圆柱体压缩过程模拟

铜陵学院课程实验报告实验名称圆柱体压缩过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师张金标专业班级10材控（1）姓名张曙光学号10101211292013年05月10日实验一圆柱体压缩过程模拟1实验目的与内容1.1实验目的进一步熟悉AUTOCAD或PRO/E实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM软件分析压缩变形的变形力学问题。1.2实验内容运用DEFORM模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。（一）压缩条件与参数锤头与砧板：尺寸200×200×20mm，材质DIN-D5-1U,COLD，温度室温。工件：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，温度室温。表1实验参数序号圆柱体直径，mm圆柱体高度，mm摩擦系数，滑动摩擦锤头运动速度，mm/s压缩程度，%1100150012021001500.41203100250012041002500.4120砧板工件锤头图1圆柱体压缩过程模拟（二）实验要求（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）比较方案1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。2实验过程2.1工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出STL格式。2.2压缩过程模拟2.2.1前处理建立新问题：程序DEFORM5.03FileNewProblemNext在ProblemName栏中填写“Forging”Finish进入前前处理界面；单位制度选择：点击SimulationConrol按钮Main按钮在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“topdie”、“bottomdie”。定义对象的材料模型：在对象树上选择workpiece点击General按钮选中Plastic选项（塑性）点击AssignTemperature按钮填入温度，如20点击OK按钮；在对象树上选择topdie点击General按钮选中Rigid选项（刚性）点击AssignTemperature按钮填入温度，如20点击OK按钮勾选PrimaryDie选项（定义为extusiondummyblock主动工具）如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选PrimaryDie选项）。调整对象位置关系：在工具栏点击ObjectPositioning按钮进入对象位置关系调整对话框根据挤压要求及实体造型调整相互位置关系点击OK按钮完成；模拟控制设置：点击SimulationConrol按钮Main按钮在SimulationTitle栏中填入“tubleextrusion”或“stickextrusion”在OperationTitle栏中填入“deformheattransfer”选中SI选项，勾选“Defromation”选项，点击Stemp按钮在NumberofSimulationStemps栏中填入模拟步数StempIncrementtoSave栏中填入每隔几步就保存模拟信息在PrimaryDie栏中选择extusiondummyblock（以挤压垫为主动工具）在WithConstantTimeIncrement栏中填入时间步长点击OK按钮完成模拟设置；实体网格化：在对象树上选择workpiece点击Mesh在NumberofElements卡上填入需要的网格数，如15000点击GenerateMesh工件网格生成；设置对象材料属性：在对象树上选择workpiece点击Meterial点击other选择DIN-CuZn40Pb2点击AssignMeterial完成材料属性的添加；设置主动工具运行速度：在对象树上选择topdie点击Movement在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项在Directiont选中主动工具运行，如-Y在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入速度值，如1mm/s；工件体积补偿：在对象树上选择workpiece点击Property在TargetVolume卡上选中Active选项点击CalculateVolumer按钮点击Yes按钮勾选Compensateduringremeshing。边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮在对话框上选择workpiece—topdie点击Edit按钮点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数，如0.2点击Close按钮如此重复，依次设置其它接触关系点击Generateall按钮点击tolerace按钮点击OK按钮完成边界条件设置；保存k文件：在对象树上选择extrusionworkpiece点击Save按钮点击保存按钮保存工件的前处理信息重复操作，依次保存各工模具的信息。2.2.2生成库文件在工具栏上点击Databasegeneration按钮在Type栏选中New选项选择路径（英文）填入数据库文件名（英文），如forging点击Check按钮没有错误信息则点击Generate按钮完成模拟数据库的生成。2.2.3退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。2.2.4模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的forging.DB文件单击Run按钮，进入运算对话框单击Start按钮开始运算单击Stop按钮停止运算单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。2.3后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击forging.DB文件在PostProcessor栏中单击DEFORM-3DPost按钮，进入后处理界面。1）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择MaxStress，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况；2）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择MaxStrain，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况；3）成型过程载荷：点击LoadStroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png；4）点跟踪分析：点击PointTracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。3.模拟实验结果分析3.1观察最大应力分布（图1）1)比较上图1(a)和图1(b)的颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看最大应力值，可以看出：①摩擦系数为0时，坯料各部分应力分布较均匀，处于三向压应力状态，为均匀变形。②摩擦系数为0.2时，坯料各部分应力分布不均匀：由于受到接触表面摩擦力的影响，会使接触表面附近的金属变形受阻。而接触表面摩擦力的影响，沿径向由侧边向中心逐渐增强，沿高度方向由端面向中心逐渐减弱，故产生不均匀变形。2)比较上图1(c)和图1(d)，其与图11(a)和图(b)应力分布情况相似。再比较图11(a)和图11(c)，可以看出：不同高度，在相同压下量下，应力分布同样较均匀，但最大应力的大小有所差异。最后比较图11(b)和图11(d)可以看出：不同高度，在相同压下量下，不均匀变形所对应的各个区域的体积跟最大应力大小都有(a)高度150摩擦系数0(b)（高度150摩擦系数0.2）(c)（高度250摩擦系数0）(d)（高度250摩擦系数0.2）所差异。综上，高度对均匀变形和不均匀变形的应力状态同样有影响。3.2观察最大应变分布（图2）1)比较图2(a)和图2(b)的颜色分布并在每个区域随机用鼠标点击一些点查看最大应变值，可以看出：①摩擦系数为0时，坯料各部分应变分布较均匀，为均匀变形。由于坯料在轴向上的为压缩变形且变形量为0.2，根据体积不变定律并参照图中最大应力值，可知该坯料在径向和周向均为拉伸变形，所以该坯料处于一向压缩两相拉伸应变状态。观察变形前后的坯料形状，还可以发现其形状在变形前后相似，这点符合均匀变形的特点。②摩擦系数为0.2时，坯料各部分应变分布不均匀：位于圆柱体端部接触面附近，由于受接触面摩擦影响较大，且远离与垂直作用力轴线呈大致45°交角的最有利滑移区域，在此区域内产生塑性变形较为困难，为难变形区；处于与垂直作用力大致为45°交角的最有利变形区域，且受摩擦影响较小，因此在此区域内最易发生塑性变形，为易变形区。处于易变形区四周的区域，其变形量介于难变形区与易变形区之间，为自由变形区。观察变形前后的坯料形状，便可以发现其形状在变形后呈单鼓形，这正是由于不均匀变形。2)比较图2(c)和图2(d)，其与图(a)和图(b)应变分布情况相似。再比较图(b)方案二（高度150摩擦系数0.2）(a)方案一（高度150摩擦系数0）(c)方案三（高度250摩擦系数0）(d)方案四（高度250摩擦系数0.2）2(a)和图2(c)，可以看出：不同高度，在相同压下量下，应变分布同样较均匀，但最大应变的大小有所差异。最后比较图2(b)和图2(d)可以看出：不同高度，在相同压下量下，不均匀变形所对应的各个区域的体积跟最大应变大小都有所差异。综上，高度对均匀变形和不均匀变形的应变状态同样有影响。3.3载荷分布图（图3）1)比较图3中每条线段可以看出：在开始较短时间内载荷呈线性增大，该段时间内的变形为弹性变形，由于原子间相互作用力使载荷迅速增加，变形很小；在后面的所有时间内载荷呈非线性增长，该时间内的变形主要为塑性变形，由于加工硬化，变形较大，载荷增长较弹性变形慢。2)比较方案一和方案二对应的曲线可以看出：方案二接触表面有摩擦力即产生不均匀的坯料，塑性变形阶段的载荷曲线高于方案一接触表面无摩擦即产生均匀变形的坯料。3)比较方案三和方案四对应的曲线，其与方案一和方案二的情况相似。只是载荷大小有所差异。4)比较方案一和方案三对应的曲线可以看出：相同压下量，均无摩擦的这两(c)载荷曲线图（高：250摩擦：0）（a）载荷曲线图（高：150摩擦：0）(b)载荷曲线图（高：150摩擦：0.2）(d)载荷曲线图（高：250摩擦：0.2）种情况，高度为150的载荷曲线比高度为250的载荷曲线高很多。这是由于高度低的坯料在镦粗时，加工硬化程度较大，变形抗力较大。比较方案二和方案四对应的曲线可以看出：相同压下量，摩擦系数相同的这两种情况，高度为150的载荷曲线比高度为250的载荷曲线高很多。3.4点追踪分析3.4.1跟踪点最大应力分析(图4)1）观察方案一和方案三各跟踪1）观察图4(a)和图4(c)，可以看出：在前面极短时间内，为弹性变形，应力呈线性变化；后面的时间内，主要为塑性变形，呈非线性变化。除表面几个点外，坯料其他各点均为三向压应力状态，且应力分布较均匀。2）观察方案二和方案四各跟踪点在变形过程中最大应力3)观察图4(b)和图4(d)，可以看出：在变形过程中，应力分布不均匀，且(a)最大应力（高:150摩擦：0）(b)最大应力（高:150摩擦：0.2）(c)最大应力（高:250摩擦：0）(d)最大应力（高:250摩擦：0.2）变化幅度较大。这是因为这两情况的变形为不均匀变形，产生大量附加应力，而这些附加应力的分布也是不均匀的，所以就出现了图示情况。3.4.2跟踪点最大应变分析.(图5)1）观察方案一和方案三各跟踪点在变形过程中最大应变观察图5(a)和图5(c),可以看出