湖南科技大学
毕业设计（论文）
题目铜合金循环扩张挤压三维有限元
模拟研究
作者
学院
专业
学号
指导教师
二〇一五年五月十六日
湖南科技大学
毕业设计（论文）任务书
机电工程院材料成型及控制工程系（教研室）
系（教研室）主任:（签名）年月日
学生姓名: 学号: 专业:
1 设计（论文）题目及专题：铜合金循环扩张挤压三维有限元模拟研究
2 学生设计（论文）时间：自 2014 年 11 月 20 日开始至 2015 年 5 月 25 日止
3 设计（论文）所用资源和参考资料：
（1）PROE软件
（2）DEFORM-3D软件
（3）胡建军, 李小平. DEFORM-3D塑性成形CAD应用教程. 北京大学出版社
（4）Deform 5.03金属成形有限元分析实例指导教程. 机械工业出版社
4 设计（论文）应完成的主要内容：
（1）挤压速率对材料变形行为的影响
（2）挤压温度对材料变形行为的影响
（3）摩擦系数对材料变形行为的影响
5 提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求：
（1）提交35页以上的毕业论文。
（2）论文的撰写格式要符合规范要求，内容完整，条理清晰。
6 发题时间： 2014 年 12 月 1 日
指导教师：（签名）
学生：（签名）
湖南科技大学
毕业设计（论文）指导人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价]
指导人：（签名）
年月日指导人评定成绩：
湖南科技大学
毕业设计（论文）评阅人评语
[主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价]
评阅人：（签名）
年月日评阅人评定成绩：
湖南科技大学
毕业设计（论文）答辩记录
日期：
学生：学号：班级：
题目：
提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料：
1 设计（论文）说明书共页
2 设计（论文）图纸共页
3 指导人、评阅人评语共页
毕业设计（论文）答辩委员会评语：
[主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价]
答辩委员会主任：（签名）
委员：（签名）
（签名）
（签名）
（签名）答辩成绩：
总评成绩：
摘要
铜合金具有许多优异的金属性能，在实际生产制造中得到广泛的应用。研究铜合金的变形行为，有助于制定实际生产工艺，而模拟研究是一种便捷高效的研究方法。在模拟研究方法中，有限元模拟是分析金属成形过程的常用方法，它不仅便捷快速，而且结果可靠。本论文的主要研究内容和结论如下：
本论文通过模拟循环扩张挤压过程，分析各个特征变化，主要对影响挤压的三个变量，即挤压速率、挤压温度和摩擦系数，分别进行了单独的控制变量模拟研究。
本论文采用控制变量法，将挤压速率分别设置为500mm/sec、1000mm/sec和1500mm/sec，其余参数不变。然后分析挤压过程的曲线和图片，得出结论：当挤压速率较大时，凸模在挤压开始阶段挤压力上升较快，挤压末期挤压力波动较大，这对模具寿命影响很大，当挤压速率为500mm/sec时，凸模开始阶段挤压力上升较小，挤压结束时挤压力波动也相对较小，所以，选择合适的挤压速率对挤压成形很重要。
接着将挤压温度分别设置为600℃、700℃和800℃，其余参数不变。然后分析挤压过程的曲线和图片，得出结论：随着温度的升高，成形力降低，在相对较小温度时，工件的变形抗力较大，使得模具寿命降低。当温度比较高时，由于挤压过程会产生大量摩擦热和变形热，使变形区的温度升高，从而铜合金容易发生相变。
最后将摩擦系数分别设置为0.12、0.18和0.24，其余参数不变。然后分析挤压过程的曲线和图片，得出结论：总体上来讲，随着摩擦系数的增大，工件的等效应变、等效应力、流动速率、组织破坏逐渐增大，因为摩擦系数增大，成形力随之增大，由此形成良好的润滑性，可以极大地降低挤压力。
关键词：铜合金；循环扩张挤压；三维有限元模拟
ABSTRCT
Copper metal alloy has many excellent performance, widely used in the manufacture of the actual production. Copper alloy deformation behavior, contribute to the development of the actual production process, while the simulation study is a convenient and efficient research methods. In the simulation study method, finite element simulation of metal forming processes is a common method of analysis, it is not only fast and convenient, and reliable results. The main contents and conclusions of this paper are as follows:
In this thesis, the control variable method, the extrusion rate are set to 500mm / sec, 1000mm / sec and 1500mm / sec, the remaining parameters unchanged. Then analyze the extrusion process curves and pictures, it concluded: When extrusion rate is large, the punch at the beginning of extrusion extrusion pressure rises rapidly, squeezing the end of extrusion pressure fluctuations, which die life great influence, when squeezing rate of 500mm / sec, the beginning of the punch extrusion pressure rise is small, crowded at the end of the extrusion pressure fluctuation is relatively small, so choose a suitable extrusion rate for extrusion very important.
Next, the extrusion temperatures were set to 600 ℃, 700 ℃ and 800 ℃, the remaining parameters unchanged. Analysis of the extrusion process and then curves and pictures, concluded: As the temperature increases, the forming force is reduced, when the temperature is relatively small, the deformation resistance of the workpiece is large, so that the mold life is reduced. When the temperature is relatively high, since the extrusion process will generate a lot of frictional heat and deformation heat, the temperature rise of the deformation zone, thus prone to copper alloy phase transition.
Finally, the friction coefficient is set to 0.12,0.18 and 0.24 respectively, and the remaining parameters unchanged. Then analyze the extrusion process curves and pictures, concluded: Overall, with the increase of the friction coefficient of the workpiece equivalent strain, equivalent stress, flow speed, tissue damage increases, because increasing the coefficient of friction large forming force increases, thereby forming a good lubricity, can greatly reduce the pressing force.
Keywords: Copper alloy; Cycle expansion extrusion; Three-dimensional finite element simulation
目录
第一章绪论 ...................................................................................................................... - 1 -
1.1铜合金的概况........................................................................................................... - 1 -
1.1.1铜合金的基本性能......................................................................................... - 1 -
1.1.2铜合金的应用................................................................................................. - 1 -
1.2 剧烈塑性变形的发展现状...................................................................................... - 2 -
1.2.1国内研究现状................................................................................................. - 2 -
1.2.2国外研究现状................................................................................................. - 2 -
1.3 deform-3d软件的简介 ............................................................................................. - 3 -
1.3.1 deform-3d软件的介绍 ................................................................................... - 3 -
1.3.2 deform-3d有限元模拟技术的研究现状 ....................................................... - 4 -
1.4本文选题................................................................................................................... - 4 -
1.4.1研究内容......................................................................................................... - 4 -
1.4.2课题研究的意义............................................................................................. - 5 - 第二章有限元模拟试验方案的确定 ....................................................................... - 6 -
2.1 有限元模型的建立.................................................................................................. - 6 -
2.1.1三维建模和装配............................................................................................. - 6 -
2.1.2网格划分......................................................................................................... - 6 -
2.2模拟参数的设置....................................................................................................... - 7 -
2.2.1材料参数的设置............................................................................................. - 7 -
2.2.2增量步长的控制............................................................................................. - 8 -
2.2.3边界条件的处理............................................................................................. - 8 - 第三章铜合金循环扩张挤压结果和数据的分析.............................................. - 10 -
3.1模拟结果各项性能的分析..................................................................................... - 10 -
3.1.1应力分析....................................................................................................... - 10 -
3.1.2 应变分析...................................................................................................... - 10 -
3.1.3应变速率分析............................................................................................... - 11 -
3.1.4流动速率分析............................................................................................... - 12 -
3.1.5组织破坏分析............................................................................................. - 12 -
3.1.6最大应力分析............................................................................................... - 13 -
3.2挤压速率对挤压结果的影响................................................................................ - 13 -
3.2.1挤压速率对等效应变的影响....................................................................... - 14 -
3.2.2挤压速率对等效应力的影响....................................................................... - 14 -
3.2.3挤压速率对应变率的影响........................................................................... - 15 -
3.2.4挤压速率对组织破坏的影响....................................................................... - 16 -
3.2.5挤压速率对最大应力的影响....................................................................... - 17 -
3.2.6挤压速率对法向压力的影响....................................................................... - 17 -
3.2.7挤压速率对平均应力的影响....................................................................... - 18 -
3.3挤压温度对挤压结果的影响................................................................................. - 19 -
3.3.1挤压温度对等效应变的影响....................................................................... - 19 -
3.3.2挤压温度对等效应力的影响....................................................................... - 20 -
3.3.4挤压温度对流动速率的影响....................................................................... - 22 -
3.3.5挤压温度对组织破坏的影响....................................................................... - 24 -
3.3.6挤压温度对最大应力的影响....................................................................... - 24 -
3.3.7挤压温度对法向压力的影响....................................................................... - 25 -
3.3.8挤压温度对平均应力的影响....................................................................... - 26 -
3.4摩擦系数对挤压结果的影响................................................................................. - 27 -
3.4.1摩擦系数对等效应变的影响....................................................................... - 27 -
3.4.2摩擦系数对等效应力的影响....................................................................... - 28 -
3.4.3摩擦系数对应变率的影响........................................................................... - 29 -
3.4.4摩擦系数对流动速率的影响....................................................................... - 30 -
3.4.5摩擦系数对组织破坏的影响....................................................................... - 31 -
3.4.6摩擦系数对最大应力的影响....................................................................... - 32 -
3.4.7摩擦系数对法向压力的影响....................................................................... - 33 -
3.4.8摩擦系数对平均应力的影响....................................................................... - 34 - 第四章结论.................................................................................................................. - 35 - 参考文献 .................................................................................................................... - 36 - 致谢................................................................................................................................ - 37 -
第一章绪论
1.1铜合金的概况
1.1.1铜合金的基本性能
1. 导电、导热性铜最好的品质是具有很好的导电、电热性能，导电性仅次于银，但铜比金、银的地球存储量丰富，价格实惠。
2、耐腐蚀性铜合金具有很好的耐腐蚀性能，比普通钢材要好，在碱性气体中，它比铝要好。铜特别能承受空气腐蚀，因为它的表面可以生成一层由碱性硫酸铜构成的防护薄[1]。不含二氧化碳和氧气的水对铜根本不起反应。铜在普通淡水里的腐蚀的很慢。
3、良好的塑性铜合金有良好地塑性变形性能，它可以在各种状态下进行塑性成形，如冲压、拉伸、挤压、锻造等。
4、特殊性能特殊性能含有：(1)良好的焊接性：它可以进行较多方式的焊接。(2)良好的电镀性：它的表层不仅能作结构抛光，电镀到其他易磨金属表面，而且可以进行有机物镀层或化学染色。(3)杀菌性：铜可以有效抑制细菌的繁殖，因此铜还广发用作日常管道、厨具等。(4)修饰性：铜合金自身颜色为红色，也叫古铜色，不仅庄严，还典雅。
铜拥有良好的导热性，较低的电阻率，是所有金属材料中性能最优秀的材料之一，不仅如此，铜还有许多优良的各种性能：它对空气、海水、土层以及许多化学层物质有很强的耐腐蚀性能；它富有良好的弹性，较好地抵抗磨损，较好地耐摩擦性能；同时，它能拥有丰富多彩的外貌，是人们喜欢的、既朴素又高雅的标志。除了以上说的许多应用性能外，铜还有许许多多良好的挤压、熔铸、焊接、冲压等加工性能。
1.1.2铜合金的应用
在各种常见金属材料中，铜和铜合金的使用仅次于钢和铝两种金属，是重要的金属材料。金属铜，元素符号是Cu，原子量是64，熔点较高，是1084.5℃，目前，它经过火法冶炼或湿法冶炼过后，就可以得到粗铜，再经过电解就得到铜合金[2]。
铜是与人们日常生活关系很密切的常用金属，它已经被广泛地存在于电子、轻工业、机械制造、建筑行业、国防制造工业等相关领域，它的年消费量非常大，在有色金属中仅次于铝。
铜在电气、电子制造工业中需求最多、应用最广，占它的总消费量50%以上。用于制造各种电缆和电线，业经常用于制造电机和变压器的缠绕电阻、开关以及各种电路板等。在机械制造和交通运输制造中，铜常常用于生产各种工业阀门及机械配件、滑动轴承、机器热交换器等。在化学工业生产中，它广泛应用于生产真空器、蒸馏锅和反应锅等。在国防事业中，铜有着不可磨灭的贡献，它广泛用于生产子弹、炮弹、武器零件等。在建筑行业中，铜常常用于制造各种各样的管道、管件配件、装饰品等。
由于它的许多优良性能，它被广泛地应用于电缆线、接件、引线框等，从而经常用于电气、电力、通讯和电子加工方面。它还是各种换热机械如热转换器、冷凝器的主要材料，它经常被应用制造辅机、空调、制冷设备、太阳能集热的栅板、提炼海水以及医药器材、冶炼等各种换热情况。此外，铜合金还被广泛用于基建屋顶板、防水管、上下通水管、医疗器材、反应容器、过滤网；用于冲裁各类硬币、装修、奖牌奖杯、雕像和工艺品等。
1.2 剧烈塑性变形的发展现状
进入20世纪以来，许多学者在研究中发现超细晶材料表现出很多非同一般的物理、化学性能[3]。超细晶材料拥有良好的韧性，较高的强度和较高的比热。因此，对超细晶材料进行试验是许多学者的研究方向。剧烈塑性变形（SPD）[4]是当今世界最受关注的超细晶材料生产方法之一，在确保试样成型前后几何尺寸大致不变的前提下，对金属材料进行剧烈变形，使材料晶粒细化。
南京理工大学的董月成[5]对超细晶纯铜的动态力学性能进行了研究，通过组织观察表明，ECAP变形可以有效细化晶粒，晶粒尺寸随ECAP道次的增加呈现减小的趋势，其中1P后最为明显。ECAP变形后，超细晶纯铜的强度得到改善。合肥工业大学的周明智[6]对粉末多孔材料等通道转角挤压进行了模拟和实验研究，研究表明，模具通道内角是影响挤压效果的重要因素，采用较小的模具内角有利于提高金属材料整体流动的均匀性、获得高致密度及大剪切变形量，但过小的内角会导致外角处形成流动死区，对挤压变形效果不利。
1.2.1国内研究现状
兰州理工大学的郭亭彪[7]对ECAP制备超细晶铜的组织演变、织构特征及力学性能进行了研究分析，在ECAP中纯铜组织发生再结晶的体积分数与变形路径和应变量有关，模具角度对材料组织的演变影响较大，较小的模具角度不仅能够有效的细化晶粒，而且能够大幅度提高材料的组织均匀性。兰州理工大学的唐向前[8]对纯铜等径角挤压过程进行了模拟研究，ECAP成形过程中，在材料内部各处的等效应力是不均匀的，最大等效应力集中在模具转角靠近下模模壁处即材料发生塑性变形的通道转角处。在模具剪切变形区域内，应变速率最大。而且，随着挤压过程的进行，新生动态再结晶晶粒尺寸增大，但是由于挤压过程变形的分布不均匀性，导致试样中新生的动态再结晶晶粒的分布也不均匀。
1.2.2国外研究现状
Alihosseini[9]等提出了循环前后挤压(CFBE)技术。与之相似的是Zangiabadi[10]提出了管通道挤压（TCP).2010年，Shahbaz[11]等提出了涡流挤压，此方法改进了传统挤压
模，通过螺旋通道，在挤压时引入特殊的扭转应变。
1.3 deform-3d软件的简介
1.3.1 deform-3d软件的介绍
deform-3d有限元分析系统是一款特定用于材料塑性加工成型分析的软件[12]。它通过在电脑上模拟整个成型全过程，可以大大地减少昂贵的实际试验成本，有效地提高模具设计的效率，从而大大地降低加工和所需要的材料的成本，更快地缩短新产品的探索和研发周期。
1、deform-3d有限元分析软件的主要功能
一般情况，它可以分析冷、温、热锻的加工和热传导情况，也可以分析液压加工、锤上加工、螺旋压力加工和机械压力加工在各种情况下的数据和特点，deform 3d软件功能比较强大，它还可以用于温度、应力和应变等值线的绘制，同时，也可以用于模拟渗碳、正火、回火、淬火、退火等加工过程，还可以用于模拟估计硬度、含碳量和晶粒组织成分。
2、deform-3d 基本操作与方法
deform-3d包括前处理程序、模拟程序和后处理程序[13]。首先要在CAD软件（如Pro/E、UG等）中画出三维实体模型，设置模具和模型的基本信息，同时将它转换成对应符合要求的格式（STL）；然后在软件中，设置加工过程的对应模拟信息，进行网格划分；再在应用软件上开展数据模拟计算；最后在后处理环节中，将计算出来的数据按需要逐步输出。
实际上，因为设定了冷加工成形、模型材料和模具等信息后，加工环境条件差不多全部是系统默认的，所以只要你熟悉了软件操作方法，每一步按照要求操作就可以很快地做好预设置工作；设定完成后，通过数据检查、生成数据库，同时将数据保存，最后关闭操作；接着打开模拟开关，运行模拟程序，开始看到模拟界面，模拟程序就会自动运算，在模拟运算过程中，可以点击模拟图表观看模拟运算进程，并且进行图解运算分析，对加工变形过程、应力、应变、位移和速率等进行查看。
运行后处理器，分析演示加工变形过程，同时也可以打开动画控制按钮，隐藏掉工（模）具，进行动画模拟演示。并且同时还可点击概要和图表，对工件的载荷、应力状况、应变状况、位移和速率情况等进行比较详细的分析计算。
3、deform-3d软件不仅可以通过在电脑上模拟运行整个成形过程，还可以帮助设计师和工程人员：
1、设计工具并模拟加工流程，降低昂贵的实际试验成本；
2、提高工件的模具设计效率，降低工件制造和加工材料的成本；
3、大大地减少新产品的探索和研发时间。
1.3.2 deform-3d有限元模拟技术的研究现状
有限元法是主要依据变分原理求解数学问题的一种数值计算方法[14]。由于采用了各种各样的边界条件，对工件的形状差不多没有什么要求，同时求解精度较高，因而得到了很好的应用。有限元法在上世纪40年代提出，通过研究人员的不断完善，从开始起源于结构理论、发展到研究连续体力学场问题，从主要静力分析到应用于波动问题、稳定问题和动力问题。随着计算机技术的迅速发展，它为解决复杂的工程技术问题，帮助设计人员更好更快地设计合理可行的方案。
一般而言，目前的计算方法由于材料之间本构关系，模具及工件的形状和摩擦条件等复杂性和限制性，很难获得比较精确的解析解。所以一般采用假设、简化、近似、平面化等方法处理，计算结果与实际情况差距比较大，因此实际应用时很不方便。
有限元数值模拟的目的与重大意义是为计算复杂的变形力、验证计算工模具的强度和设计合理可行的工艺方案提供切实依据[15]。通过数值模拟研究人员可以获得符合实际的金属变形的规律，包括速率场、应力和应变场的分布规律，还有载荷-行程曲线。所以，通过对模拟结果的清楚真实分析，我们就可以在已经有的模具设计上预计金属的流动规律，包括可能的缺陷的产生。研究人员采用得到的力边界条件对模具分析，从而改善模具设计方案，增大模具设计的合理性和模具的使用周期，大大地减少模具重新试验的次数。通过模具模拟设计，可以充分方便地检验模具设计的合理性，大大缩短新产品模具的研制开发时间，更快速地满足用户的需求，从而提高产品在市场上的竞争力。
1.4本文选题
1.4.1研究内容
根据前面内容阐述可知，随着三维有限元模拟技术的快速发展，成形模拟试验已经拓展应用到了各个实践方面，计算机三维模拟分析在探索分析金属加工变形这方面的研究将获得更为宽广的拓展空间。
经过模拟分析，分析铜合金在循环扩张挤压成形过程中宏观力学表现和微观内部组织的变化，揭示它们相互之间的关系：应用模拟仿真，优化铜合金挤压工艺参数、设计挤压成形工艺，达到控制铜合金挤压制品的质量和目的，为铜合金挤压工艺和模具设计制造提供切实可靠地数据。这些是挤压变形过程全面模拟的最新问题，它对解决目前的探索推广问题，减少新产品和新工艺的研发时间，降低研究成本，提高产品生产效率和质量都是具有重大意义的。如何控制循环挤压的模拟挤压速率，丰富模拟挤压的温度，也将是本次实验继续延伸的方向。因此，本实验把挤压技术的研究和DEFORM软件的应用结合起来，研究铜合金的挤压变形过程。在本次实验研究内容主要如下：
1、工艺参数(如：挤压速率、摩擦系数、挤压温度等)对流变方式、变形行为的影响
2、应力分析
3、应变分析
4、定点追踪分析(应力应变情况，不同条件定点追踪)
5、温度、摩擦力、挤压速率对挤压力的影响
6、速率、应变速率
7、温度分析
在给定的工艺参数前提下，应用DEFORM软件，分析铜合金挤压的应力、应变状态，考察模具、工件温度变化；并通过与已经有的铜合金挤压实验数据对比分析，验证模拟实验的准确性。通过模拟实验，为铜合金的挤压实际生产和工艺方案提高有价值的参考依据，为指导挤压生产和开发新型的铜合金产品提供了有价值的实验数据。
1.4.2课题研究的意义
本论文主要对铜合金进行循环扩张挤压的模拟研究，目前有很多三维有限元模拟对金属成形进行研究，探究成形过程中金属的性能。铜合金循环扩张挤压的三维有限元模拟研究有以下重要意义：
1、可以方便地研究铜合金循环扩张挤压过程中的各项特征变化。
2、可以方便地研究单个因素对成形过程的影响。
3、可以为相关的实际试验和生产提供有效的依据。
4、可以避免直接用材料试验，减少试验的各项成本。
5、可以探索发现可能尚未发现的成形规律。
第二章有限元模拟试验方案的确定
2.1有限元模型的建立
2.1.1三维建模和装配
利用三维造型软件Pro/E来创建模拟中所需要的实体，本次模拟中的5mm×10mm 长方体铜条，利用Pro/E中的“保存副本”功能将文件类型转换为“STL”格式。将STL 格式的文件导入到DEFORM-3D中，然后利用DEFORM-3D中强大的网格划分功能对几何模型进行网格划分。在DEFORM-3D中，可以很方便的根据输入的模型的几何特点将其分成所需要的网格数，以保证模拟的精度。划分好网格的几何模型后，在DEFORM 中进行初始条件、边界条件、摩擦条件、网格重划分标准的设置等前处理工作；然后提交DEFORM软件进行模拟计算。
由于DEFORM-3D缺少集合造型模块，因此，几何造型是在三维造型软件Pro-E中建立的，通过数据转换系统，将几何模型加载到有限元软件DEFORM-3D中。在几何建模过程中，每一个零件都有自己的坐标系，在模型中彼此独立。所以，需要进行装配建模，在全局坐标系中确定各零件间的初始相对位置关系。工件几何尺寸为5mm×10mm，模具入口与出口是垂直关系。有限元模型装配示意图2.1所示：
图2.1 有限元挤压模拟装配图
2.1.2网格划分
划分网格是建立有限元模拟的一个重要步骤，通常情况下，网格数量的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来讲，网格数量增加，计算精度会有所提高，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数量时应权衡两个因素综合考虑。网格疏密
是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点。在计算数据变化梯度较大的部位(如应力集中处)，为了较好地反映数据变化规律，需要采用比较密集的网格。而在计算数据变化梯度较小的部位，为减小模型规模，则应划分相对稀疏的网格。这样，整个结构便表现出疏密不同的网格划分形式。
通常情况下，网格数量由给定的实体表面所划分的单元数目和网格密度参数两方面来确定。本文利用deform-3d网格划分技术将工件划分为20000个单元格，为了防止网格变形严重形成畸变，采用网格自动重划分技术本文对挤压件的划分。对于上模，需要设置挤压速率，本次模拟中考虑CuC2 copper铜合金的特点，需要设置较大的挤压速率，所以设置为500mm/sec。
图2.2 铜合金挤压件的网格划分和上模运动设置
2.2模拟参数的设置
2.2.1材料参数的设置
本次模拟采用的坯料是CuC2 Copper铜合金杆，模拟使用的软件是deform-3d ver6.1,循环扩张挤压的初始温度是20℃，上模和下模的初始温度也是20℃。上模运动20步。每4步记录一次，每次运动0.6mm,运动方向-Z轴，速率500mm/sec。
图2.3 材料库选择材料
2.2.2增量步长的控制
在DEFORM-3D中，模拟过程计算步长的大小可以通过时间步长或者位移步长来定义。如果定义加载步长为位移步长，那么每一个加载步长内，主动模具运动的位移就是确定的，因此整个过程主动模的总位移量就等于位移步长乘以总的加载步数。而如果定义加载步长为时间步长，那么主动模的总位移量就等于时间步长乘以模具运动速率。本文采用位移增量步长来控制挤压件的运动。考虑到保证模拟的顺利进行及计算的速率，
将每道次步长设置为20步，每步的行程为0.6mm。
图2.4模拟控制窗口
2.2.3边界条件的处理
在DEFORM软件中，对所建立的有限元模型，由于在Pro-E建模时就已经设置好位
置关系，所以导入deform-3d后就不需要移动调整工件和模具的位置。金属塑性成形过
程中的摩擦是一个及其复杂的过程。工件变形时在与模具接触面上受到的摩擦力，对金
属材料流动模型、工件几何尺寸及内部缺陷、模具受力状态和总载荷、总能量都有很大
的影响作用。本文根据材料参数数据，模拟的工件是铜合金，工件考虑其热刚粘塑性变形，变形的初始温度是20℃，工件和模具间的摩擦系数是0.12。
图2.5 挤压件边界条件的设置
第三章铜合金循环扩张挤压结果和数据的分析
3.1模拟结果各项性能的分析
3.1.1应力分析
工件内部的应力分布和大小和它所受到的载荷和温度密切有关，同时也与零件的形状、大小和材料本身物理性质相关。
图3.1为挤压件的等效效应力曲线图和应力场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由图可知，P1和P2两点的应力增速较慢，开始一直处于较低的应力状态，之后P1和P2点应力都有大幅增长，P1点最高应力496MPa，P2点最高应力为656MPa，未膨胀部分应力水平一直较低；P3点位于循环扩张挤压区域，挤压一开始，它的应力迅速增大，达到一定高的水平后，增速逐渐缓慢，然后慢慢达到最高值，P3点应力的最终值为568MPa，这说明了在循环扩张挤压过程中，扩张挤压区域组织应力迅速增大，之后增速放缓，然后达到较高的应力水平。也说明了挤压膨胀区域的内部应力比一般区域大。
图3.1 挤压件的等效应力曲线图和应力场分布图
3.1.2 应变分析
图3.2 是挤压件的应变曲线图和应变场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取
P1、P2、P3三个点，由曲线图可知，在循环扩张挤压的整个过程中，位于非膨胀区的P1点应变水平一直很低，从开始到结束只增加了一点点，几乎处于零应变的状态。但位于膨胀区的P2和P3点则完全不同，该点开始挤压瞬间不久，应变水平开始大幅提升，几乎以线性比例增长，下面挤压膨胀区域迅速变形，随着应力的增大迅速向两边扩张，最后P2点应变值不断增长达到了1.31mm/mm的高值。很明显，循环扩张挤压区域的应变增速快，应变值很大。
图3.2 挤压件的应变曲线图和应变场分布图
3.1.3应变速率分析
图3.3是挤压件的应变速率曲线分布图和应变速率场分布图，试验中在挤压件上从下到下选取P1、P2、P3三个点，由曲线图可知，在循环扩张挤压的整个过程中，位于非膨胀区的P1点应变速率一直很低，最后才稍微增长了一点点。P2、P3两点在扩张挤压膨胀区，P3先受到挤压膨胀，也先出现波峰，之后波峰波谷交替进行。P2点也在膨胀区，所受应力不断增大，应变也增大，应变速率也不断增大，所以在P3点出现波峰之后，P2点随之也出现波峰。挤压过程中P2点的应变速率最大达到了近140。所以，扩张挤压区域的应变率呈高低交替变化，非扩张挤压区域的应变率基本一直处于低水平。
图3.3 挤压件的应变速率曲线分布图和应变速率场分布图