铜陵学院课程实验报告2(江自信)

1、铜陵学院课程实验报告实验名称 棒材热挤压过程模拟 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 （2） .姓 名 江自信 .学 号 1010121034 .2013年04月23日实验二 棒材热挤压过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉DEFORM软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的模拟操作。深入理解并掌握DEFORM软件分析热挤压的塑性变形力学问题。1.2 实验内容挤压模挤压筒挤压垫1401004060120450图1 棒材挤压示意图运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜(DIN_CuZn40Pb2)棒挤压过程（已知：坯料f98

2、80;100mm）（一）挤压条件与参数挤压工具：尺寸如图所示，材质DIN-D5-1U,COLD，温度3500。坯料：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸f98×100，温度6300。工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数0.1。（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（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；（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

3、布状态；（5）运用DEFORM后处理Flow Net（流动栅格）功能观察金属流动的不均匀性，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挤压工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，并从书中查得工作带长度为10mm，入口圆角半径为5mm，挤压垫外径为99mm，挤压垫厚度为9mm，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、挤压模、挤压垫、挤压筒的几何实体，文件名称分别为extrusion workpiece，extrusion die，extrusion dummy block，extrusion chamber。输出STL格式。 2.2 挤压模拟2

4、.2.1 前处理建立新问题：程序®DEFORM6.1®File®New Problem® Next®在Problem Name栏中填写“stick extrusion”® Finish®进入前前处理界面。单位制度选择：点击Simulation Control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”、“top die”、“bottom die”和“object 4”，在Object Name栏中填入extrusion wor

5、kpiece®点击Change按钮®单击Geometry按钮®Import Geo按钮，选择extrusion workpiece.stl实体文件®打开；重复操作，依次添加extrusion die， extrusion dummy block，extrusion chamber。定义对象的材料模型：在对象树上选择extrusion workpiece®点击General按钮®选中Plastic选项®点击Assign Temperature按钮®填入温度为630®点击OK按钮®在对象树上选择ex

6、trusion dummy block®点击General按钮®选中Rigid选项®点击Assign Temperature按钮®填入温度为350®点击OK按钮®勾选Primary Die选项®如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die选项）。调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning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Simulation Control按钮®Main按钮

7、74;在Simulation Title栏中填入 “stick extrusion” ®在Operation Title栏中填入“deform heat transfer” ®勾选“Heat transfer”和“Deformation”选项®点击Step按钮®在Number of Simulation Steps栏中填入模拟步数为100®Step Increment to Save栏中填入1®在Primary Die栏中选择extrusion dummy block®在With Constant Time Incremen

8、t栏中填入时间步长为0.05®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 ®选择Detailed Settings的General选项卡®点击Absolute，Size Ratio改为2，Element Size选Min Element Size，设为2®点击 Surface Mesh ，生成表面网格®点击Solid Mesh生成实体网络。设置对象材料属性：在对象树上选择extrusion workpiece®点击Material®点击other®选择DIN-C

9、uZn40Pb21020-1740F(550-950C)®点击Load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extrusion dummy block®点击Movement®点击Movement®在type栏上选中Speed选项®在Direction选中主动工具运行，如-Z®在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入数度值，如10mm/s；设置坯料边界条件：选中物体Workpiece®单击Bdry.Cnd按钮®选中Symmetry plane图标®然后分别选中

10、坯料的对称面®单击添加按钮。工件体积补偿：在对象树上选择Workpiece®点击Property®在Target Volume卡上选中Active in FEM+meshing选项®点击Calculate Volume按钮®点击Yes按钮。边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮®在对话框上选择extrusion workpieceextrusion dummy block®点击Edit按钮®点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数为0.1&

11、#174; 点击Thermal®选中Constant选项，填入传热系数或选择传热类型如Forming ® 点击Close按钮®如此重复，依次设置其它接触关系® 点击Generate all按钮® 点击Tolerance 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extrusion workpiece®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Database generation按钮 ®

12、;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stick extrusion ®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Exit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stick extrusion.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

13、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stick extrusion.DB文件®在Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。（1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程，如图2；图2挤压变形过程（2）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；（3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Stress Max principal，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；（4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Strain Tot

14、al- Max principal，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；（5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；（6）成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png；（7）点跟踪分析：点击Point Tracking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。（8）流动网格分析：点击Flow Net按钮，在对话框中分别选择Starting step和E

15、nding step的数值，点击Next，选择Surface net，点击Next，选中Parallel，点击Next，确定起点平面、终点平面，输入方向矢量和分割面的数量，点击Next，点击Finish，生成金属流动网格数据，点击播放按钮查看流动格变化情况。3 实验结果与分析3.1观察温度变化图3挤压终了温度分布从图3可以看出：远离挤压垫的一端温度最高，而与挤压垫相接触的一端温度最低，这主要是由于在整个挤压过程中与挤压垫接触的一端存在着热交换，使温度降低，不接触的一端在整个过程中金属流动较激烈，并且由于散热不好且挤压时间较短，温度比与挤压模相接触端高且变化不大。同时，中心部位温度分布较均匀而且

16、具有较高温度值，这是因为在整个挤压过程中坯料中心不与挤压模具和空气相接触，热量散失与热传递都很小。3.2观察最大应力分布图4 挤压终了最大应力分布从图4可以清晰地看出：中间部位应力分布较均匀，且数值较大，为三向压应力状态，从中还可以看出挤压过程中应力最大的位置出现在工件刚刚进入挤压模的位置，因为在此处由于工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也最大，在此处将产生较大的附加应力。在挤压筒与坯料的接触部位附加应力和应力影响都较小。3.3观察最大应变分从图5可以清晰的看出：在整个挤压过程中应变最大的位置出现在工件刚刚 进入挤压模的位置，此时工件部的主变形量最大，也即应变最大。中间位置应变

17、其次，中心内部位应变较小，两端应变最小。从图6中可以很清晰的看出：已挤压坯料的表面破坏系数较大，已挤压坯料的中心和挤压筒内的坯料破坏系数都较低。这是由于挤压过程中挤压筒壁和挤压模壁接触摩擦力的影响，使边部金属流动滞后于中心部金属，造成了边部受压，中心受压的附加应力分布，表面在附加拉应力作用下易产生周期裂纹，所以坯料表面的破坏系数较大。图5 挤压终了最大应变分布3.4观察破坏系数分布图6 挤压终了破坏系数分布3.5成型过程载荷分布从图7可以看出：整个挤压过程的成型载荷总体上是沿直线逐渐增加的，因为随着挤压过程的进行，工件和挤压模的接触面积越来越多，所以受挤压模具的摩擦力就会逐渐增大。同时由于还会

18、受到金属内部原子的相互作用力，随着挤压过程的进行金属流动越来越困难，要求的挤压力也越大。图形中出现的很小的起伏，主要是因为在挤压过程中DEFORM-3D成型软件进行了网络的重划分，产生了均匀应变，挤压力小幅度降低挤。压力总体上呈上升趋势。图7 成型过程载荷分布3.6点跟踪分析 图8 跟踪点分布 图9 跟踪点温度分布1)从图9可以看出：所选的每个点的温度分布整体上是呈小幅度的下降趋势（本次试验挤压过程很短且工件与外界的热传递几乎没有，所以个点的温度几乎保持不变），主要在模拟成型过程中存在工件和工具以及外界的热交换、热量损失，所以温度会有所下降但幅度很小，因为在热传递和热量散失的过程中接触摩擦会产

19、生热量，所以跟踪点的温度降幅很小。2)从图10可以看出：应力分布不均匀，且变化幅度较大，因为在挤压过程中工件的某些部位有很大的不均匀变形，同时附带了大量的附加应力，而附加应力在整个工件上的分布也是不均匀的，所以也就出现了如图所示的情况。3）从图11可以看出：应变整体上市呈上升趋势，因为材料的成型过程中每个质点都产生了小的应变程度，所有质点应变的总和便构成了整个工件的应变，所以总应变是逐渐增大的。 图10 跟踪点最大应力分布4）图12可以看出：破坏系数整体是增大的，因为随着挤压过程的进行工件的应变越来越大，不均匀变形也越严重，同时附加应力也增加，金属内部晶格畸变也是越来越严重，则挤压变形的进行旧越容易破坏，所以工件的破坏系数是逐渐增加的。图11 跟踪点最大应变分布 图12 跟踪点破坏系数分布3.7流动网格分析 图13 金属流动网格由图13可以看出：坯料外层的网格线被包围在内层网格线内部，即坯料外层的网格拉长的较短，中心层的网格拉长的交长这是由于坯料径向上的金属质点，总是中心部位首先流动进入变形区，外层金属流动的较缓慢，即存在流动不均匀现象。从图中还可以看出：各层网格之间变形前后平行关系未改变。这符合基本挤压阶段金属流动的特点，即坯料不发生中心层与外层的紊乱流动，坯料外层金属出模孔后仍在制品外层，不会流到制品中心。说明挤压未进