塑性加工过程数值模拟(课程报告)

塑性加工过程数值模拟(课程报告)题目:塑性加工过程数值模拟课程报告学院:班级：姓名：学号：塑性加工过程数值模拟课程报告1.塑性加工过程数值模拟概述1.1材料塑性加工的地位及分类从制造业的发展历史来看，主要有两类制造业：一个是加工制造业，一个是装备制造业。制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术零件、装备的行业，是国民经济发展特别是工业发展的基础。建立起强大的制造业，是提高中国综合国力，实现工业化的根本保证。金属塑性加工是利用金属的塑性，使金属材料在外力的作用下成形的一种工艺方法。塑性加工按照工艺可分为轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等。塑性加工方法按照变形特征可分为体积成形和板料成形，体积成形是变形过程中三个方向的几何尺寸基本处于相同量级，同时三个方向的应力状态需要同时考虑。如：锻造、轧制、挤压等工艺方法都属于体积成形。板料成形“宽厚比”较大，厚度方向的尺寸较其它两个方向小得多，变形过程中可简化为平面应力状态。如冲压、水压胀形等等，板料成形时金属的塑性变形并不一定很大，但与模具的相对位移较大，一般在室温下完成。1.2材料塑性加工过程中的数值模拟目前传统的研究方法仍旧主要处于经验和知识为依据，以“试错”为基本方法的工艺技术阶段。现代市场经济要求实现塑性加工制件的内在质量和尺寸精度的稳定性需要提高，为实现该目标，必须提高塑性加工技术的科学化和可控化水平。与传统的成形工艺相比，现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料塑性流动控制等方面要求更高，所以采用基于经验的试错设计方法已经不能满足实际需要，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已经成为大家的共识。用模拟来代替正式的材料加工过程或其中的物理现象进行研究有很多的优点，比如节省运输费用和消耗、不打乱正常生产过程、可以灵活的控制和调节影响因素及其变化、准确测量实验数据等。模拟优化的目的有：（1）提高产品的性能、质量；（2）降低消耗，降低成本；（3）提高效率；（4）揭示规律。2.塑性加工过程数值模拟理论基础在数值模拟技术当中，有限元分析技术是最重要的工程分析技术。它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流体力学、热传导等领域。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。对金属弹塑性和刚塑性变形用有限元进行分析的实施步骤和归纳如下：1)用假象的线或面将连续体分成若干具有简单几个形状的“有限单元”。2)假设这些单元在且仅在其边界上的若干离散节点处相互连接，将这些节点位移作为基本未知量。3)选择适当插值函数，以便由每个单元的节点位移唯一的确定该单元中的位移分布。4)利用位移函数分布可唯一确定单元中的应变分布，由单元的应变以及材料的本构方程，可确定单元的应力分布。5)根据虚功原理可建立每个单元中节点位移和节点力之间的刚度方程。6)将每个单元所受的外载荷根据作用力等效原理移到该单元的节点上，形成等效节点力。7)按照节点编号整体顺序，将各单元刚度方程叠加，组装成整体刚度方程。8)根据边界节点必须满足的位移条件，修改整体刚度方程。9)求解整体刚度方程，得到节点位移。10)根据求得的节点位移，计算各单元的应力应变。在塑性成形过程的有限元模拟中，根据材料应变与位移以及应力应变的关系不同，可将有限元法分为小变形弹塑性有限元法、有限应变弹塑性有限元法、塑性有限元法和粘塑性有限元法。采用弹塑性有限元法分析塑性成形问题，不仅能计算材料的变形和应力应变分布，还能有效的处理卸载问题，它使用与板料成形等问题的模拟。但弹塑性有限元法采用增量型本构方程不允许使用大的变形增量，计算时间长。采用刚塑性有限元法，不需要考虑材料弹塑性状态的变化，因此可采用大的时间步长，从而减小计算时间。但刚塑性有限元法不能确定刚性区的应力应变分布，也不能处理卸载问题。处理非线性的弹塑性问题可选择完全拉格朗日法和更新拉格朗日法。塑性变形过程中的应力应变关系是非线性的，根据增量理论可知，变形过程中的应力应变与加载路径有关。建立增量有限元方程，采用直接迭代法、Newton-Raphson迭代法和改进的N-R法对非线性方程组进行求解，可得到节点位移。塑性加工中的有限元分析有显示静力学和隐式动力学。静力学隐式计算往往需要较少的时间步，但是每一个时间步都需要非常长的求解时间来达到收敛。收敛是必须的，但是却无法预知。特别是处理存在接触的大模型问题，收敛往往非常困难。显式算法需要较多的时间步，但是每步计算时间短，计算的稳定性通过临界时间步长来控制，同时针对接触问题，显式求解解决起来就容易的多。模型规模越大，显式求解的优越性也就越高，CPU时间随着单元量的增加隐式算法呈4次方增加，而显式算法呈3次方增加。当收敛困难的时候，显式的优越性就体现的更加明显。3.塑性加工过程数值模拟基本步骤3.1数值模拟的基本步骤有限元方法处理过程：1)被研究问题的提出及被研究对象的确立；2)选择合适的有限元求解器；3)选择合适的前处理；4)分析研究对象、物理参数、确定简化方案；5)几何模型的建立；6)单元类型、网格划分、材料定义；7)载荷、约束及边界条件的加载；8)有限元初始文件的输出及编辑；9)调用求解器进行求解；10)后处理。3.2网格划分对于二维问题，一般常划分为下列几种单元形式：三边形、四边形、六节点的三边形或八节点的四边形，如下图所示：图1.二维单元网格分类轴对称问题的单元是一个有一定几何形状的环形旋转体，如三边形圆环或四边形圆环，其节点是一个圆，参见下图所示：图2.轴对称网格划分在三维问题中常采用的单元是四面体和六面体，也采用曲边四面体和曲边六面体单元，如下图所示：a—四面体；b—曲边四面体；c—六面体；d—曲边六面体图3.三维网格的划分当单元形式选定后，即需对计算区域进行单元划分。单元划分是否合理，在一定程度上会影响到计算精确度和计算时间。一般说，在场变量的变化梯度较大的地区或角点附近，单元要划分得密一些，而在变化梯度较小的地区单元划分得疏一些。3.3边界条件与接触接触可以分为：点—面，面—面，线—线，线—面。在模拟的前处理中要对边界条件和约束条件进行一定的设定。对于关于热的数值模拟，其传热方式有对流、辐射。在模拟时还要设置的参数有：初始速度v，初始温度T，运动速度，位移，加速度，压力，力等。由于对称而简化的模型，在模拟时要设定一定的边界约束条件，以使模拟可以准确进行。在有限元中，接触界面可以通过接触界面两侧的由任意节点及其组合的三角形和四边形面片构成的组元进行定义。接触界面一侧定义为从侧（接触面），相应的另一侧定义为主侧（目标面）。属于从侧的节点定义为从节点，相应的属于主侧的节点叫做主节点。单向处理为仅仅检查从节点是否穿透主面；与单向处理不同的是，双向处理既检查从节点是否穿透主面同时又检查主节点是否穿透从面。在单向搜索的接触定义过程中，接触对的主从面有较为严格的要求，而针对双向搜索，其接触对的主从面的定义可以互换。4.塑性加工过程数值模拟实际应用塑性加工过程的数值模拟在实际生产中的应用日益广泛，主要有一下几个方面：1)预测工件的几何形状是否满足产品的精度要求，是否会产生表面缺陷；2)预测工件的内部质量，是否会发生破裂；3)预测磨具的受力和磨损；4)据此选择适当的材料工艺及磨具参数。本学期朱国民老师通过step-by-step的方式，给我们讲述了拉伸试验、三点弯曲试验、带圆孔的圆柱压缩试验、简单轧制过程模拟、冲压拉拔等过程，以及介绍了复杂H型钢加工过程的模拟。用大型有限元分析软件Ansys对标准拉伸试验过程进行模拟，由对称关系将模型简化为四分之一的平面模型，采用点线面自底而上的方式建立模型，采用映射网格划分方法划分网格，然后在对称面上施加轴对称约束，直接采用位移进行加载，最后计算得出在一定载荷作用下拉伸试样的变形及应力应变情况。用大型有限元分析软件MSC.Marc对三点弯曲试验进行模拟，建立三点弯曲梁和刚性压下球模型，采用映射网格划分方法对梁进行网格划分，刚性球不划分网格，然后对梁的一段施加约束，中间部位刚性小球固定约束，对边部小球施加一个向下的位移，选择更新拉格朗日法进行求解。最后结果可看出弯曲梁在卸载后有一个明显的回弹。对简单轧制过程的模拟，分别采用Ansys和MSC.Marc软件实现。在Ansys中通过建立刚性辊和实际板料模型，刚性辊假定为中心点为质心，将轧辊沿中心质点转动，板料通过给定初速度的方式咬入。板料与轧辊之间的接触为面面接触，采用自接触双向搜索的方式实现接触，检查节点是否穿透master的表面，然后通过LS-DYNA进行计算，求解简单轧制过程。在MSC.Marc操作基本流程一致，只在给定板料初速度是选择在板料末端生成推板，通过推板作用给定初速度，计算时选择更新拉更朗日法，最后求得简单轧制过程。通过简单轧制过程的两种方法对比，清楚的看出了两款软件之间的侧重点和区别。5.小结朱国民老师通过理论与实践相结合的方式，使得晦涩难懂的塑性加工过程数值模拟课程变得生动风趣，大大提高了同学们学习数值模拟的积极性，特别是通过step-by-step方式讲述几个塑性加工过程数值模拟的实例，使我们对数值模拟有了基本的了解。为期8周的塑性加工过程数值模拟课程在不知不觉中结课了，在这段时间里，学到了很多关于数值模拟的基本理论和实际操作能力，对以后的课题以及工作都具有很重要的意义。期待以后自己在这个方面会有更好的发展，也希望这门课程会受到更多同学的青睐。