chǎn)量達(dá)到728 萬輛，預(yù)計未來幾年將會保持15左右的增長速度，2010 年將會達(dá)到1273 萬輛左右。汽車行業(yè)具有如此樂觀的一個現(xiàn)狀和更加樂觀的預(yù)期發(fā)展，是基于以下的幾個主要原因:首先，中國經(jīng)濟(jì)將處于一個平穩(wěn)而快速的發(fā)展時期，人民生活水平和消費水平將進(jìn)一步提高，這是中國汽車行業(yè)將有一個大的發(fā)展的宏觀背景。2005年我國汽車全年生產(chǎn)570萬輛，產(chǎn)量位居世界第四，基本在國內(nèi)銷售。2006年我國汽車產(chǎn)量728萬輛，成為汽車生產(chǎn)大國。2005年，美國全年生產(chǎn)汽車1194萬輛，日本全年生產(chǎn)1078萬輛，德國全年生產(chǎn)575萬輛，其中美國國內(nèi)汽車銷量1699萬輛。我國人口眾多，如果將上述數(shù)字折合

18、成人均擁有量和保有量，與世界發(fā)達(dá)國家相比，我國數(shù)字明顯偏小，這也決定了我國汽車市場仍有很大的發(fā)展?jié)摿Α?005年歐洲汽車市場的銷量是1520萬輛，德國大眾去年的全球銷量就達(dá)到了524萬輛，通用汽車和福特汽車前年的全球銷量分別為808萬輛和643萬輛，把我們的銷量數(shù)字和這幾個數(shù)字放在一起，我們可預(yù)測到中國汽車行業(yè)還會有一個大的發(fā)展。 其次，要站在現(xiàn)有保有量的基礎(chǔ)上看銷量。 美國汽車保有量2004年為億輛, 2005年日本汽車保有量為7800萬輛,而我國汽車保有量,2004年為2694萬輛,2005年達(dá)到3160萬輛,而預(yù)計我國到2010年的汽車保有量才超過5600萬輛。顯然我國的汽車市場正處于成長過程中，與北美、日本等發(fā)達(dá)國家