DEFORM实验报告——镦粗

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业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 09材控（1） .姓 名 万 伟 学 号 2012年04月29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。砧板工

2、件锤头图1 圆柱体压缩过程模拟（一）压缩条件与参数锤头与砧板：尺寸20020020mm，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，%1100150012021001500.21203100250012041002500.2120（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

3、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，top die，bottom die，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DEFORM-3D Ver 6.1FileNew Problem Next在Problem N

4、ame栏中填写“Forging” 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”。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Assign Temperature按钮填入20点击OK按钮；在对象树上选择top die 点击General按钮选中Rigid选项（刚性）点击OK按钮勾选Primary Die选项如此重复，定义其它工模

5、具的材料模型（不勾选Primary Die选项）。实体网格化：在对象树上选择workpiece点击 Mesh （采用绝对划分）点击Detail Settings选择Absolute将Min Element Size中数据改为3点击Surface MeshSolid Mesh，工件网格生成；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选项点击Calculate Volume按钮点击Yes按钮。设置对象材料属性：在对象树上选择workpiece点击Material右边；Load material from library点击ot

6、her选择DIN-CuZn40Pb2点击了Load完成材料属性的添加；同理应用于top die，bottom die 材料的添加。设置主动工具运行速度：在对象树上选择top die 点击Movement在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项在Direction选中主动工具运行，选择-Z在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant value，填入速度值，1mm/s；步数和步长的设定：在工具栏上点击Simulation Control按钮点击Step，在Number of Simulation Steps右格中填入30Step Increment to

7、 Save 格中输入3点击With die Displacement ，输入1mm。（后面三个实验根据实际设定步数及步长）边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮在对话框上选择workpiecetop die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0（一般默认是0） 点击Close按钮点击Apply to other Relations，点击Generate all按钮点击OK按钮完成边界条件设置；2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database generation按钮 点击Check按钮没有错误信

8、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Quit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。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Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；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；观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，

9、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；观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain，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；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；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。3 实验结果与分析以下实

10、验（a）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0； （b）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0.2； （c）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0； （d）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0.2；3.1圆柱体压缩变形大致过程 （a） 高度为150mm、摩擦系数为0压缩变形过程 （b） 高度为150mm、摩擦系数为0.2压缩变形过程（c） 高度为250mm、摩擦系数为0压缩变形过程 （d）高度为250mm、摩擦系数为0.2压缩变形过程图2 （a）、（b）（c）（d）四种方案的压缩变形过程从上图2中对比可以明显看出方案（a）与方案（c）在压缩过程中都是均匀变形，未出现鼓形轮廓，而方案（b）与方

11、案（d）在压缩过程中出现不均匀变形，圆柱体四周出现鼓形轮廓。由此可知圆柱体在镦粗时除受变形工具的压缩力外，在与工具接触的端部还受接触摩擦力的作用，由于接触摩擦力阻碍金属质点横向流动，使圆柱体在镦粗时产生鼓形。对比方案（c）、（d），即在有摩擦条件下（摩擦系数相等），当H/d 2 出现的单鼓形较为明显。 （a） 高度为150mm、摩擦系数为03.2 最大应力比较（b） 高度为150mm、摩擦系数为0.2 (c) 高度为250mm、摩擦系数为0 (d) 高度为250mm、摩擦系数为0.2图3 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应力分布 观察下图3 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案的

12、最大应力分布（1）高度相同，接触摩擦系数不同： 由上图3中对比方案（a）和方案（b），圆柱体表面及内部最大应力分布截然不同。方案（a）中最大应力2.24Mpa（最大拉应力），最小应力为-2.48Mpa（最大压应力），而最大应力主要分布在圆柱体的表面以及接触面的边缘处，内部应力分布比较均匀，主要为压应力，分布比较均匀。方案（b）中最大应力为9.42Mpa，最小应力为-99.6Mpa，最大应力主要位于圆柱体的表面以及靠近表面处，此区由于环向（切向）出现附加拉应力使其应力发生变化，环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小。最大压应力位于圆柱体上下断面的圆心处，压应力延径向逐渐减小，在应力

13、图中呈现出同心圆；延轴线向内呈锥形逐渐减小。由于圆柱体端部的接触面附近，受接触摩擦的影响较大，在原理与垂直面的作用力轴线呈大致45度交角的易产生划一的，在此区域产生塑性变形较为困难，具有强烈的三向压应力状态。比较方案（c）和方案（d），方案（c）中最大应力为1.37Mpa，最小应力为1.53Mpa，最大拉应力主要分布在圆柱体的表面，最小应力即最大压应力一小点区域分布在圆柱体表面，应力分布比较均匀。方案（b）中最大应力为5.22Mpa，最小应力为-58.3Mpa，其分布及形成原因与方案（b）类似。（2）接触摩擦系数相同，高度不同：比较方案（a）和方案（c），摩擦系数均为0时，压下量越大，产生的附

14、加应力拉应力和附加压应力就越小，最大拉应力和最大压应力均分布在圆柱体表面上。比较方案（b）和方案（d），摩擦系数均为0.2时，压下量越大，圆柱体压缩变形过程中最大压应力越小，最大拉应力越小，且应力分布区域大致相同。 综上所述，接触摩擦系数以及高度对圆柱体镦粗时变形均有影响。3.3最大应变比较 观察下图4中（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应变分布（1）高度一样，接触摩擦系数不一样：比较方案（a）和方案（b），从表面及内部的应变状态图可以得出，无摩擦镦粗时，应变分布比较均匀，圆柱体的四周处于拉伸状态，轴向处于压缩状态，属于典型的一向压缩，两向拉伸状态，为自由变形；而方案（b）有摩擦镦粗

15、时，圆柱体应变分布不均匀：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度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度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。观察变形前后的圆柱体的形状，便可以发现其形状在变形后呈单鼓形（不够明显）。比较方案（c）和方案（d）的应变分布及其分析原因于中大致相同。由此可以得出，接触摩擦系数对应变的分布有影响。（2）接触摩擦系数相同，高度不同：比较方案（a）和方案

16、（c），圆柱体接触摩擦系数均为0时，其表面应变分布和内部应变分布都比价均匀，符合压缩过程中均匀变形；比较方案（b）和方案（d），圆柱体接触摩擦系数均为0.2时，其表面应变分布和内部应变分布都不均匀，各部分最大应变存在的明显的差异。综上可以得出，圆柱体在压缩变形过程中，接触摩擦系数和圆柱体高度对对最大应变均有不同程度的影响。 （a）高度为150mm、摩擦系数为0(b) 高度为150mm、摩擦系数为0.2 （c）高度为250mm、摩擦系数为0 （d）高度为250mm、摩擦系数为0.2图4 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应变分布3.4 温度变化比较 （a） （b） （c） （d）图5

17、（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后温度变化从图5中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后温度基本上无明显变化，原因都是在室温20环境下模拟的，圆柱体与锤头和砧板无热交换。从理论上分析，金属在进行塑性变形时，由于金属流动而产生些许热量，应有温度变化，但未出现温度变化，可能的原因是压缩变形的时间过长（30s、50s），变形产生的热散失了。而且，有接触摩擦的在压缩变形过程中产生的变形热更多，都未能表现出来。3.5 压缩变形后破坏系数的比较从图6中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后破坏系数均未发生变化，即损伤系数均为0。从理论上分析可以得出，方

18、案（a）和方案（c）压缩变形属于均匀变形，损伤系数应该为0，但是方案（b）和方案（d）压缩变形属于不均匀变形，如方案（b）在压缩过程中产生单鼓形，在圆柱体四周产生较大的环向拉应力作用，也就意味着由于处于拉应力的作用下，圆柱体四周会出现裂纹或者潜在的微观裂纹，即使压下率只有20。所以在用DEFORM进行模拟时，也存在一些缺陷。 (a) (b) (c) (d) 图5 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后破坏系数变化3.6 行程载荷曲线分析 (a) (b) (c) (d)图7 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形过程中行程载荷曲线观察上图7、下图8和表二所示：总体分析：四种方案

19、中行程载荷曲线的大致走向呈逐渐上升趋势，整个过程大致可以分两个阶段，第一阶段为弹性变形阶段，此阶段载荷曲线的斜率大，即行程变化小而载荷力变化大，这是由于要克服原子间的相互作用力；第二阶段为塑性变形阶段，此阶段载荷曲线的斜率较小，即行程变化大而载荷力变化小，在压缩变形过程中产生了加工硬化，使其变形抗力增加，故载荷力继续增加。高度相同，摩擦系数不同：比较方案（a）和方案（b），两者在弹性变形阶段和塑性变形阶段的行程载荷曲线大致平行（通过图7），有接触摩擦系数的压缩过程载荷力在相同时刻大于无摩擦的载荷力（通过表二）。比较方案（c）和方案（d）的结果与大致相同，不过相对于方案（a）、（b）在塑性变形阶

20、段，相同的变化行程，前者的载荷力变化较大。仔细观察（d）载荷曲线，在弹性变形结束后出现载荷力瞬间回落阶段，此阶段可能是由于接粗摩擦导致表面金属流动困难而使整体延45方向发生滑移所致。由上可知，接触摩擦系数影响行程载荷力，摩擦系数越大，载荷力越大，摩擦系数越小，载荷力越小（相对的）。摩擦系数相同，高度不同：比较方案（a）和方案（c），虽然两者都是属于均匀变形，但是从图7中可以明显看出，行程相同时，高度越低，载荷力越大；反之，越小。即使压下程度相同时，最终结果，高度越低，载荷力越大；反之，越小。比较方案（b）和方案（d），两者都属于不均匀变形，比较同上述类似。综上可知圆柱体的接触摩擦系数和高度对其

21、镦粗变形过程中行程载荷有较大影响，接触摩擦系数越大，载荷力越大，高度约低，载荷力越大。图8 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案下载荷曲线对比表二 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形过程中行程载荷数据Time (sec)Z Load（N）(a)(b)(c)(d)000001.1.9.0.22.3.3.2.33.0.3.6.84.8.2.9.95.7.1.3.26.6.6.3.07.3.9.0.68.2.0.2.49.6.4.8.810.5.0.4.611.8.6.0.512.9.4.6.213.4.2.9.614.3.6.4.915.3.9.8.116.2.4.7.817.9.6

22、.0.318.4.1.5.219.6.8.6.020.2.9.5.321.0.4.3.222.6.6.3.623.0.6.2.524.3.5.8.925.4.5.4.226.2.3.9.627.1.2.0.828.0.9.0.929.9.5.5.130.8.0.6.331.6.632.2.633.4.134.3.235.8.036.2.037.5.438.6.839.4.740.2.541.1.642.0.143.3.044.9.245.2.246.9.347.5.548.6.849.8.150.6.5 (a)、(b)方案对应的点追踪图示 (c)、(d)方案对应的点追踪图示图8 （a）、（b）

23、、（c）、（d）四种方案下的点追踪位置图示3.7 点追踪最大应力变化. （a） （b） (c) (d) )()图9 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案下点追踪最大应力变化趋势总体上来分析，无论是均匀变形还是不均匀变形，在变化趋势上主要分两个阶段，一是弹性变形阶段，应力变化大；二是塑性变形阶段，应力变化小（相对于弹性变化阶段）。比较方案（a）和方案（b），在选取的8个追踪点中，最大的不同点就是其中方案（a）中7号点的应力为拉应力且逐渐变大，而方案（b）中7号点的应力为压应力，且压应力逐渐增大。其余对应点的变化趋势大致相同。如果细看（b），点1、2、3三点的应力在相同时刻依次减小，由于圆柱体表面有接触摩擦，产生粘着区，都处于三向压应力状态。比较方案（c）和方案（d），其变化趋势同（1）大致相同。方案（d）中圆柱体上表面处于强烈的三向压应力状态，而曲线的走势与其他点明显不同，其他点的应力变化几乎