塑性加工模擬課程總結(jié)

第一章前言金屬塑性加工是利用金屬的塑性，使金屬材料在外力的作用下成形的一種工藝方法。按照工藝分為軋制、擠壓、拉拔、鍛造和沖壓，按變形特征分為體積成形和板料成形。其中軋制就是金屬發(fā)生連續(xù)塑性變形的過程，易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，因此生產(chǎn)效率高，是塑性加工中應(yīng)用最為廣泛的方法。利用軋制方法可以生產(chǎn)型材、板材和管材等，軋制產(chǎn)品占所有塑性加工產(chǎn)品的80%以上，鋼鐵、有色金屬、某些稀有金屬及其合金均可以采用軋制方法進(jìn)行加工。由此可見，軋制在冶金工業(yè)及其國民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中占有非常重要的地位。目前傳統(tǒng)的研究方法仍舊主要處于經(jīng)驗(yàn)和知識為依據(jù)，以“試錯(cuò)”為基本方法的工藝技術(shù)階段。塑性加工生產(chǎn)工藝過程一般是會根據(jù)市場需求，對制品進(jìn)行加工工藝性分析，確定切實(shí)可行的工藝方案，同時(shí)進(jìn)行模具及工藝的設(shè)計(jì)和制造，然后利用模具按照設(shè)計(jì)的工藝規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)，其中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是：模具的設(shè)計(jì)、制造及工藝設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的合理與否，直接決定著能否生產(chǎn)處滿足要求的產(chǎn)品。在傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造和工藝設(shè)計(jì)過程是一個(gè)基于經(jīng)驗(yàn)知識的跨行業(yè)工作過程，企業(yè)的各個(gè)部門之間相互獨(dú)立，專業(yè)化程度較高，設(shè)計(jì)和制造作為兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，兩者之間往往缺乏有機(jī)的信息溝通和反饋。這樣一來，整個(gè)設(shè)計(jì)與制造過程需要經(jīng)過設(shè)計(jì)、試制、設(shè)計(jì)修改的多次：試模-修模-試模-修模，反復(fù)的過程，直到生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，這就導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期長、成本高、可靠性不好。這種“反復(fù)試直到設(shè)計(jì)合理”的方法是傳統(tǒng)塑性加工工藝的重要特征，它使得產(chǎn)品質(zhì)量靠檢驗(yàn)來保證，而不是融入設(shè)計(jì)制造的全過程。特別是在當(dāng)前我國鋼鐵行業(yè)整體低迷，并且競爭日趨激烈的情況下，對加工技術(shù)提出了更高的要求，比如低成本、精度高和高效率。因此，現(xiàn)代市場經(jīng)濟(jì)要求實(shí)現(xiàn)塑性加工制件的內(nèi)在質(zhì)量和尺寸精度的穩(wěn)定性需要提高，為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，必須提高塑性加工技術(shù)的科學(xué)化和可控化水平。我們知道計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)具有顯著減少食鹽量、縮短研發(fā)時(shí)間、提高命中率與信心和大幅度降低成本等優(yōu)點(diǎn)。比如有限元分析技術(shù)，就是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，它只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無限接近的解，它的迅速發(fā)展對材料加工技術(shù)的研究和發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。通過計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬、過程仿真技術(shù)可極

大限度優(yōu)化成形加工方法和工藝，實(shí)現(xiàn)對制備、成形與加工全過程的精確設(shè)計(jì)與精確控制。圖1第二章有限元分析方法及應(yīng)用在數(shù)值模擬技術(shù)當(dāng)中，有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。有限元分析方法的概念有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無限接近的解。有限元方法的基本理論要用到數(shù)學(xué)、力學(xué)方面的各種知識。對于一個(gè)應(yīng)用工程師來說，他的目的是應(yīng)用有限元方法去求解各種工程問題，目前市場上各種功能強(qiáng)大的有限元程序包很多，這些程序包使用方便，也不需要對有限元法進(jìn)行很深入的了解，即可應(yīng)用這些程序求解工程問題。因此，對于一般的工程技術(shù)人員來說，只需要花很少的時(shí)間了解一些有限元的基本知識即可，不需要對它的理論背景作更深入的研究。有限元分析是一種模擬設(shè)計(jì)載荷條件，并且確定在載荷條件下的設(shè)計(jì)響應(yīng)的方法。這種包含有限個(gè)未知量的有限元模型，只能近似具有無限未知量的實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)。有限元方法處理過程有限元方法處理過程包括一下幾個(gè)部分：被研究問題的提出及被研究對象的確立；選擇合適的有限元求解器；選擇合適的前處理；分析研究對象、物理參數(shù)、確定簡化方案；幾何模型的建立；單元模型、網(wǎng)格劃分、材料定義；載荷、約束及邊界條件的加載；有限元初始文件的輸出及編輯；調(diào)用求解器進(jìn)行求解；10)后處理。常見的有限元軟件目前在市場上常見的有限元軟件包括：1、前處理軟件常用的包含ANSYS/Pre,PATRAM,HyperMesh,VPG,DEFORM等。2、求解器NASTRAM,ANSYS,MARC,LS-DYNA等。3、后處理LS-POST,ETA/Post,PATRAM,DEFORM等。評價(jià)一款有限元軟件的好壞沒有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但是隨著市場經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對于購買軟件并使用軟件的企業(yè)或者個(gè)人來說：1、計(jì)算的精確性計(jì)算的結(jié)果能否真實(shí)的反映實(shí)際問題；2、速度問題能否及時(shí)的得到問題的計(jì)算結(jié)果；3、達(dá)到熟練操作及所關(guān)心問題的學(xué)習(xí)過程的難易程度。有限元處理中需注意的問題單元位移模式及自由度的概念單元位移模式的選擇是為了通過單元節(jié)點(diǎn)位移描述單元內(nèi)部任一點(diǎn)的位移變化的函數(shù)。自由度就是在一個(gè)未約束的動力或其他系統(tǒng)中，為了完全確定該系統(tǒng)在給定時(shí)刻的狀態(tài)所需要的獨(dú)立變量的個(gè)數(shù)。一個(gè)質(zhì)點(diǎn)在空間任意運(yùn)動，需要三個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)(x,y,z)確定其位置。所以自由質(zhì)點(diǎn)有三個(gè)平動自由度i=3。剛體的概念及處理1、剛體的概念實(shí)際物體的理想化模型，即在受力后其大小、形狀和內(nèi)部各點(diǎn)相對位置都保持不變的物體。一個(gè)剛體在空間任意運(yùn)動時(shí)，可分解為質(zhì)心的平動和通過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動，它既有平動自由度還有轉(zhuǎn)動自由度。確定剛體質(zhì)心的位置，需三個(gè)獨(dú)立坐標(biāo)(x,y,z)--自由剛體有三個(gè)平動自由度i=3,確定剛體繞通過質(zhì)心軸的轉(zhuǎn)動，共有三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度r=3。一個(gè)任意運(yùn)動的剛體，總共有6個(gè)自由度，即3個(gè)平動自由度和3個(gè)轉(zhuǎn)動自由度。2、剛體的處理軋鋼的軋輥，在不考慮軋輥?zhàn)冃蔚那闆r下，處理為剛體；沖壓中的模具，在不考慮模具變形的情況下，處理為剛體；鍛壓中的模具，在不考慮模具變形的情況下，處理為剛體；擠壓、拉拔中的模具，在不考慮模具變形的情況下，處理為剛體。通過處理與工件接觸的部分(表面)的反力、接觸面積、運(yùn)動部件之間的干涉等等。網(wǎng)格描述在有限元中采用兩種坐標(biāo)形式，一種為空間坐標(biāo)，也稱Eulerian坐標(biāo)，特指一點(diǎn)在空間的位置；另一種為材料坐標(biāo)，也稱Lagrangian坐標(biāo)，用以標(biāo)記一個(gè)材料點(diǎn)。這樣一來，針對相同的非獨(dú)立變量，就可以采用不同的獨(dú)立變量進(jìn)行描述。其中采用采用Lagrangian坐標(biāo)表示的稱為Lagrangian描述，與之對應(yīng)的為Eulerian描述。這樣一來相應(yīng)的也就存在兩種不同的網(wǎng)格描述形式，一種為Lagrangian網(wǎng)格，另一種為Eulerian網(wǎng)格。針對Eulerian網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)與空間點(diǎn)重合；針對Lagrangian網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)與材料點(diǎn)重合。d卜A■5-空物質(zhì)合；針對Lagrangian網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)與材料點(diǎn)重合。d卜A■5-空物質(zhì)IR-■LaCMIEZJiB圖2網(wǎng)格等參單元相關(guān)概念等參元的基本思想是：首先導(dǎo)出關(guān)于局部坐標(biāo)系的規(guī)整形狀的單元（母單元）的高階位移模式的形函數(shù)，然后利用形函數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，得到關(guān)于整體坐標(biāo)系的復(fù)雜形狀的單元（子單元），如果子單元的位移函數(shù)插值結(jié)點(diǎn)數(shù)與其位置坐標(biāo)變換節(jié)點(diǎn)數(shù)相等，其位移函數(shù)插值公式與位置坐標(biāo)變換式都用相同的形函數(shù)與節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行插值，則稱其為等參元。其中母單元一般分為一維母單元，二維母單元和三維母單元。接觸“接觸”指的是兩個(gè)或多個(gè)物體（或一個(gè)物體的不同部分）挨上，碰到一起，這樣以來就產(chǎn)生了接觸界面。圖3接觸在有限元中，接觸界面可以通過接觸界面兩側(cè)的由任意節(jié)點(diǎn)及其組合的三角形和四邊形面片構(gòu)成的組元進(jìn)行定義。接觸界面一側(cè)定義為從側(cè)（接觸面），相應(yīng)的另一側(cè)定義為主側(cè)（目標(biāo)面）。屬于從側(cè)的節(jié)點(diǎn)定義為從節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的屬于主側(cè)的節(jié)點(diǎn)叫做主節(jié)點(diǎn)。2.4.6殼單元的厚度偏置殼單元是針對寬厚比較大的對象的一種簡化計(jì)算方法，其有實(shí)際的物理厚度在板成形數(shù)值模擬過程中，厚度不單純是影響計(jì)算的重要因素，同時(shí)也是衡量計(jì)算結(jié)果及工藝好壞的重要參考。針對寬厚比較大的對象，往往采用抽取中面的方法進(jìn)行殼單元的網(wǎng)格劃分，殼單元的厚度也就相應(yīng)的采用中面法向映射的方法進(jìn)行處理。這樣以來計(jì)算過程中面殼單元偏執(zhí)1/2厚度后形成實(shí)際對象的表面。圖4厚度偏置主要有兩種方式：基于節(jié)點(diǎn)的厚度映射方式和基于面片的厚度映射方式?？梢钥闯?，節(jié)點(diǎn)映射厚度的方法可以得到連續(xù)的接觸面，這一點(diǎn)在金屬成形的計(jì)算過程中尤為重要。但是，由于節(jié)點(diǎn)映射厚度的方法需要單元法向連續(xù)，同時(shí)計(jì)算量也較大。2.4.7隱式靜力與顯式動力分析方法比較靜力學(xué)隱式計(jì)算往往需要較少的時(shí)間步，但是每一個(gè)時(shí)間步都需要非常長的求解時(shí)間來達(dá)到收斂。收斂是必須的，但是卻無法預(yù)知。特別是處理存在接觸的大模型問題，收斂往往非常困難。顯式算法需要較多的時(shí)間步，但是每步計(jì)算時(shí)間短，計(jì)算的穩(wěn)定性通過臨界時(shí)間步長來控制，同時(shí)針對接觸問題，顯式求解解決起來就容易的多。模型規(guī)模越大，顯式求解的優(yōu)越性也就越高，CPU時(shí)間隨著單元量的增加隱式算法呈4次方增加，而顯式算法呈3次方增加。當(dāng)收斂困難的時(shí)候，顯式的優(yōu)越性就體現(xiàn)的更加明顯。隱式靜力顯式動力不考慮慣性效應(yīng)（靜力學(xué)問題）研究物體在t+Af時(shí)刻的平衝狀態(tài)迭代至收斂即得到新的構(gòu)形考慮慣性效應(yīng)（動力學(xué)問題）研究物體在『時(shí)刻的平衡狀態(tài)新的構(gòu)形由初始構(gòu)形加上位移增量獲得通過一系列線性逼近來獲取解要求轉(zhuǎn)置非線性剛度矩陣[k]收斂需要小的時(shí)間步對于高度非線性問題無法保證q熾方程m搟禺合，可以直接求解塊質(zhì)量矩陣需要簡單轉(zhuǎn)置無須轉(zhuǎn)置剛度矩陣，所有線性（包括接觸）都包含在內(nèi)力矢量中內(nèi)力計(jì)算是主要的計(jì)算部分保持穩(wěn)定狀態(tài)需要小的日寸可步無須q攵斂檢查對于線性問題，時(shí)間步可以任意大對于線性問題，時(shí)間步由于收斂困難變小當(dāng)時(shí)間步小于臨畀時(shí)間步長時(shí)穩(wěn)定表1有限元的應(yīng)用由于有限元分析具有顯著減少實(shí)驗(yàn)量、縮短研發(fā)時(shí)間、提高命中率與信心和大幅度降低成本等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用與塑性加工領(lǐng)域，研究材料的應(yīng)力狀態(tài)，變形程度等等。我也結(jié)合我所研究的冷彎成型課題，閱讀了很多文獻(xiàn)資料，看到了有限元分析方法在冷彎方面應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢。圖5防皺塊彎曲模靜夾塊夾塊球頭壓塊I1防皺塊彎曲模靜夾塊夾塊球頭壓塊I1以卩芯棒管坯圖6第三章感想隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及資源的日趨短缺，人們對產(chǎn)品的要求不僅僅停留在實(shí)現(xiàn)某些特定的功能和達(dá)到一定的安全系數(shù)上，而是要求在滿足這兩方面的前提下能夠盡量節(jié)約能源，降低成本，達(dá)到更高的生產(chǎn)率和成形精度。通過該課程的學(xué)習(xí)和研究，我了解到計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)具有顯著減少實(shí)驗(yàn)量、縮短研發(fā)時(shí)間、提高命中率與信心和大幅度降低成本等優(yōu)點(diǎn)，它的發(fā)展對材料加工技術(shù)的研究與發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。目前我又結(jié)合我可能要研究的冷彎成形這方面的內(nèi)容，閱讀了相關(guān)的很多文獻(xiàn)資料。我們知道連續(xù)輥式冷彎成形(rollforming)是板帶深加工的重要領(lǐng)域，是一項(xiàng)具有顯著經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的生產(chǎn)工藝。其產(chǎn)品冷彎型鋼是一種用途極廣的經(jīng)濟(jì)斷面鋼材，具有重量輕，成本低，工藝性能好等優(yōu)點(diǎn)，擁有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，已成為大批量生產(chǎn)最常用的板金屬加工方法之一。隨著人們對數(shù)值方法的研究，尤其是有限元技術(shù)的利用，對冷彎成形過程的仿真無論準(zhǔn)確性還是精度都將會進(jìn)一步提高