第2章塑性成形过程数值模拟

1、第第2章塑性成形过程数值模拟章塑性成形过程数值模拟北大出版社配套电子课件北大出版社配套电子课件【本章学习目标】 了解DEFORM-3D软件的模块结构； 掌握有限元软件仿真求解的基本过程； 了解塑性成形模拟的特点； 了解有限元分析需要处理的基本问题。【本章教学要点【本章教学要点】知识要点能力要求相关知识DEFORM-3D软件的模块结构了解DEFORM-3D软件的模块结构；各个模块的功能塑性有限元软件的前处理、求解器及后处理仿真求解的基本过程掌握有限元软件仿真求解的过程的工艺流程，各个工序的功能有限元仿真的实质及实现步骤：划分网格、材料分配、工具及边界条件的设置等塑性成形模拟的特点了解塑性成形及其

2、模拟分析的特点塑性成形CAE分析材料的非线性、几何的非线性和接触的非线性塑性有限元过程的基本问题了解有限元分析需要处理的基本问题塑性成形分析的速度场、收敛依据、摩擦条件、刚性区等基本理论问题导入案例 塑性加工过程的有限元数值模拟，可以获得金属变形的详细规律，如网格变形、速度场、应力和应变场的分布规律，以及载荷-行程曲线。通过对模拟结果的可视化分析，可以在现有的模具设计上预测金属的流动规律，包括缺陷的产生。利用得到的力边界条件对模具进行结构分析，从而改进模具设计，提高模具设计的合理性和模具的使用寿命，减少模具重新试制的次数。 在塑性成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何

3、非线性；在材料的本构关系中存在材料（即物理）非线性；工件与模具的接触与摩擦引起状态非线性。因此，金属塑性成形问题难于求得精确解。有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具，因此也成为金属塑性成形过程模拟的最流行的方法。DEFORM-3D软件的模块结构 成形过程仿真系统的建立，就是将有限元理论、成形工艺学、计算机图形处理技术等相关理论和技术进行有机结合的过程。成形问题有限元分析流程如图2-1所示。从图中看出，DEFORM-3D软件的模块结构是由前处理器、模拟处理器（FEM求解器）和后处理三大模块组成。 （1）建立几何模型 一般的有限元分析商业软件都提供简单的几何造型功能，可满足几何形状简单的成

4、形模拟建模需要。 模具型面往往包含自由曲面，需要用CAD系统造型。分析软件一般都具有CAD系统的文件接口，以便读入在CAD系统中生成的设计结果。 由模具设计人员用CAD软件设计的几何模型，往往不能完全满足有限元分析的要求，例如曲面有重叠、缝隙，包含过于细长的曲面片等等。因此，需要进行检查和修改，消除这些缺陷。另外，原始设计中包含的一些细小特征，如小凸台，拉延筋等，应该删去，以免导致在这些区域产生过多细小的单元，不必要地增加计算工作量，这些过程一般称为几何清理。2.建立有限元分析模型 1)划分网格 划分网格是将问题的几何模塑转化成离散化的有限元网格。 网格划分的方法主要可分为两类。一类是映射法,

5、另一类是自由的或非结构化的方法。 分网后应检查网格质量，单元各边长应尽可能相等。单元的内角应尽可能平均，壳单元的各节点应尽可能共面。2)选择材料模型 例如对于各向异性较强的板材的冲压成形，应选用塑性各向异性材料模型； 对于热锻问题，应选用黏塑性模型，为了提高计算精度，还可以考虑选用材料参数随温度变化的模型； 为了预测冷锻等成形过程中工件的内部裂纹，可以采用损伤模型等等。 一般而言，材料的物理性能和弹性性能参数，如密度、热容、弹性模量、泊松比等，对于材料成分和组织结构小的变化不太敏感。 但是材料的塑性性能是结构敏感的，与材料的成分、组织结构、热处理状态，以及加工历史等都有密切关系，需要通过试验测

6、定。3)选择求解算法 对于准静态的成形过程，应尽可能选用静力算法求解。对于高速成形过程，应采用动力算法求解。 在体积成形模拟中，若主要关心成形过程中工件的变形情况，应采用刚塑性有限元法，以减少计算量； 若还要考虑工件卸载后的残余应力分布，则应采用弹塑性有限元法。3.定义工具和边界条件 1)定义边界条件。 成形模拟中的位移边界条件主要是对称性条件，利用对称性可以大大减小所需的计算徽。在液压成形中要定义液压力作用的工件表面和液压力随时间的变化关系。热分析中的边界条件包括：环境温度、表面换热系数等。 2)定义工具。 在成形模拟中直接给定工件所受外力的情况是很少见的。工件所受的外力主要是通过工件与模具

7、的接触施加的。建立几何模型时定义了工具的几何形状，划分网格时建立了工具表面的有限元模型。为使工具的作用能正确施加到工件上，还需定义工具如下三方面的性质。 （1）位置和运动。 （2）接触和摩擦。 （3）其它工艺参数。4.求解 求解阶段一般不需用户干预。 计算过程的有关文字信息可以从输出窗口观察，可以通过图形显示随时检查计算所得的中间结果。5.后处理 后处理通常是通过读入分析结果数据文件激活的。 分析软件的后处理模块能提供工件变形形状、模型表面或任意剖面上的应力应变分布云图等。 使用户能方便地理解模拟结果，预测成形质量和成形缺陷。3.3塑性成形模拟的特点塑性成形模拟的特点 （l）工件通常不是在已知

8、的载荷下变形，而是在模具的作用下变形，而模具的型面通常是很复杂的。处理工件与复杂的模型面的接触问题增大了模拟计算的难度。 （2)塑性成形中往往伴随着温度变化，在热成形和温成形中更是如此，要考虑变形分析与热分析的耦合作用。3.4有限元处理过程的几个问题有限元处理过程的几个问题 1.初始速度场的生成 。初始速度场的选择不可能、也没有必要十分精确，但必须满足边界条件，并大体上反映出材料变形过程中的流动规律。初始速度场选择的好与坏，直接影响到收敛速度的快与慢，当初始速度场与实际速度场相差较大时，就难以收敛，甚至还会发散。最常用的初始速度场的产生方法有以下几种 ： 对于变形毛坯形状和边界条件比较简单的情

9、况，可以采用能量法、上限法等工程计算方法求得近似速度场作为有限元计算时的初始速度场。1)工程近似法3)近似泛函法 对于形状和边界条件都比较复杂的变形体，多采用近似泛函的方法来生成初始速度场，具体思路是：从广义变分原理的几种泛函出发，构造一个与总能最泛函相近的泛函，并能由其取得驻位的条件获得线性方程组，用这个方程组求得满足边界条件的速度场作为初始速度场。2.收敛判据 1)速度收敛判据 2)平衡收敛判据 3)能量收敛判据3.摩擦边界条件的选择 1)剪切摩擦模型 2)库仑摩擦模型 3)线性粘摩擦模型 4)能量摩擦模型4.刚性区的简化 刚（粘）塑性有限元建立于刚（粘）塑性变分原理之上，而刚（粘）塑性变

10、分原理只适用于塑性变形区。因为在刚性区内应变速率接近或者等于零，在计算过程中会引起泛函变分的奇异，造成计算结果的槛出，因此有必要区分塑性区与刚性区。但在计算开始时，很难准确地确定塑性变形区与刚性区的交界面，为了解决该问题，常采用简化的处理办法。5.边界条件的处理 1)速度奇异点的处理 2)翻边现象的处理 3)脱模与触模处理6.时间步长的确定 1)触模和脱模条件。 2)体积不变条件。 3)迭代收敛性条件。7.网格的重新划分 用刚（粘）塑性有限元法计算材料成形过程时，随着变形程度的增加和动态边界条件的变化，初始划分好的规则有限元网格，会发生部分畸变现象，网格出现不同程度的扭曲，从而影响有限元的计算精度，严重时会使迭代过程不收敛。2)网格细分法 首先将变形体分成几个大的单元，采用均匀速度场作为初始的速度场进行计算，取得收敛到一定程度的计算结果。再将单元进一步细分，并用插值法获得细分后新节点的速度值，以此作为新的初始速度场，重复求解过程，经反复迭