金属塑性成形过程模拟_大学毕业设计.doc

金属塑性成形过程模拟材型10-3班畅波20100865一、模拟题目采用ansys对圆柱形紫铜管进行挤压分析。如下图示，图1为圆柱形紫铜管坯料尺寸；图2为凸模压头尺寸；图3为凹模尺寸。规定坯料材料选用紫铜，凸模压头及凹模材料为cr12mov，下压量h=30mm，摩擦系数=0.15。题目分析：紫铜管在挤压过程中会发生塑性变形，因此其模拟属于大变形问题。接触类型属于非线性接触。由于模具与工件均为对称件，因此在模拟过程中建立1/4三维模型，不仅可以观察工件外部变形情况，同时易于观察内部变形情况。由于ansys中不存在单位，为了数据统一，因此所有参数采用国际统一单位。 图一 图二 图三二、材料分析通过查阅相关材料手册，信息如下：紫铜密度：=8.9103 /m3；弹性模量：e=120109 pa；泊松比：=0.33；屈服极限=75106 pa；cr12mov密度：=7.854103 /m3；弹性模量：e=220109 pa；泊松比：=0.28；屈服极限=750106 pa；三、操作过程简要概述：1.建立有限元模型可以通过pro/e或者ug软件建立模型，导入ansys中；或者直接在ansys软件中建立模型。本次模拟选择ansys直接建立模型。 创建凹模平面。首先，以凸、凹模及坯料平面中轴线和凹模底端为坐标轴建立坐标系，根据题目所给尺寸计算关键点坐标并作图；然后，根据关键点坐标连线，连线时要注意线的方向要一致，否则在创建角度线的时候会出现错误（多次错误后总结）。最后，删除多余线，生成线倒角并旋转凹模生成面，完成凹模的平面的创建。创建坯料平面。创建坯料模型时使用的是角端点坐标建立，角端点建立需要输入坯料左下角的横坐标、纵坐标，坯料的宽度和高度。创建凸模平面。同样采用角端点坐标建立的方法，由于凸模上下表面积不同，故把凸模分成上下两部分分部建立。完成凹模、坯料、凸模平面的建立后，由于模具与工件均为对称件，因此在模拟过程中建立1/4三维模型，所以旋转90。模型创建完成。2.选择单元类型（3种单元类型）solid 8node 185；contact3d target 170（刚性面）；contact8 nd surf 174（柔性面）；3.设置实常数4.定义材料参数5.划分网格多次尝试给定网格大小划分网格不成功，所以选取自由划分形式，为避免错误，划分时，对各部分单独进行划分。6.赋予接触面类型选用meshtool中的element attribute将2种接触单元分别附给模具、工件；7.定义接触对需要创建三组接触对，分别为凸模两部分之间表面接触，凸模与工件上表面接触；凹模与工件后表面接触。8.施加约束与载荷（位移）1）凹模下表面全部固定；2）模具与工件对称面全部施加对称约束；3）凸模下表面施加向下的位移约束；9.求解运算10.结果分析，动画演示详细过程：第一步：更改工作名和工作标题 1）选择utility menu/file/change jobname命令，弹出【change jobnanme】对话框，在enter new jobname中输入新工作文件名changbo，单击ok按钮，关闭对话框。2）选择utility meum/file/change title命令，出现【change title】对话框，输入新标题cb，单击ok按钮，关闭对话框。第二步：建立模型1）选择preprocessor/modeling/creat/keypoints/in active cs命令，出现【creat keypoints in active coordinate system】对话框。在弹出的对话框中依次输入1（0.015,0,0）、2（0.055,0,0）、3（0.055,0.122,0）、4（0.0205，0.122,0）、5（0.0205,0.047,0）、6（0.015,0.047,0），点击ok按钮，关闭该对话框，结果如图4所示。图4 创建关键点2）选择preprocessor/modeling/creat/lines/straight line命令，弹出【creat straight line】对话框。依次拾取点1和2、点2和3，点3和4、点4和5、点1和6，单击ok按钮，关闭该对话框，结果如图5所示。图5 连接关键点3）选择utility menu/plotctrls/numbering命令，在弹出的【plot numbering controls】 对话框中将lines numbers和keypoint numbers改为on，其余默认。选择utility menu/plot/lines命令，使当前窗口显示线。4）选择preprocessor/modeling/creat/lines/at angle to line命令，弹出【straight line at angle to line】对话框，选择5号线，单击ok；然后选择5号点，单击ok；在angle in degrees中输入30，结果如图6所示。图6 创建角度线5）选择preprocessor/modeling/delete/lines only命令，弹出【delete lines only】对话框，选择6号线，单击ok；选择preprocessor/modeling/delete/keypoints命令，弹出【delete keypoints】对话框，选择6号点，单击ok，结果如图7所示。图7 删除多余线6）选择preprocessor/modeling/creat/lines/line fillet命令，弹出【line fillet】对话框，选择4号线7号线，弹出【line fillet】对话框，选择4号线和7号线，单击apply按钮，在fillet radius中输入0.002，单击ok按钮；选择5号线和7号线，单击ok按钮，结果如图8所示。图8 生成线倒角7）选择preprocessor/modeling/creat/areas/arbitrary/by lines命令，弹出【creat areas by lines】对话框，选择屏幕中所有的线，单击ok按钮，完成凹模旋转面创建，结果如图9所示。图9 创建凹模旋转面8）选择preprocessor/modeling/creat/areas/rectangle/by 2 corners命令，弹出【rectangle by 2 corners】对话框。在wpx输入0.0185，wpy输入0.047，width输入0.002，height输入0.06，单击apply按钮；在wpx输入0，wpy输入0.107，width输入0.0205，height输入0.08；在wpx输入0，wpy输入0.187，width输入0.05，height输入0.015，结果如图10所示。图10 生成工件、凸凹模旋转面9）选择preprocessor/modeling/creat/keypoints/in active cs命令，弹出【creat keypoints in active coordinate system】对话框。在弹出的对话框中依次输入100（0,0,0）、101（0,0.21,0），完成中心旋转点的建立。10）选择preprocessor/modeling/operrate/extrude/areas/about axis命令，弹出【sweep areas axis】对话框。单击pick all按钮，在弹出对话框中拾取点100和点101，单击ok按钮，在arc length in degrees中输入90，完成模型建立，如图11所示。图11 生成模型第三步：定义单元类型1）选择preprocessor/element type/add/edit/delete命令，弹出【element types】对话框。2） 单击add按钮，出现【library of element types】对话框。在library of element types的第一个列表中选择structural soild，在第二个列表框中选择brick 8node 185，单击apply按钮。3）重新在library of element types第一个列表中选择contact,在第二个列表框中选择3d target 170,单击apply按钮。4）重新在library of element types第一个列表框中选择contact,在第二个列表框中选择8 nd surf 174,单击ok按钮，关闭对话框，如图12所示。图12 定义单元类型第四步：定义实常数1）选择preprocessor/real constants/add/edit/delete命令,弹出【real constants】对话框，单击add按钮，在type 2 targe170下点ok，在弹出对话框中点击ok；在set 1下单击add按钮,选择tpye 3 conta174,点击ok按钮,在real constant set no.中输入1，单击ok按钮。2）按照同样的方式定义另一组实常数，选择编号2，如图13所示。图13 定义实常数第五步：定义材料性能参数1）选择preprocessor/material props/material models命令，弹出【define material model behavior】对话框。2）在material models available一栏中双击structural选项中的linear选项，接着双击elastic选项，最后双击isotropic选项，弹出【linear isotropic properties for material number 1】对话框。在ex文本框中输入材料弹性模量120e9，在prxy文本框中输入材料泊松比0.33，单击ok按钮,关闭该对话框。3）在material models available一栏中双击structural选项中的nonlinear选项，接着双击inelastic选项，再双击rate independent选项，然后双击isotropic hardening plasticity选项，接着双击misese plasticity选项，最后双击bilinear选项，弹出【bilinear isotropic hardening for material number 1】对话框，在yield stss文本框中输入屈服极限75e6，单击ok按钮，关闭对话框。4）双击structural选项中的density选项，弹出【density for material number 1】对话框，在dens中输入密度8900，单击ok按钮,关闭该对话框。5）双击structural选项中的friction coefficient选项，弹出【friction coefficient for material number 1】对话框，在mu中输入摩擦因数0.15，单击ok按钮,关闭该对话框。6）单击material中的new model，定义第二组材料性能参数。7）在material models available一栏中双击structural选项中的linear选项，接着双击elastic选项，最后双击isotropic选项，弹出【linear isotropic properties for material number 2】对话框。在ex文本框中输入材料弹性模量230e9，在prxy文本框中输入材料泊松比0.28，单击ok按钮,关闭该对话框。3）在material models available一栏中双击structural选项中的nonlinear选项，接着双击inelastic选项，再双击rate independent选项，然后双击isotropic hardening plasticity选项，接着双击misese plasticity选项，最后双击bilinear选项，弹出【bilinear isotropic hardening for material number 1】对话框，在yield stss文本框中输入屈服极限750e6，单击ok按钮，关闭对话框。4）双击structural选项中的density选项，弹出【density for material number 1】对话框，在dens中输入密度7854，单击ok按钮,关闭该对话框。5）双击structural选项中的friction coefficient选项，弹出【friction coefficient for material number 1】对话框，在mu中输入摩擦因数0.15，单击ok按钮,关闭该对话框。图14 设置材料参数第六步：划分网格1）选择preprocessor/meshing/meshtool选项，弹出【meshtool】对话框。将small size挑勾。2）选择utility menu/plot/specified entities/volume, nv1输入2,ninc输入2点击ok，选择element attributes旁的set，将【mat】改成1，点击mesh,选中坯料，点击ok,完成如15图所示： 图15 划分坯料3）按照上述方法对凹模进行网格划分，如上图nv1输入1,ninc输入1，点击ok，选择element attributes旁的set，将【mat】改成,2，点击mesh,选中凹模，点击ok,完成如图16所示; 图16 划分凹模4）按照上述方法对冲头进行网格划分，如上图nv1输入3,ninc输入3，点击ok，选择element attributes旁的set，将【mat】改成,2，点击mesh,选中冲头，点击ok,完成如图17所示; 图17 划分凸模5）按照上述方法对冲头进行网格划分，如上图nv1输入4,ninc输入4，点击ok，选择element attributes旁的set，将【mat】改成,2，点击mesh,选中冲头，点击ok,完成全部网格划分，如图18所示; 图18 网格划分第七步：定义接触对1）选择utility menu/plotctrls/numbering命令，在弹出的【plot numbering controls】对话框中将area numbers改为on。选择plot/areas命令，使当前窗口面。并且记录下来相应面的编号。如图19所示。凸模下表面19 坯料上表面16 坯料后表面15凹模内表面8,9,10,11,12 凹模下表面5坯料内表面17图19 显示模型面编号2）选择preprocessor/modeling/create/contact pair命令，弹出【contact manager】对话框。单击contact wizard命令，在弹出的对话框中单击pick target按钮，输入19，点击apply按钮；点击next，在弹出的对话框中单击pick contact按钮，输入16，点击apply按钮；点击next，点击optional settings选项，选择friction，将stiffness matrix选项改为unsymmetric，单击ok按钮，然后点击creat，在弹出对话框中点击finish按钮，完成凸模下表面与坯料上表面接触对的创建。3）选择preprocessor/modeling/create/contact pair命令，弹出【contact manager】对话框。单击contact wizard命令，在弹出的对话框中单击pick target按钮，输入15，点击apply按钮；点击next，在弹出的对话框中单击pick contact按钮，输入8,9,10,11,12，点击apply按钮；点击next，点击optional settings选项，选择friction，将stiffness matrix选项改为unsymmetric，单击ok按钮，然后点击creat，在弹出对话框中点击finish按钮，完成坯料后表面与凹模内表面接触对的创建。4）选择preprocessor/modeling/create/contact pair命令，弹出【contact manager】对话框。单击contact wizard命令，在弹出的对话框中单击pick target按钮，输入23，点击apply按钮；点击next，在弹出的对话框中单击pick contact按钮，输入21，点击apply按钮；点击next，点击optional settings选项，选择friction，将stiffness matrix选项改为unsymmetric，单击ok按钮，然后点击creat，在弹出对话框中点击finish按钮，完成冲头间接触对的创建。第八步：施加约束与载荷（或者位移）1）选择solution/define loads/apply/structural/displacement/on areas命令，弹出【apply u，rot on areas】命令，选择凹模下表面5，单击ok按钮，弹出对话框中选择all dof，在value文本框中输入0，单击ok。2）选择solution/define loads/apply/structural/displacement/symmetry b.c./on areas命令，弹出【apply symm on areas】对话框，选择1,13,2,18,3,22,4,26，单击ok按钮。完成对称约束建立。3）选择solution/define loads/apply/structural/displacement/on aeas命令，弹出【apply u，rot on areas】命令，选择凸模下表面19，单击ok按钮，弹出对话框中选择uy，在value文本框中输入-0.03，单击ok。完成位移约束。第九步：求解1）选择solution/analysis type/new analysis命令，出现【new analysis】对话框。在type of analysis中选择static，单击ok按钮，关闭该对话框。2）选择solution/analysis type/soln controls命令，弹出【solution controls】对话框。将analysis options改为large displacement static,将time at end of loadstep改为20，automatic time stepping改为on；在number of substeps中输入45，在max no. of substeps中输入360, 在min no. of substeps中输入45,单击ok按钮，关闭对话框，如图20所示。图20 设置求解器3）选择solution/slove/current ls命令，出现【solve current load step】对话框,同时出现【status command】窗口，选择file/close命令，关闭该窗口。单击solve current load step对话框中的ok按钮，ansys开始计算求解。4）求解结束时，出现solution is done提示框，单击close按钮，关闭该提示框，显示迭代过程的时间跟踪图。如图21所示： 图21 时间跟踪图四、结果分析1）选择general postproc/read results/last set命令。2）选择general postproc/plot results/deformed shape命令，弹出【plot deformed shape】对话框，选择def+undef edge选项，查看变形前后的结果，如图22所示。图22 单元变形结果3）选择general postproc/plot results/contour plot/nodal solution命令，弹出【contour nodal solution data】对话框，选择nodal solution/dof solution/y-component of displacement，查看工件y方向位移，如图23所示。图23 y方向位移图4）选择general postproc/plot results/contour plot/nodal solution命令，弹出【contour nodal solution data】对话框，选择nodal solution/stress/von mises stress，查看工件和模具节点所受等效应力。如图24所示。图24 节点等效应力图5）选择general postproc/plot results/contour plot/nodal solution命令，弹出【contour nodal solution data】对话框，选择nodal solution/plastic strain/von mises plastic strain，查看工件和模具节点塑性变形部分所受等效应力。如图25所示。图25 节点塑性变形等效应力图6）选择general postproc/plot results/contour plot/element solution命令，弹出【contour element solution data】对话框，选择element solution/stress/von mises stress，查看工件和模具单元所受等效应力，如图26所示。图26 单元等效应力图7）选择general postproc/plot results/contour plot/element solution命令，弹出【contour element solution data】对话框，选择element solution/plastic strain/von mises plastic strain，查看工件和模具单元塑性变形部分所受等效应力，如图27所示。图27 单元塑性变形等效应力图8）选择general postproc/plot results/c