《塑性成形计算机仿真》 三级项目 1、1750四辊轧机工作辊扭转强度分析 2、1750四辊轧机轧制过程有限元分析 班级: 组员： 指导教师： 日期：2014年6月2日
摘要： (1) 前言： (1) 一、项目目的和内容 (1) 二、工作分配 (2) 正文： (2) 一、工作辊扭转强度有限元分析 (3) 二、轧制过程有限元分析 (12) 三、心得体会 (30) 四、参考文献 (30)
摘要： 通过对四辊实验轧机的机械组成及轧制过程的基本原理研究，选取本组项目课题主要为：1、1750四辊轧机工作辊扭转强度分析；2、1750四辊轧机轧制过程有限元分析。利用ANSYS软件对1750四辊实验轧机轧辊进行有限元建模，完成各种需要的强度分析，从而使我们具备运用有限元法进行一般工程问题分析的能力。 关键字：ANSYS分析软件工作辊扭转强度轧制过程有限元分析前言： 一、项目目的和内容 三级项目以有限元法在轧制工程中的应用为核心，通过该项目的实施使我们加深对有限元法的理解，并初步具备运用有限元法进行一般工程问题分析的能力，包括三维建模能力、理论模型建立能力、分析求解和验证能力等，掌握使用先进有限元软件进行现代化工程优化设计与分析的技能，以增强我们积极思考、主动学习，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养我们自身的责任感和职业道德。 利用ANSYS软件分别完成轧制过程、四辊轧机轧辊、机架、压下装置、平衡装置及矫直机下工作辊的有限元建模与强度分析。通过项目实施，掌握有限元软件ANSYS的基本操作及利用有限元软件进行工
程优化设计与分析的基本技能，为二级项目和毕业设计奠定基础。本组选择课题为： 1、1750四辊轧机工作辊扭转强度分析； 2、1750四辊轧机轧制过程有限元分析； 二、工作分配 本组由组长进行分配工作，张亚雄、张孟策、王超共同进行查阅相关研究资料，对研究成果信息进行整合；张亚雄进行1750四辊轧机工作辊和1750四辊轧机轧制过程的三维建模及有限元分析，王超完成了项目说明书的制作，张孟策完成最后的项目成果整合以及相关汇报PPT的制作。具体包括下述内容： （1）相关资料的查阅； （2）零件图三维建模； （3）单元类型选择与网格划分； （4）边界条件施加及求解； （5）结果后处理，位移、变形、应力等结果提取； （6）设计是否合理判定及改进措施； （7）项目研究报告及答辩用PPT。 正文： 利用三维设计软件和ANSYS结合起来完成对所需求解工程问题的分析，其中项目的技术参数如下： 最大轧制力：2000吨；
纯钛塑性变形行为的晶体塑性有限元模拟本文采用晶体塑性有限元(Crystal Plasty Finite Element Method,CP-FEM)为基础,结合Voronoi图表技术建立了包含纯钛材料基本参数的单晶体和多晶体塑性变形有限元模型,从细观角度研究了晶体的变形行为。首先利用晶体塑性有限元方法,建立了纯钛单晶塑性变形模型,对钛单晶体的拉伸变形行为进行了研究,模拟结果表明在边界约束条件下,单晶体拉伸变形的同时发生了取向的旋转,其滑移系的滑移方向会逐步趋向于与拉伸方向平行。 利用建立的单晶体模型研究了晶体初始取向与晶体滑移的宏观力学响关系,结果表明,软位向方向拉伸的拉伸应力小于硬位向方向拉升应力,模拟变形过程符合Schmid定律。通过Voronoi图表信息建立了TA2多晶体模型,并模拟了拉伸变形,对照真实材料拉伸实验,分析了晶体变形过程的外形、组织形貌及应力应变关系,模拟与实验结果接近。 分段表征了TA2多晶体模型变形的应力应变演化过程,描述了多晶体塑性变形弹性阶段、屈服阶段、硬化阶段与颈缩阶段应力应变分布,详细分析了晶粒变形的不均匀性的微观机制,说明了桔皮组织的形成过程。分析了不同晶粒尺寸对多晶体塑性变形行为的影响,研究结果表明,随着晶粒度减小,晶体屈服强度增大,硬化曲线变陡,结果符合Hall-Petch关系,预测TA2纯钛的Hall-Petch常数为σ0=64.9MPa,K=473.3MPaμm1/2。 利用设定同取向晶粒建立织构模型的方法研究了初始织构对多晶体变形各向异性及应力应变关系的影响,结果表明随着织构强度的升高,多晶体变形不均匀性增大,多晶体屈服强度升高,硬化曲线变陡。
基于DEFORM3D 二次开发的塑性成形过程组织演化模拟 作者：曲周德 张伟红 摘要：金属热成形方法可以有效改善 产品的综合机械性能，利用有限元模拟可以为控制锻造和产品质量提供理论依据。在Deform3D 的热力耦合刚粘塑性有限元模拟技术的基础上，进行了微观组织演化的二次开发，可以扩展有限元软件的组织模拟能力，并利用该方法对20CrMnTi 钢镦锻热成形过程进行了计算机模拟，得到了热力参数的分布状况和内部晶粒度变化的规律。通过摇臂轴的镦锻成形模拟证明了组织模拟能够为工艺改进提供了理论依据。 关键词：刚粘塑性；有限元；晶粒尺寸；显微组织演化；热镦锻 0 引言 高温成形过程中，金属将发生动态和静态再结晶，产生新的晶粒。这种微观组织的演变在很大程度上决定了产品的宏观力学性能[1，2]。利用热加工过程控制晶粒大小，细化微观组织，是提高产品力学性能的重要手段。因此，研究材料在热成形过程中宏观力学行为和微观组织的变化，揭示其相互之间的关系，并依据优化工艺参数、设计塑性成形工艺和锻后冷却方案，这对解决目前的工艺问题，提高产品质量是很有意义的，同时也是变形过程全面模拟的前沿课题[3]。 有限元数值模拟技术是随着物理模拟设备的完善以及计算机技术的发展而发展起来的。鉴于有限元法是目前唯一能对塑性加工过程给出全面且较为精确数值解的分析方法，本文对材料组织性能所进行的数值模拟均采用该分析方法。 数值模拟软件是求解塑性加工问题的一个基本工具。现在市场上已有许多成熟的用于金属塑性加工的商业软件。如DEFORM ，MSC.MARC ，MSC.SUPERFORM ，Dynaform 等，但这些软件都只进行宏观变形和温度的分析计算，没有考虑宏观与微观耦合，不具备微观组织演化的模拟和预测功能，或者只具有简单的预测能力，其模型并不一定适合于所考察的问题。本文通过对Deform3D 二次开发，将适合于材料的组织模型与成形的热力耦合计算结合，模拟热成形过程中的组织演化。 1 模型建立
材料非线性问题有限元方法 教学要求和内容 1.掌握弹塑性本构关系和塑性力学的基本法则； 2.掌握弹塑性增量分析的有限元格式； 3.学习常用非线性方程组的求解方法： （1）直接迭代法； （2） Newton-Raphson 方法，修正的N－R 方法； （3）增量法等。 请大家预习，争取对相关内容有大概的了解和把握。
弹塑性增量有限元分析 一．材料弹塑性行为的描述 弹塑性材料进入塑性的特点：存在 不可恢复的塑性变形； 卸载时：非线性弹性材料按原路径 卸载； 弹塑性材料按不同的路径卸载，并 且有残余应变，称为塑性应变。
1．单向加载 1） 弹性阶段: 卸载时不留下残余变形; 2） 初始屈服：s σσ= 3） 强化阶段：超过初始屈服之后,按弹性规律卸载，再加载弹性范 围扩大：ss σσ'>，s σ'为相继屈服应力。
4） 鲍氏现象（Bauschinger ）： 二．塑性力学的基本法则 1．初始屈服准则： 00(,)0ij F k σ= 已经建立了多种屈服准则： （1） V . Mises 准则：000(,)()0ij ij F k f k σσ=-= 2 2 001 1 ()(),()2 3ij ij ij s f s s J k σσ===第二应力不变量1122221 ,() 3 ij ij ij m m s σδσσσσσ=-=++偏应力张量：平均应力： （2） Tresca 准则（最大剪应力准则）： 0max ()0ij s F S ττ=-=
2．流动法则 V . Mises 流动法则： 0(,)()ij ij p ij ij ij F k f d d d σσελ λ σσ??==??， 0d λ> 待定有限量 塑性应变增量 p ij d ε 沿屈服面当前应力点的法线方向增加。 因此，称为法向流动法则。 3．硬化法则： （1）各向同性硬化：(,)()0ij ij F k f k σσ=-=
有限元分析材料塑性 篇一：塑性成形有限元分析 贵州师范大学 《塑性成形有限元分析》 课程期末考查 学年第学期 学院：机电学院专业：材料成型及控制工程姓名：谭世波学号：111404010056科目：dEFoRm-3d塑性成形caE应用教程日期：20XX 年1月3日 塑性成形有限元分析 20XX级材料成型与控制工程 （谭世波111404010056） 摘要：本文主要是在dEFoRm-3d软件上模拟圆柱形毛坯的墩粗成型，对零件 进行有限元模拟分析。 引言：何为有限元模拟分析？如何完成一个墩粗的模拟 分析，运用dEFoRm-3d对毛坯进行分析的目的。 模拟直径为50mm，高度60mm的钢棒的镦粗成形工艺，工艺工序参数如下： （1）几何体与工具采用整体分析；（2）单位：公制
（3）材料：aiSi-1045（4）温度：20℃ （5）上模移动速度：2mm/s（6）模具行程：10mm； 模拟过程：先用UG画出钢棒的三维模型，导出为STL格 式。 1.在dEFoRm-3d软件中进行模拟分析，打开软件创建 一个新的问题。 2.设置模拟控制 3.设置材料基本属性 篇二：塑性成形有限元分析考查题目 《塑性成形有限元分析》课程期末考查试题 （20XX级材料成型与控制工程） 下面试题二选一，上交时间：20XX年1月5日上午9：00。 1、请模拟直径为50mm，高度60mm的钢棒的镦粗成形工序，工艺参数如下： （1）几何体与工具采用整体分析； （2）单位：公制 （3）材料：aiSi-1045 （4）温度：20℃ （5）上模移动速度：2mm/s （6）模具行程：10mm； 按照论文的格式撰写研究报告（打印），描述模拟过程，并详细解读分析模拟结果（注：交报告时带上演示模拟结果）。
《材加专业前沿讲座》前沿调研报告数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用 学院：机械工程学院 班级：xxxxx 姓名：南京小诸葛 学号：xxxxx
目录 一、摘要 (1) 二、正文 (1) 2.1数值模拟技术 (1) 2.1.1数值模拟技术简介 (1) 2.1.2数值模拟技术的优势 (1) 2.1.3有限元法发展历史 (2) 2.1.4有限元法的发展现状 (2) 2.1.5有限元法在机械中的应用 (2) 2.2数值模拟技术在金属塑性成形中的应用 (2) 2.3数值模拟技术的应用举例 (3) 三、参考文献 (4)
一、摘要 在本次材加专业学科前沿体验课金淼老师关于数值模拟技术及其在金属塑形成型中的应用，我学到了很多先进前沿的知识。数值模拟技术是一项新型的求解数学模型的方法，尤其是数值法中的有限元法，在机械行业运用广泛，在金属塑性成形过程中更是有着很大的实用价值，是一项值得我们认真研究的科学处理方法。 关键字：数值模拟塑性成形有限元法 二、正文 在材加专业学科前沿体验课中，我们都听了很多老师在不同方面的专业知识的讲座，但让我留下最深印象的就是金淼老师讲授的“数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用”的讲座。数值模拟技术是一种新型的模拟分析的技术，在现实生产应用十分广泛，对我们专业的未来生产生活中的应用也是颇有价值，所以我对数值模拟技术做了下面的前沿调研报告。 该调研报告分为三个部分来讲：首先讲什么是数值模拟技术，然后讲数值模拟技术在金属塑性成形中的应用，最后会列举一个数值模拟技术实际生产中的例子。 2.1数值模拟技术 2.1.1数值模拟技术简介 求解数学模型通常有两种方法：一种是解析法，它通过严格的数学推导求出问题的精确解，或称解析解；另一种是数值法，它通过一定的算法和程序，利用计算机计算出问题的近似解，又称数值解。 常见的数值法有差分法，变分法和有限元法等。我们接下来主要讲解集成差分法和变分法二者数值模拟优点的有限元法。 有限元法是求解各种复杂数理方程的一种数值计算方法，是弹性/塑性理论、计算数学、计算机软硬件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。 2.1.2数值模拟技术的优势 近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下，数值模拟技术在国防、航空航天、交通运输、电力、机械、工程建筑等领域得到了广泛的应用，从结构合理性设计到结构承载能力和工件寿命预测、从结构的稳定性到工件开裂预测等，各个领域都渗透者数值模拟技术的身影。例如，分析叶片成形过程，研究其缺陷产生原因，以期为实际锻造过程作知道，有效地改进叶片成型质量；模拟不同形状工件、不同变形条件下缺陷产生的过程，以便能更好地了解缺陷的成因及改进措施等。数值模拟以其低成本、高价值的优势成为越来越普通的工程计算和科学研究的手段，被越来越多的科研人员所接受和使用。因此，数值模拟技术也是降低制造成本、缩短研发周期、搞笑而实用地预测研究缺陷的方法和手段。 数值模拟技术已从一个单纯的分析工具转变为一种设计手段，成为快速发展的一个相对独立的科学领域，在理论和应用方面都具有学科的特色。其优势主要体现在：①有效缩短新产品的开发研究周期，大幅度降低产品研发成本；②以精确的分析结果为知道，制造出高质量的产品；③快速进行方案设计和改进，增加产品和工程的可靠性；④精确预测产品性能；⑤实现优化设计，降低材料的消耗和成本；⑥预先发现产品制造或工程设施中可能潜在的问题，减少经济损失和时
实验报告 塑性成型过程的数值模拟 班级：机自07 姓名：欧阳罗辉 学号：10011170 2012年12月
一、实验目的： 通过本实验的教学，使学生基本掌握有限元技术在板料塑性成形领域的应用情况，拓宽学生的知识面，开阔视野，使学生对塑性成形过程的数值模拟技术有深刻的理解，预测板料弯曲成形的性能。 二、教学基本要求： 学会使用Dynaform数值模拟软件进行板料弯曲成形过程的仿真模拟，对模拟结果具有一 定的分析和处理能力。 三、实验内容提要： 掌握前处理的关键参数设置，如零件定义、网格划分、模型检查、工具定义、坯料定义、 工具定位和移动、工具动画、运行分析。了解后处理模块对模拟结果的分析，如读入d3plot 文件、动画显示变形和生成动画文件、成形极限图分析、坯料厚度变化分析等。 四、软件操作过程: 1. 导入压边圈、板料、下模板、上模板图形文件 点击File —Import，出现Import File 对话框，找到“ L型弯曲零件图” 选中binder.igs,点击Import，如此，依次导入四个模型文件，最后点击“确定”确认
四个模型导入后，结果如图 2. 重命名文件 点击PartLEdit ，出现Edit Part 对话框，这里便要依次更改文件名 首先选用红色文件名“ cOOIvOOO 1 ”，在上面的Name 对话框中输入binder ，然后点击 Modify ，以此类推输入 banker 、die 、punch 。 Edit Part 3. 对各图形文件划分有限元网格 1. Binder 零件网格划分
n 点击口图标，出现Part Turn。。。对话框，依次单击banker 2, die 3, punch 4,它们都会被取消选中，只留下binder 1被显示，点击0K确定。然后点击右下角的Current Part，弹出Current Part对话框，选择binder 1，点击OK确定。 点击Preproces L Element，弹出Element对话框，选择Part Turn On/Off Select by Cursor 第四个图标（自动模式），将Max Size改为10，点击Select Surfaces点击Displayed Surf，点击OK，点击Apply，点击Yes,点击Exit，点击OK，于是第一个零件网格划分完 成。 2. Banker零件网格划分 n 点击i□图标，取消Binder 1零件的显示，添加Banker 2 Select Dy Name All On |AllOfi OK Undo F Only SeledOn 零件的显示，点击OK确定。然后点击右下角的Current Part图标，将当前零件选成Banker 2, 点击OK确定。 点击Preproces A Element,弹出Element对话框，选择第三个图标，弹出Control Keysto ne对话框，点击POINTS/NODES，弹出In put Coo。。。对话框，选中Poi nt,然后在绘图区沿顺时针或者逆时针方向依次选中Ba nker零件的四个顶点，如下图所示
硕士学位论文 纯钛塑性变形行为的晶体塑性 有限元模拟 THE FINITE ELEMENT SIMULATION ON PLASTIC BEHAVIOR OF PURE TITANIUM 黄晓华 2010年7月
国内图书分类号：TG113.12 学校代码：10213国际图书分类号: 669.017.3 密级：公开 工学硕士学位论文 纯钛塑性变形行为的晶体塑性 有限元模拟 硕 士 研 究 生： 黄晓华 导 师： 来忠红 副教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科、专 业： 材 料 学 所 在 单 位： 材料科学与工程学院 答 辩 日 期： 2010年7月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学
Classified Index: TG113.12 U.D.C: 669.017.3 Dissertation for the Master Degree in Engineering THE FINITE ELEMENT SIMULATION ON PLASTIC BEHAVIOR OF PURE TITANIUM Candidate：Huang Xiaohua Supervisor：Associate Prof. Lai Zhonghong Academic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Materials Science Affiliation：School of Materials Science and Engineering Date of Defence:July, 2010 Degree-Conferring-Institution:Harbin Institute of Technology
塑性成形模拟技术试题 1、简述刚塑性材料的不完全广义变分原理 答：对于刚塑性边值问题，在满足变形几何方程、体积不可压缩条件和边界位移速度条件式的一切运动容许速度场中，使泛函 dS u p dV i S i V p * .*.??-=∏--εσ 取驻值（一阶变分）的* ?u 为本问题的精确解。它的物理意义是刚塑性变形体的总能耗率，泛函的第一项表示变形工件内部的塑性变形功率，第二项则代表工件表面的外力功率。对一般的刚塑性材料，运动容许速度场须满足速度边界条件、几何方程和体积不变条件，把这些限制条件作为约束条件引入总能耗率泛函，则可使上述约束条件在对泛函求变分的过程中得到满足。引入约束条件后，变分原理的表述要有相应的变化，统称为广义变分原理，其中引入部分约束条件的广义变分原理即为不完全广义变分原理。如拉格朗日乘子法，罚函数法。 2、试分析拉格朗日乘子法、体积可压缩法和罚函数法的特点。 答：(1）Lagrange 乘子法引入附加未知数(λ)，使有限元刚度方程数(未知量)及刚度矩阵的半带宽增大。(若有m 个单元,则增m 个未知的λ和相应的方程数)。所以，同样问题会大大增加计算时间。 （2）三种方法有限元刚度矩阵都是对称的、稀疏的，但Lagrange 法的刚阵非零元素分布形态不呈带状，罚函数法为明显带状分布。故Lagrange 法会增加计算机贮存空间，降低计算效率。 （3）Lagrange 法中的λ具有明确的物理意义，即 m σλ=。对于罚函数法，只有当罚因子取无穷大时才能满足体积不可压缩条件，得出正确的静水压力值，而实际计算时，只能取有限值。因此，Lagrange 乘子法计算精度高些。 （4）罚函数法和可压缩特性法对初始速度场都比较严格 。 （5）罚函数法就是根据泛函是否满足体积不变条件来决定是否给予惩罚，以改变泛函值而使其满足体积不变条件。
绪论 0-1 请选择你生活学习中所接触的五种物品，写一篇约五千字的调研笔记，调查其从原料到该物品制造的全过程，运用你所学的知识分析制造这些物品所涉及的学科知识。 第一章应力分析与应变分析 1-1 塑性加工的外力有哪些类型？ 1-2 内力的物理本质是什么？诱发内力的因素有哪些？ 1-3 何谓应力、全应力、正应力与切应力？塑性力学上应力的正、负号是如何规定的？ 1-4 何谓应力特征方程、应力不变量？ 1-5何谓主切应力、八面体应力和等效应力？它们在塑性加工上有何意义？ 1-6 何谓应力张量和张量分解方程？它有何意义？ 1-7 应力不变量（含应力偏张量不变量）有何物理意义？ 1-8 塑性变形的力学方程有哪几种？其力学意义和作用如何？ 1-9 锻造、轧制、挤压和拉拔的主力学图属何种类型？ 1-10变形与位移有何关系？何谓全量应变、增量应变？它们有何联系和区别？ 1-11简述塑性变形体积不变条件的力学意义。 1-12何谓变形速度？它们与工具速度、金属质点运动速度有何区别和联系？ 1-13何谓变形力学图？如何根据主应力图确定塑性变形的类型？ 1-14锻造、轧制、挤压和拉拔的变形力学图属何种类型？ 1-15塑性加工时的变形程度有哪几种表示方法？各有何特点？ 1-16已知一点的应力状态MPa，试求该应力空间中 的斜截面上的正应力和切应力为多少？ 1-17现用电阻应变仪测得平面应力状态下与x轴成0°，45°，90°角方向上的应力值分别为，试问该平面上的主应力各为多少？ 1-18 试证明： （1）
（2） 1-19 一圆形薄壁管，平均半径为R，壁厚为t，二端受拉力P及扭矩M的作用，试求三个主应力 的大小与方向。 1-20 两端封闭的薄壁圆管。受轴向拉力P，扭矩M，内压力ρ作用，试求圆管柱面上一点的主应力 的大小与方向。其中管平均半径为R，壁厚为t，管长为l。 1-21已知平面应变状态下，变形体某点的位移函数为， ，试求该点的应奕分量，并求出主应变的大小与方向。 1-22 为测量平面应变下应变分量将三片应变片贴在与x轴成0°，60°，120°夹角的方向上，测得它们的应变值分别为。试求以及主应变的大小与方向。 1-23 已知圆盘平锤均匀压缩时，质点的位移速度场为，，，其中 为全锤头压下速度，h为圆盘厚度。试求应变速度张量。 1-24 一长为l的圆形薄壁管，平均半径为R，在两端受拉力P，扭矩M作用后，管子的长度变成l1，两端的相对扭转角为，假设材料为不可压缩的。在小变形条件下给出等效应变与洛德参数的表达式。1-25某轧钢厂在三机架连轧机列上生产h×b×l=1.92×500×100,000mm的A3带钢产品（见图1-14），第1、3机架上的压下率为20%，第2机架上为25%，若整个轧制过程中带材的宽度b保持不变，试求带钢在该连轧机列上的总压下量及每机架前后带钢的尺寸为多少？ 图1-25 三机架连轧机列示意图 第二章金属塑性变形的物性方程
第三章 弹塑性有限元方法的实施 §3.1 增量平衡方程和切线刚度矩阵 1、 分段线性化的求解思想 塑性变形的特点决定了塑性本构关系的非线性和多值性，上面由塑性增量理论给 出了塑性应力—应变关系{}{}ep d D d σε=???? 其中 [][] {}{}[]{}[]{} T ep T F F D D D D F F A D σσ σ σ ????=- ??+ ?????? 说明当前应力状态不仅与当前应变有关，而且和达到这一变形状态的路径（加载历史）有关。这里包含了屈服准则、强化条件和加卸载准则。 由此，对物理非线性问题，通常采用分段线性化的纯增量法和逐次迭代的方法求解。即将加载过程分成若干个增量步，选择其中任意一个增量步建立它的增量平衡方程并求解，对整个过程的求解有普遍意义。 2、 增量平衡方程和切线刚度矩阵 设t 时刻（加载至i -1步终），结构（单元）在当前载荷（广义体力{}v f 和表面力{}s f ） 的作用下处于平衡状态，此时物体内一点的应力、应变状态为{}{}σε、。在此基础上，施加一个载荷增量{}{}v s f f ??和，即从t t t →+?时刻，则在体内必然引起一个位移增量{}u ?和相应的{}σ?、{}ε?，只要{}{}v s f f ??和足够小，就有{}{}ep D σε?=?????。 倘若初始状态{}σ已知，加载过程已知，则ep D ????可以确定（即p ij d ε?可以确定，然后 可在硬化曲线上得到1p ε所对应的硬化系数）于是上面的方程成为线性的。在t t t →+?这一增量过程中，应用于虚功原理可得到如下虚功方程： ()()()0e e T T T V V s s V S f f u dV f f u dS σσδεδδ??+?-+??-+??=?? ?? （1） 根据小变形几何关系u N q B q ε?=??=?和，再由虚位移()q δ?的任意性，并设 ()()e e T T v v s s V S P P N f f dV N f f dS +?= +?+ +?? ? ，展开后，其中单元在t 时刻载荷等效节点 力：e e T T v s V S P N f dV N f dS = + ? ? ；t ?内增量载荷的等效力e e T T v s V S P N f dV N f dS ?= ?+ ?? ? 。
塑性成形中的CAE应用 ——CAE 在汽车冲压件生产工艺中的优化应用 摘要:汽车冲压件在设计过程中采用快速冲压可行性分析,结合有限元软件和CAD 软件的造型功能,通过合理地分析、排样, 达到节省材料、降低生产成本的目的, 采用一步成形法有限元技术与增量有限元技术相结合的方法,分析设计出合理的工艺方案,并在生产实际中得到有效应用。 关键词:排样;冲压可行性;生成成本;CAE 技术 汽车是国民经济和现代生活中不可缺少的一种交通工具,汽车工业是一个国家工业化水平的代表性产业,它的兴衰成败又决定和影响着一大批工业产业的发展。以CAD和CAE为代表的计算机技术的出现使汽车的设计过程和设计理念也有了革命性的变化。钣金冲压件在卡车中总重量超过1/ 2 ,在轿车中达到3/ 4。随着经济全球化和一体化的不断发展, 汽车制造企业之间的竞争日趋激烈, 汽车冲压件更新换代的步伐不断加快。汽车冲压件设计制造中焦点问题是如何在保证质量的前提下达到成本最低; 同时进一步缩短冲压件的开发周期,也是汽车冲压件成为竞争取胜的决定因素。 随着计算机技术的不断发展, CAE(计算机辅助工程) 技术目前已经在各大汽车模具厂广泛用于产品模拟分析、冲压件成形过程分析。通过提前对产品可能出现的成形缺陷进行研究, 预示汽车冲压件成形的可行性。通过计算机数值模拟技术, 达到在设计阶段对冲压件质量进行预测, 控制成本, 提高产品工艺设计的合理性, 减少因为
设计的错误而造成返修。应用于汽车冲压件分析的主流软件是增量求解软件, 由于增量求解软件在前处理阶段花费大量的时间,计算速度相对较长,它非常适合冲压工艺最后验证阶段使用。一步成形技术可以在冲压件设计和早期工艺设计阶段发挥设置简单、求解速度快的优势,如果把一步成形法和增量求解法相结合,就能达到兼顾精度、提高效率的目的,目前这类方法在汽车工业界被广泛地采用。 2 降低成本措施及可行性分析 2. 1 降低成本 降低汽车冲压件生产制造成本包括降低材料成本、生产成本、人力成本等, 其中降低生产成本和降低人力成本的空间已经很小, 现在对于材料成本的控制显得更为迫切。冲压件在最初设计阶段采用CAD 和CAE 相结合技术, 根据CAE 的成本计算结果,调整几何形状,使冲压件展开后的外轮廓面积最小, 结合FormingSuite 软件的Costoptimizer 优化软件包,对汽车冲压件的仿真工艺设计过程进行分析,通过降低材料等级、厚度和增大冲压件设计的圆角半径及修剪冲压件的边缘各项措施, 达到降低材料成本的目的。 2. 2 冲压可行性分析 在钣金冲压件和工艺设计阶段, 对于已有的冲压件, 并不能预先知道坯料的几何形状。不同的冲压件形状和工艺条件会生成不同的坯料形状和尺寸。采用不成熟的技术时, 会造成冲压件不合格甚至报废。为了缩短设计过程和降低整个成本, 快速分析技术显得非常重要。有限元方法提供一个工具, 能够把试验和不成熟的方法从昂贵的
金属塑性成形 摘要：金属塑性成形技术是机械冶金、汽车拖拉机、电工仪表、宇航军工、五金日用品等制造业最基本，最古老，亦是极重要的加工手段之一。文章主要对塑性成形的基本方法、主要研究内容，发展趋势做了综合介绍。 一、引言 塑性成形技术具有高产、优质、低耗等显著特点,已成为当今先进制造技术的重要发展方向。据国际生产技术协会预测,21世纪,机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。【1】 在现代制造技术中，人们广泛的利用金属材料生产各种零件和产品。金属加工方法多种多样，包括成型、切削等。金属塑性成形是其中一种重要的加工方法，是利用金属在外力作用下产生的塑性变形来获得具有一定形状、尺寸和力学性能的原材料、毛坯或零件的生产方法，因此也称为金属塑性加工或金属压力加工。 图1 传统金属塑性成形工艺 二、金属塑性成形的主要形式 金属塑性成形工艺的种类有很多，包括轧制、挤压、拉拔、锻造和冲压等基本工艺类型。随着技术的发展，也有很多新的成型方式出现，它们具备精密、高效、节能、节材、清洁等优点，得到广泛关注。
2.1 体积成型 金属体积成型是指对金属块料、棒料或厚板在高温或室温下进行成形加工的方法，主要分为热态金属体积成型和冷温态金属体积成型。热态金属变形过程可分为热锻、轧制、挤压、拉拔、辗压等工艺技术；冷温态变形过程可分为冷锻、冷精轧、冷挤压、冷拔、冷辗扩等工艺。 2.2 板材成型 所谓板材成型是指用板材、薄壁管、薄型材等作为原材料进行塑性加工的成形方法。在忽略板厚的变化时，可视为平面变形问题来处理，板材成型可分为:冲裁、弯曲、拉延、胀形、翻边、扩孔、辊压等工艺技术。 2.3 粉末态金属成形 随着制粉技术的发展，其应用领域不断扩展，对于复杂形状的机械零件来说，它具有高效、精密成形的特点，但成本较高，机械性能不如整体金属材料。粉末态金属成形的工艺过程为制粉、造型、压实、烧结、精锻。 2.4半固态金属材料成形 70年代开发研究的新技术，原金属材料作过特殊前处理，当材料加热到一定温度时可使30%的金属材料处于融溶状态，其余70%的金属材料呈均匀细颗粒组织的固态。在此状态加压变形，其流动性特好，可成形结构形状特别复杂的零件，而变形杭力很小。 2.5 复合成形技术 现代的科学越来越相互交叉、渗透，出现许多边缘学科、交叉学科一样，材料成形技术也逐渐突破原有铸、锻、焊、粉末冶金等技术相互独立的格局，相互融合、渗透，产生了种类繁多的“复合成形技术”。【2】金属塑性的复合成型技术主要有两个方面 （1）各种成形工艺的组合优化达到优化工艺和产品的目的。 （2）铸、锻、焊、热处理等不同加工方法的组合。 三、金属塑性成形技术主要研究内容 由于压力加工中,少、无切屑的特点和精密加工技术的发展,使金属塑性成型理论的研究受到日益广泛的重视而进入工程应用的前列.一般认为,研究金属塑性科学的历史开始于Tresa在1864年提出的屈服准则,至今不过100多年,而
基于D-P准则的三维弹塑性有限元 增量计算的有效算法 A practical3D ela sto2pla stic incremental method in FEM ba sed on D-P yield criteria 杨 强,陈 新,周维垣 (清华大学水利系,北京 100084) 摘 要:针对岩土材料常用的D-P准则,提出了一种新的增量分析方法,不用形成弹塑性增量矩阵,直接导出了符合正交流动法则的转移应力的解析解。该方法无论是对小步长还是大步长加载均有良好的收敛性。当采用精细的步长划分时,它就是严格意义上的理想弹塑性增量计算。在大步长情况下,在收敛域内最大载荷低于结构真实的极限承载力;对应的应力场是一个静力容许应力场;同时由于正交流动法则在平均意义下得到满足,收敛域内最大载荷接近结构真实的极限承载力。按此法所得结果接近真解且偏于安全。将整个计算模型装入三维非线性有限元程序TFI NE中,对某拱坝进行了超载分析。 关键词:转移应力;极限载荷;点安全度 中图分类号:T U452 文献标识码:A 文章编号:1000-4548(2002)01-0016-05 作者简介:杨 强(1964-),男,云南人。1988年在清华大学获硕士学位,1996年在奥地利Innsbruck大学获博士学位,现为清华大学水利系教授。主要从事水工结构及岩石力学方面的研究工作。 Y ANG Qiang,CHE N X in,ZH OU Wei2yuan (Department of Hydraulic Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China) Abstract:In this paper,focused on popularly used D-P yield criteria in geomaterials,a new incremental method in which the stresses to be trans2 ferred according to normal flow rule are directly derived without forming elasto2plastic increment matrix,was proposed.This method converges for either small load steps or large load steps.When very small load steps are used,the method is equivalent to standard elasto2plastic incremental method.When large load steps are used,the maximum load applied is lower than limit load in structure,the calculated stress field is an static ad2 missible one.As normal flow rule is satisfied in average,the maximum load is close to limit load.The soltion calculated by the method is on the safe side and close to real solution.The method was embedded into a3D nonlinear FEM software named TFINE,and overloading analysis was performed on an arch dam. K ey words:the stresses to be transferred;normal flow rule;limit load 1 引 言Ξ 岩土材料具有很复杂的本构特性,如各向异性、硬化、软化等,目前描述岩土材料的本构模型非常多。但在实际工程三维有限元计算分析中,尤其是在岩体工程里,大量使用的仍是最简单D-P准则及理想弹塑性分析。其主要原因是参数选取不易。如在二滩高拱坝建设中,做了大量坝肩岩体现场大型抗剪试验,但具体到某一岩级,试验点数仍然很有限,且离散性很大。很难完全依赖试验确定参数,一般都要进行工程类比,对中、小工程工程类比更是参数确定的主要手段。最终一般只能给出岩体的抗剪参数f,c值。在这种情况下,从工程实用角度来说,追求本构关系的精致、完备并无太多实用意义。 相对而言,在岩土工程三维非线性有限元分析里,计算收敛性是一个较大的问题。弹塑性增量计算要采用精细的步长划分,才能确保计算收敛到正确解。在岩土工程,尤其是岩体工程里,荷载量级都很大,如高拱坝对水荷载的极限承载力可达上亿吨,而这对两岸高陡边坡所承受的的自重荷载来说,还只是一个小数,又如高地应力区大型地下洞室、高边坡(如三峡船闸高边坡)开挖过程中的释放荷载量级也十分巨大。若采用精细的步长划分,计算量将很大。岩体地质构造复杂,三维网格划分时经常会有畸形单元。由于地址缺陷或加固措施导致相邻单元材料性质差异过大,再加上高水平的荷载,各种因素交互影响,使得在计算过程中,经常出现局部发散现象,使得增量计算难以进行下去,最终结果可信度低,也难以从计算结果判断何时结构丧失稳定性。而对岩土工程来说,往往更关注结构的稳定性和极限承载力,而非应力和位移分布。 Ξ基金项目:国家自然科学基金资助项目(59879005);清华大学基础研究基金资助项目 收稿日期:2001-04-12 第24卷 第1期岩 土 工 程 学 报V ol.24 N o.1 2002年 1月Chinese Journal of G eotechnical Engineering Jan., 2002
塑性成形过程中的有限元法 金属塑性成形技术是现代化制造业中金属加工的重要方法之一。它是金属材料在模具和锻压设备作用下发生变形，获得所需要求的形状、尺寸和性能的制件的加工过程。金属成形件在汽车、飞机仪表、机械设备等产品的零部件中占有相当大的比例。由于其具有生产效率高，生产费用低的特点，适合于大批量生产，是现代高速发展的制造业的重要成形工艺。据统计，在发达国家中，金属塑性成形件的产值在国民经济中的比重居行业之首，在我国也占有相当大的比例。 随着现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模具设计方面提出了更高的要求。若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不当，则会造成产品达不到质量要求，造成大量的次品和废品，增加了模具的设计制造时间和费用。为了防止缺陷的产生，以提高产品质量，降低产品成本，国内外许多大公司企业及大专院校和研究机构对塑性成形件的性能、成形过程中的应力应变分布及变化规律进行了大量的理论分析、实验研究与数值计算，力图发现各种制件、产品成形工艺所遵循的共同规律以及力学失效所反映的共同特征。由于塑性成形工艺影响因素甚多，有些因素如摩擦与润滑、变形过程中材料的本构关系等机理尚未被人们完全认识和掌握，因而到目前为止还未能对各种材料各种形状的制件成形过程作出准确的定量判定。正因为大变形机理非常复杂，使得塑性成形研究领域一直成为一个充满挑战和机遇的领域。 一般来说，产品研究与开发的目标之一就是确定生产高质量产品的优化准则，而不同的产品要求不同的优化准则，建立适当的优化准则需要对产品制造过程的全面了解。如果不掌握诸如摩擦条件、材料性能、工件几何形状、成形力等工艺参数对成形过程的影响，就不可能正确地设计模具和选择加工设备，更无法预测和防止缺陷的生成。在传统工艺分析和模具设计中，主要还是依靠工程类比和设计经验，经过反复试模修模，调整工艺参数以期望消除成形过程中的产品缺陷如失稳起皱、充填不满、局部破裂等。仅仅依靠类比和传统的经验工艺分析和模具设计方法已无法满足高速发展的现代金属加工工业的要求。因此，现代金属成形工艺分析过程中，建立适当的“过程模拟”非常重要。随着计算机技术的发展，人们已经认识到数值模拟在金属成形工程中的重要价值，这一领域已成为现代国内外学者的研究热点。 应用塑性成形的数值模拟方法主要有上限法（Upper Bound Method）、边界元法(Boundary Element Method)和有限元法（Finite Element Method）。上限元法常用于分析较为简单的准稳态变形问题；而边界元法主要用于模具设计分析和温度计算。对于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈非稳态，形状、边界、材料性质等都会发生很大的变化，有限元法可由实验和理论方法给出的本构关系、边界条件、摩擦关系式，按变分原理推导出场方程，根据离散技术建立计算模型，从而实现对复杂成形问题进行数值模拟。分析成形过程中的应力应变分布及其变化规律，由此提供较为可靠的主要成形工艺参数。因此基于有限元法的塑性成形数值模拟技术是当前国际上极具发展潜力的成形技术前沿研究课题之一。 正确设计和控制金属塑性成形过程的前提条件是充分掌握金属流动、应力应变状态、热传导、润滑、加热与冷却及模具结构设计等方面的知识。任何分析方法都是为工程技术人员服务的，其目的是帮助工程技术人员掌握金属流动过程中应力应变状态等方面知识，一个好的分析方法至少应包括以下几个功能： （1）在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动学关系，预测金属塑性成形过程中的金属流动规律，其中包括应力应变场量变化、温度变化及热传导等。 （2）计算金属塑性成形极限，即保证金属材料在塑性变形过程中不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。 （3）预测金属塑性成形过程得以顺利进行所需的成形力及能量，为正确选择加工设备和进行模具设计提供依据。 当前，有限元法已成为分析和研究金属塑性成形问题的最重要的数值分析方法之一，它具有以下优点：（1）由于单元形状具有多样性，有限元法使用与任何材料模型，任意的边界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生处理上的困难。金属材料的塑性加工过程，均可以利用有限元法进行分析，而其它的数值
弹塑性有限元法与刚塑性有限元法 板料成形数值模拟涉及到连续介质力学中材料非线性、几何非线性、边界条件非线性三非线性问题的计算，难度很大。随着非线性连续介质力学理论、有限元方法和计算机技术的发展，通过高精度的数值计算来模拟板料成形过程已成为可能。从70年代后期开始，经过近二十年的发展，板料成形数值模拟逐渐走向成熟，并开始在汽车、飞机等工业领域得到实际应用。 本文评述了板料成形数值模拟的发展历史和最新进展，并指出了该领域的发展趋势。 1、板料成形的典型成形过程、物理过程与力学模型 典型成形过程 板料成形的具体过程多种多样，在模拟分析时，可归纳成如图1所示的典型成形过程。成形时，冲头在压力机的作用下向下运动，给板料一个作用压力，板料因此产生运动与变形。同时，冲头、压力圈和凹模按一定方式共同约束板料的运动与变形，从而获得所要求的形状与尺寸。 物理过程 板料成形的物理过程包括模具与板料间的接触与摩擦；由于金属的塑性变形而导致的加工硬化和各向异性化；加工中可能产生的皱曲、微裂纹与破裂及由于卸载而在零件中产生回弹。 力学模型 板料成形过程可归纳成如下的力学问题：
给定冲头位移、凹模位移及压边圈历程函数，求出板料的位移历程函数，使其满足运动方程、初始条件、边界条件、本构关系及接触摩擦条件。 2板料成形数值模拟的发展历史 塑性有限元方法的发展 根据材料的本构关系，用于板料成形分析的非线性有限元法大体上分为刚-（粘）塑性与弹-（粘）塑性两类。 粘塑性有限元法很早就在板料成形分析中应用过，只是未能推广。事实上，粘塑性有限元法适用于热加工。在热加工时，应变硬化效应不显著，材料形变对变形速率有较大敏感性。