下载文档原格式
一、有限元模拟方法金属切削数值模拟常用到两种方法，欧拉方法和拉格朗日方法。
欧拉方法适合在一个可以控制的体积内描述流体变形，这种方法的有限元网格描述的是空间域的，覆盖了可以控制的体积。
在金属切削过程中，切屑形状的形成过程不是固定的，采用欧拉方法要不断的调整网格来修改边界条件，因此用欧拉方法进行动态的切削过程模拟比较困难。
欧拉方法适用于切削过程的稳态分析（即“Euler方法的模拟是在切削达到稳定状态后进行的”[2]），仿真分析之前要通过实验的方法给定切屑的几何形状和剪切角[1]。
而拉格朗日方法是描述固体的方法，有限元网格由材料单元组成，这些网格依附在材料上并且准确的描述了分析物体的几何形状，它们随着加工过程的变化而变化。
这种方法在描述材料的无约束流动时是很方便的，有限元网格精确的描述了材料的变形情况。
实际金属切削加工仿真中广泛采用的拉格朗日方法，它可以模拟从初始切削一直到稳态的过程，能够预测切屑的形状和工件的残余应力等参数[2]。
但是用这种方法预定义分离准则和切屑分离线来实现切屑和工件的分离，当物质发生大变形时常常使网格纠缠，轻则严重影响了单元近似精度，重则使计算中止或者引起严重的局部变形[1]。
为了克服欧拉描述和拉格朗日描述各自的缺点，Noh和Hirt在研究有限差分法时提出了ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)描述，后来又被Hughes，liu和Belytschko等人引入到有限元中来。
其基本思想是:计算网格不再固定，也不依附于流体质点，而是可以相对于坐标系做任意运动。
由于这种描述既包含Lagrange的观点，可应用于带自由液面的流动，也包括了Euler观点，克服了纯Lagrange方法常见的网格畸变不如意之处。
自20世纪80年代中期以来，ALE描述己被广泛用来研究带自由液面的流体晃动问题、固体材料的大变形问题、流固祸合问题等等。
金属的高速切削过程是一个大变形、高应变率的热力祸合过程，正适合采用ALE方法。
韧性断裂准则的参数标定方法及其适用性研究摘要在工业生产过程中，材料由于承受大应力和大变形而产生起裂，因此通过数值模拟方法预测材料在成形过程中的起裂位置、起裂时刻以及裂纹扩展的方式越来越受到人们的重视。
数值模拟结果的准确性依赖于所选取的韧性断裂准则。
由于可移植性好，很多韧性断裂准则都已经被植入各主流的商业有限元软件中，使用者通过输入模型参数即可使用。
而一般的韧性断裂准则往往存在众多参数，不同的参数所得到的模拟结果截然不同。
模型参数确定需要通过一系列的不同应力状态的试验结果得到，但是所需要的应力状态变量在试验过程中并不是一个定值，因此有学者引入了平均值的计算方法来便于进行参数的标定。
不过目前还没有人评估过，该计算方法确定的参数是否会对韧性断裂准则的使用引入新的误差。
因此研究韧性断裂准则的参数标定方法及其适用性对于有限元数值模拟的应用具有重要意义。
为了评估使用平均值变量带来的误差，本文引入一系列的宽应力三轴度的试验，并提取了试验模拟的初始起裂点的断裂相关状态变量，如应力三轴度、罗德参数和等效断裂应变。
在此基础上，计算了初始起裂点的平均应力三轴度和平均罗德参数，并利用L-H韧性断裂准则来评估使用平均值变量带来的误差，同时引入了一个相对误差公式来标定该误差。
通过比较每组试验计算的累积损伤值和临界阈值，得到了使用平均值变量所引入的相对误差。
研究发现，在压缩试验中，该相对误差值较大。
且对于不同的试验，参数值C1和C2对引入相对误差值的影响也是不尽相同的。
因此为了深入探究平均值变量引入的误差受到哪些因素的影响，针对韧性断裂准则中存在的变量，如参数值C1和C2、应力三轴度与等效应变的函数类型以及被积函数类型，建立了一系列的以不同应力三轴度与等效应变的函数类型为基础的研究。
应力三轴度与等效应变的函数对引入相对误差的影响，即分段函数的指数a、应力三轴度截距值以及等效应变分段值对引入相对误差的影响。
研究发现，参数C2、应力三轴度与等效应变函数的指数a和应力三轴度截距值，会对相对误差的增加产生较大影响。
金属材料的断裂力学分析和残余寿命预测近年来，金属材料的断裂力学分析和残余寿命预测成为了材料科学领域中备受关注的研究方向。
这项研究的目的是通过深入了解金属材料在受力过程中的断裂行为，为材料设计、工程应用以及安全评估等方面提供科学依据。
一、断裂力学分析断裂力学是研究固体材料在外力作用下产生破裂的力学学科。
在金属材料中，断裂通常是由于内部缺陷的存在而引起的。
这些缺陷包括晶界、小孔、夹杂物等。
缺陷对金属材料的性能具有重要影响，因此了解和分析材料的断裂行为对于材料的使用和改进至关重要。
1. 断裂模型研究者们提出了多种断裂模型来描述金属材料的断裂行为，其中最常用的模型是弹性力学断裂力学模型和塑性断裂力学模型。
弹性力学断裂力学模型主要考虑材料在弹性应变下的断裂行为，而塑性断裂力学模型则更加注重材料塑性变形和断裂过程中的细节。
2. 断裂准则断裂准则用于判断材料何时产生断裂破坏。
其中最常用的是最大剪应力准则和最大主应力准则。
最大剪应力准则是指当材料中某一点的剪应力达到其最大剪应力强度时，发生断裂破坏。
而最大主应力准则是指当材料中某一点的主应力达到其最大主应力强度时，发生断裂破坏。
二、残余寿命预测残余寿命预测是对金属材料在实际使用过程中的剩余寿命进行评估和预测的一项技术。
通过研究材料的断裂行为和疲劳寿命特性，可以有效地预测金属材料的残余寿命，为工程实践提供技术支持。
1. 断裂机制与残余寿命金属材料在使用过程中，常常受到连续加载和卸载的作用，这会导致材料发生疲劳断裂。
疲劳断裂是金属材料最常见的破坏形式之一。
通过对金属材料在疲劳加载下断裂机制的研究，可以预测材料的残余寿命。
2. 寿命预测方法目前，对金属材料残余寿命的预测主要应用两种方法：经验性寿命模型和损伤力学方法。
经验性寿命模型通过分析和总结金属材料在实际使用过程中的寿命数据，建立起材料的寿命模型，从而预测材料的残余寿命。
而损伤力学方法则侧重于分析材料内部的微观损伤演化和扩展过程，通过损伤积累规律来预测材料的残余寿命。
金属材料强度分析中的有限元模拟方法引言：金属材料的强度分析是工程设计和结构优化的重要工具。
有限元模拟方法是一种广泛应用于工程领域的数值分析方法，能够模拟结构在受力条件下的行为，并计算材料的强度参数。
本文将介绍金属材料强度分析中的有限元模拟方法，并探讨其在实际工程中的应用。
1. 有限元模拟方法概述有限元模拟方法是一种将连续物体分割为离散的有限元素，并采用数学模型来描述这些元素之间的相互作用的数值方法。
在金属材料强度分析中，有限元模拟方法能够精确地描述结构的几何形状、材料特性和受力条件，并通过求解结构中各个节点的应力和变形来计算强度参数。
2. 金属材料强度分析的主要步骤金属材料强度分析的主要步骤包括几何建模、材料特性定义、边界条件设置、应力求解和强度参数计算。
首先，需要对结构进行几何建模。
通过计算机辅助设计（CAD）软件，可以准确地绘制材料的二维或三维几何模型。
在建模过程中，需要注意结构的尺寸、形状和边界条件的设置。
其次，需要定义材料的特性。
金属材料的强度特性包括杨氏模量、泊松比、屈服强度和断裂韧性等。
这些特性可以通过实验测试或材料数据库获得。
然后，需要设置结构的边界条件。
边界条件是指结构在受力情况下的约束条件。
常见的边界条件包括固定边界、受力边界和支撑边界。
这些条件的设置直接影响到模拟结果的准确性。
接下来，通过求解有限元方程组，计算结构中各个节点的应力和变形。
有限元方程组可以由结构的刚度矩阵和载荷矢量构成。
通过求解这个方程组，可以得到结构的应力和变形分布。
最后，通过计算定义的强度参数，评估结构的强度。
常见的强度参数包括最大主应力、最大剪应力、等效应力和变形能等。
这些参数能够帮助工程师评估结构的可靠性和安全性。
3. 有限元模拟方法的应用金属材料强度分析中的有限元模拟方法在实际工程中有广泛的应用。
以下是几个典型的应用案例：（1）机械零件强度分析：通过有限元模拟方法，可以评估机械零件在受力条件下的强度。
金属切削过程韧性断裂的有限元仿真现状工件材料的断裂准则是金属切削加工有限元仿真的关键技术。
分析了国内外金属切削加工有限元仿真的研究现状，并进一步对不同工件材料的断裂仿真技术的特点、适用条件进行了比较分析，指出了现阶段工件材料断裂准则仿真技术尚存在的问题，探讨了切削过程有限元仿真技术的发展趋势，为切削过程有限元建模发展提供一定的参考。
标签：金属切削：韧性断裂；有限元模型引言金属切削加工在21世纪依然是机械制造业的主要加工方法。
它在保证高效率和低成本的基础上，通过刀具和工件的相互作用，去除工件表面的多余材料，来获得所需工件形状、加工精度和表面质量要求。
而在在金属切削加工工艺中，不可避免地出现材料断裂现象，所以必须合理地利用材料产生的断裂，才能实现切削工艺过程[1]。
现代工业研究方法主要包括三种：理论分析、试验研究和有限元仿真，这三种方法可以综合利用。
有限元技术以其周期短、结果准确、成本低等诸多优点，获得了广大工程技术和研究人员的青睐。
基于有限元仿真技术强大的数值分析能力，它已成为定量研究金属切削加工过程的有效手段，该技术对减少制造成本，缩短产品制造周期和提高产品质量具有重要意义。
1 应用背景19世纪中期，人们开始对金属切削过程的研究，到现在已经有一百多年历史。
由于金属切削本身具有非常复杂的机理，对其研究一直是国内外研究的重点和难点。
过去通常采用实验法，它具有跟踪观测困难、观测设备昂贵、实验周期长、人力消耗大、综合成本高等不利因素。
传统的切削过程研究中，试验法是最主要的研究方法，即根据试验结果得出经验公式，从而预报切削力。
日益增长的时间设备材料和人力成本的消耗促使人们寻找更通用、更有效的研究方法。
而有限元法在分析弹塑性大变形问题，包括分析需要考虑与温度相关的材料性能参数和具有很大的应变速率的问题方面有着杰出的表现。
在金属断裂行为的预测方面，有限元技术可以对其进行模拟仿真，仿真过程能否顺利进行，对断裂行为的预测准确与否，取决于很多因素，其中断裂准则的准确获得以及有限元仿真过程断裂行为网格的调整和重新划分技术，成为工艺顺利进行和结果准确的关键。
金属材料疲劳断裂机理的数值仿真模拟与分析疲劳断裂是金属材料在受到交变载荷作用下出现的一种常见破坏形式。
为了准确分析金属材料的疲劳断裂机理，并预测其寿命，数值仿真模拟成为一种重要的研究方法。
本文将介绍金属材料疲劳断裂机理的数值仿真模拟与分析的方法和应用。
首先，金属材料疲劳断裂机理包括载荷作用、裂纹萌芽、扩展和最终破裂四个基本阶段。
数值仿真模拟的目的是通过对这些阶段的模拟和分析，揭示金属材料疲劳断裂的本质规律。
在模拟过程中，需要考虑金属材料的力学性能、材料参数以及结构尺寸等因素。
其次，数值仿真模拟金属材料疲劳断裂的方法可以分为两大类：基于有限元分析的方法和基于离散元分析的方法。
基于有限元分析的方法是一种常用的金属材料疲劳断裂模拟方法。
该方法首先将金属材料的力学模型建立为一组有限元模型，然后在有限元模型中引入载荷作用，并考虑材料的损伤和断裂准则，通过求解有限元方程组得到材料的应力和应变分布。
最后，根据应力和应变分布的结果，可以进一步计算金属材料的损伤积累和裂纹扩展速率，从而预测疲劳寿命。
基于离散元分析的方法是一种较新的金属材料疲劳断裂模拟方法。
该方法将金属材料分为一组离散的粒子，通过模拟粒子间的相互作用和运动行为，来研究材料的疲劳断裂过程。
该方法可以更加直观地反映金属材料疲劳断裂的微观机制，提高仿真的准确性。
无论是基于有限元分析的方法还是基于离散元分析的方法，数值仿真模拟金属材料疲劳断裂时，都需要准确模拟载荷作用、裂纹萌芽和扩展过程。
在模拟载荷作用时，可以根据实际工况和应力历程来确定载荷类型和大小。
在模拟裂纹萌芽过程时，可以考虑材料的应变能和应力强度因子等参数。
在模拟裂纹扩展过程时，可以使用一些经验公式或材料本身的断裂准则。
数值仿真模拟金属材料疲劳断裂的结果可以通过实验进行验证和验证。
将仿真结果与实验结果进行比较和分析，可以验证模拟方法的有效性和准确性，并可以进一步优化模拟参数和模型。
总之，数值仿真模拟是一种研究金属材料疲劳断裂机理的重要方法。
第32卷第3期Vo l 32 No 3锻 压 技 术FORGING &STAMPING TECHNOLOGY2007年6月Jun.2007基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析*胡建军1**,许洪斌1,金 艳2,陈元芳1(1 重庆工学院材料学院,重庆 400050;2 重庆工学院计算机学院,重庆 400050)摘要:为获得金属各种断裂行为的有限元分析与实际情况的符合度,论述了金属材料在有限元分析中常见断裂的判断方法。
介绍了断裂行为有限元分析关键技术和常见延性断裂准则,并提出一种获得金属断裂准则的方法,以及此方法在断裂行为有限元分析中的成功应用。
介绍了断裂行为有限元分析过程中有限元网格的调整和重划分,有限元技术在挤压、金属切削、切断和精冲工艺中断裂行为的成功分析,得出断裂行为有限元分析中的关键因素。
关键词:断裂行为;有限元;断裂准则中图分类号:TG111 91;TG301 文献标识码:A 文章编号:1000 3940(2007)03 0100 04Application and analysis of metal fracture behavior based on FEM calculationHU Jian jun 1,XU Hong bin 1,JIN Yan 2,CHEN Yuan fang 1(1 Depar tment o f M ater ial Science and Eng ineering ,Cho ng qing Institute of T echno lo gy ,Cho ng qing 400050,China;2 Depart ment o f Co mputer Science and Eng ineering ,Chongqing Institute of T echnolog y,Cho ng qing 400050,China)Abstract:In or der to o btain the confor mity betw een F EM analysis and the r eal conditio n of the metal fr actur e behav io r,the general judgement met ho d of metal fracture FEM analy sis w as discussed T he key technolog y of FEM used fo r metal fracture behavio r w as introduced in detail T he g ener al ductility fr act ur e criterion w as discussed and a fracture cr iter ion method was put fo rw ard T he adjustment and re meshing of f inite element gr id fo r met al fracture behavio r and t he successful applicat ion of FEM t echnolog y to metal fracture behavio r during ex trusion,cutt ing and stamping w ere int roduced T he key facto r of F EM used for metal fr act ur e behavior w as acquired Keywords:fracture behav io r;f inite element metho d;fracture cr iterion*重庆科委自然科学基金资助项目(CSTC2006BB3407,CSTC2005BB3080)**男,32岁,硕士,讲师收稿日期:2006 06 13;修订日期:2006 08 251 引言制造业是现代工业的基础,其中金属材料成形占有相当大的比重。
应用断裂力学理论分析金属切削过程中的刀具断裂问题在金属切削过程中，刀具的断裂问题是制约切削效率和加工质量的重要因素之一。
应用断裂力学理论对刀具断裂问题进行分析，可以帮助我们更好地理解切削过程中刀具断裂的原因和机理，从而采取相应的措施来解决这一问题。
首先，刀具断裂的原因可以归结为外力作用和材料内部缺陷两个方面。
外力作用包括切削压力、切削热等，这些外力作用会导致刀具产生应力集中，从而导致刀具的断裂。
材料内部缺陷包括晶体结构、气孔、夹杂物等，这些缺陷会降低刀具的强度和韧性，增加其断裂风险。
其次，断裂力学理论可以为我们提供刀具断裂的分析方法。
断裂力学理论主要包括线性弹性断裂力学、线性弹塑性断裂力学和非线性断裂力学等。
其中，线性弹性断裂力学适用于判断刀具的静态断裂问题，而线性弹塑性断裂力学和非线性断裂力学适用于分析刀具的动态断裂问题。
对于静态断裂问题，可以利用线性弹性断裂力学理论来分析刀具的破坏韧性。
破坏韧性是刀具材料抵抗断裂的能力，通常用断裂韧性指标来表示，如KIC值和GIc值。
这些指标可以通过断裂试验来测定，然后与切削过程中的应力集中区域进行对比，从而预测刀具是否会发生静态断裂。
而对于动态断裂问题，需要考虑切削过程中的载荷速率和温度变化等因素。
可以利用线性弹塑性断裂力学理论和非线性断裂力学理论来分析刀具在动态载荷下的破坏行为。
具体分析过程可以采用有限元模拟方法，通过建立准确的刀具模型和加载条件，预测刀具的动态断裂风险。
除了分析刀具断裂的原因和机理，断裂力学理论还可以指导我们采取相应的措施来解决刀具断裂问题。
例如，在刀具设计过程中，可以选择具有较高强度和韧性的材料，以提高刀具的抗断裂能力。
此外，合理的刀具几何形状和刀具刃磨工艺也可以减少切削过程中的应力集中和刀具磨损，从而延长刀具的使用寿命。
总之，应用断裂力学理论分析金属切削过程中的刀具断裂问题，可以帮助我们更好地理解刀具断裂的原因和机理，并采取相应的措施来解决这一问题。
基于有限元分析的金属材料力学性能研究随着金属材料应用范围的不断扩大，对其力学性能的研究显得越来越重要。
而有限元分析作为一种在工程学科中广泛使用的分析方法，也成为了金属材料力学性能研究中一个不可或缺的工具。
首先，我们需要了解有限元分析的原理。
有限元分析是一种通过将实际物体划分为有限个较小的元素，并针对每个元素建立数学模型，再通过计算得出整个物体的力学行为的方法。
在金属材料力学性能研究中，我们通常将材料模型划分为网格，然后对每个网格进行数值模拟，以求出该材料在受力时的应变和应力等各个参数。
通过数值模拟，我们可以研究材料在不同受力条件下的变形和断裂行为，以及材料的力学性能，如强度、刚度等等。
在进行有限元分析时，我们需要考虑的因素很多，包括材料的物理性质、材料划分的形状和大小、边界条件等等。
以某种金属材料的研究为例，我们可以将材料模型划分为若干个网格，然后给每个网格加上必要的物理性质，例如材料的弹性模量、泊松比等。
最后根据实际受力条件，设定边界条件，进行数值模拟，并根据计算结果，得出材料的力学性能。
当然，在研究金属材料的力学性能时，还需要考虑材料的不同特性对其力学性能的影响。
例如，不同的金属材料其力学性能显然会存在差异。
同时，不同的热处理方式、加工工艺等也会对材料的力学性能产生不同的影响。
因此，我们在研究金属材料的力学性能时，需要考虑这些因素，并且针对不同情况制定不同的有限元分析方案。
除了以上提到的因素外，还有一个非常重要的因素，那就是材料的精度。
在进行有限元分析时，材料的精度对研究结果极其重要。
过高或过低的精度都会对研究结果产生影响，因此我们需要在有限元分析前，对材料的精度进行必要的检验和调整，以保证研究结果的准确性和可靠性。
总的来说，基于有限元分析的金属材料力学性能研究是一个相对复杂的领域。
但是，通过不断地优化分析方法和技术手段，我们能够更加准确地研究材料的力学性能，为材料的应用提供更为可靠的理论依据。
第32卷第3期Vo l 32 No 3锻 压 技 术FORGING &STAMPING TECHNOLOGY2007年6月Jun.2007基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析*胡建军1**,许洪斌1,金 艳2,陈元芳1(1 重庆工学院材料学院,重庆 400050;2 重庆工学院计算机学院,重庆 400050)摘要:为获得金属各种断裂行为的有限元分析与实际情况的符合度,论述了金属材料在有限元分析中常见断裂的判断方法。
介绍了断裂行为有限元分析关键技术和常见延性断裂准则,并提出一种获得金属断裂准则的方法,以及此方法在断裂行为有限元分析中的成功应用。
介绍了断裂行为有限元分析过程中有限元网格的调整和重划分,有限元技术在挤压、金属切削、切断和精冲工艺中断裂行为的成功分析,得出断裂行为有限元分析中的关键因素。
关键词:断裂行为;有限元;断裂准则中图分类号:TG111 91;TG301 文献标识码:A 文章编号:1000 3940(2007)03 0100 04Application and analysis of metal fracture behavior based on FEM calculationHU Jian jun 1,XU Hong bin 1,JIN Yan 2,CHEN Yuan fang 1(1 Depar tment o f M ater ial Science and Eng ineering ,Cho ng qing Institute of T echno lo gy ,Cho ng qing 400050,China;2 Depart ment o f Co mputer Science and Eng ineering ,Chongqing Institute of T echnolog y,Cho ng qing 400050,China)Abstract:In or der to o btain the confor mity betw een F EM analysis and the r eal conditio n of the metal fr actur e behav io r,the general judgement met ho d of metal fracture FEM analy sis w as discussed T he key technolog y of FEM used fo r metal fracture behavio r w as introduced in detail T he g ener al ductility fr act ur e criterion w as discussed and a fracture cr iter ion method was put fo rw ard T he adjustment and re meshing of f inite element gr id fo r met al fracture behavio r and t he successful applicat ion of FEM t echnolog y to metal fracture behavio r during ex trusion,cutt ing and stamping w ere int roduced T he key facto r of F EM used for metal fr act ur e behavior w as acquired Keywords:fracture behav io r;f inite element metho d;fracture cr iterion*重庆科委自然科学基金资助项目(CSTC2006BB3407,CSTC2005BB3080)**男,32岁,硕士,讲师收稿日期:2006 06 13;修订日期:2006 08 251 引言制造业是现代工业的基础,其中金属材料成形占有相当大的比重。
在金属成形和加工工艺中,不可避免地出现材料断裂现象。
对于拉深、挤压、拉拔、轧制和锻造等工艺,是通过材料的塑性变形来获得工件最终的形状,材料的断裂是成形过程中需要避免的主要缺陷之一,在设计这些工艺时必须避免。
对于通过塑性变形和断裂过程结合来实现工件的成形,例如冲裁、切料、剪切以及切削工艺,断裂往往是不可避免的,必须合理地利用材料产生的断裂,才能实现这些工艺过程[1]。
现代工业研究方法主要包括3种:理论分析、试验研究和有限元仿真,这3种方法可以综合利用。
有限元技术以其周期短、结果准确、成本低等诸多优点,获得了广大工程技术和研究人员的青睐。
本文利用有限元技术研究材料断裂行为,准确分析金属加工和成形过程的裂纹产生和材料断裂,预测出给定加工工艺最终的产品质量,为设计工艺给出准确评判并为进一步改进工艺指明方向。
2 有限元分析技术中的断裂判断有限元法分析在预测断裂问题上提供了强有力的工具,在实际应用中,必须针对具体情况来选择适用的断裂判据,主要用到的断裂判据如下。
2 1 FLD (变形界限图)这种判据在以平面应变为主的板料成形分析中应用广泛,不同变形模式下的板厚应变极限不同。
在冲压成形中,有各种各样的变形模式,FLD 的实质就是断裂和没有断裂的变形模式的界限,判断某点是否产生断裂,就是判断该点的变形模式是落在哪个区域中。
通过软件分析材料的应变,将其放在FLD 中考察,若有点落在断裂区域,则表示该点处产生断裂,反之则未产生断裂。
这种方式可以判断材料的断裂,但不能直观显示断裂后材料的具体形貌特征[2]。
2 2 延性断裂准则金属在加工过程中发生的断裂大多是延性断裂,很少发生脆性断裂。
一般认为,金属中的延性断裂是由空洞(void )的聚结和增长引起的。
这些空洞是材料中由于位错堆积、第二相粒子或其他缺陷产生的,在金属塑性变形的作用下,空洞能够长大、直至一定数量的空洞聚结起来形成裂纹。
很多学者已根据其研究成果提出了自己的断裂准则[3-5],如表1所示。
表1 常见断裂准则Table 1 General fracture criterion断裂准则公式三向应力准则(Rice and Tracery)f 0exp 1 5md =C 1大变形准则(Freudenthal) f 0d=C2C ockroft and Latham 准则f 01d =C 3Atkins 准则f1+1/2L 1-c m d =C 4可压缩材料准则(Oyan e )f1+Amd =C 5Ayada 准则f 0md =C 6塑性准则(Plas tic strain )=C 7表1中: f 发生断裂时的总塑性应变m 静水压力等效应力 1 最大主应力c 材料常数,取0 7GPa -1A 材料常数,取0 424表1中的公式可以写为一个通式:ff ( ,dP)=C c 。
3 断裂行为有限元分析关键技术3 1 断裂准则的获取在金属断裂行为的有限元分析过程中,为了获得和实际准确相符的预测结果,减少金属断裂的危险,优化金属成形工艺的设计方案,获得合理的断裂准则是有限元分析的关键性问题之一。
图1为相同工艺参数不同断裂准则冲裁工艺有限元模拟的断面结果,相差甚远。
这里介绍一种利用冲裁工艺获得断裂准则的方法。
研究已经显示,在冲裁工序中,裂纹的产生和材料的断裂会影响到工艺的压力-冲压深度曲线。
如图2所示,在整个曲线中,1区为图1 不同断裂准则分析结果(a)较大断裂准则(b)较小断裂准则Fig 1 Analysis result of different fractu re criterions(a)Bigger fracture criterion(b)Smaller fracture criterion弹性变形阶段,2区为弹塑性变形阶段,3区为损伤开始出现的弹塑性阶段,4区为裂纹产生到整个冲裁工艺完成阶段。
其中3区和4区的结合部为裂纹开始产生的地方。
对一定材料利用预设断裂准则值进行模拟仿真,将有限元分析裂纹出现的冲压深度和试验获得曲线上裂纹开始出现的冲压深度相比较,可以判断断裂准则的正确与否。
图2 冲裁试验和模拟分析裂纹产生比较1 弹性变形阶段2 弹塑性变形阶段3 损伤开始弹塑性阶段4 断裂阶段Fig 2 Contrast of blanking test an d s imulated analysis fracture 1 Elastic deform ation stage 2 Elastic an d plastic deformation stage 3 Fractur starting at th e Elastic and plastic deformation s tage4 Fractu ring stage设U e 为实验曲线中裂纹产生时的冲压深度,U s 为模拟仿真获得裂纹产生时的冲压深度。
其相对误差为: =U e -U sU e,当 时,即认为符合有限元分析的参数要求,其中 为用户自定的极小值。
图3为整个断裂准则获得的流程。
图3 断裂准则计算流程Fig 3 Calcu lative flow of fracture criterion法国学者Ribaha H ambli 利用获得的断裂准则对不同间隙冲裁工艺零件的塌角深度、光亮带、剪101第3期胡建军等:基于有限元计算的金属断裂准则的应用与分析裂带和毛刺深度进行有限元分析和试验研究进行对比,情况非常符合。
图4为其中不同间隙冲裁工艺中,光亮带与间隙的关系曲线[6,7]。
图4 冲裁间隙-光亮带高度曲线Fig 4 C urve of blankin g clearan ce and b right area height3 2 有限元网格的调整和重划分在金属断裂行为的有限元分析过程中,由于连续体出现了非连续的裂纹,为了使大变形模拟继续进行,必须对网格进行调整,包括网格的全局调整、局部调整、单元的删除、单元的分裂和单元的分离。
当材料损伤达到断裂准则时,将达到断裂准则的单元删除,取其相邻单元成为新的单元。
或者将其出现裂纹的部分生成新的节点和单元,这些单元和节点在后面的计算中自动与母体分离。
在塑性成形模拟中,经常遇到塑性变形区内材料发生较大应变,有限元网格会产生严重畸变,致使模拟结果失真或模拟过程终止。
另外,工件和模具接触表面的相对速度有时很大,有时会发生相互嵌入的不正常现象。
为了解决上述问题,计算过程需要暂时停止,进行网格重划分。
在冲裁加工模拟中,材料断裂是靠删除单元来实现的,当模型中的一些单元被删除后,网格也需要重新调整。
