先进成形与智能技术 课件 9.2 成形过程计算机模拟

9.2成形过程计算机模拟战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS9.2.1塑性成形计算机模拟软件9.2.2塑性成形模拟基本过程9.2.3计算精度的提高及工艺优化9.2.1.塑性成形计算机模拟软件1.塑性成形计算机模拟塑性成形计算机模拟的基本思想是利用计算机程序进行产品试模。实际成形工艺中影响产品性能的指标或参数都会影响分析结果，如材料性能、模具形状、成形速度、温度、接触状况（摩擦系数、热交换系数等），因此，这些因素在模拟分析中都需要考虑，其分析流程如图9.10所示。同时，一些计算科学所涉及的诸如步长、算法等问题也会在一定程度上影响分析结果。图9.10计算机模拟分析流程第9章成形过程模拟仿真技术9.2.成形过程计算机模拟3战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造（1）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以用常规计算求得精确解。（2）工件通常不是在已知的载荷下变形，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。（3）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，为了提高模拟精度，需要考虑变形分析与热分析的耦合作用。同时，塑性成形还会导致材料微观组织性能的变化，如变形织构、损伤、晶粒度等的演化，考虑这些因素也会增加模拟计算的复杂程度。2.塑性成形模拟的特点4第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造成形问题计算机模拟实施步骤如图9.11所示，可以看出，一般的塑性成形计算机模拟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，其中，前处理生成计算文件，求解器进行工艺计算，后处理获得计算结果。3.塑性成形计算机模拟软件的模块结构5第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造图9.11有限元分析的实施步骤与一般的计算机模拟分析类似，塑性成形计算机模拟主要包括以下几个过程：建立几何模型、

建立计算模型、求解和后处理四个过程。1.建立几何模型

塑性成形计算机模拟分析，都需要建立几何模型，如图9.12所示。一般的有限元计算商业软件都可以提供简单的几何造型功能，以满足简单几何形状的塑性成形计算建模需要。形状简单的模具和工件，分析人员可以利用模拟软件生成。对于模型过于复杂，CAE软件不能造型或者耗时太长，需要应用CAD系统造型，如UGNX、CATIA、Pro/E等。图9.12塑性成形几何体创建9.2.2塑性成形模拟基本过程6第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2.建立计算模型（1）模拟参数设置

模拟参数的设置，主要是为了进行有效的数值模拟。虽然成形分析是一个连续的过程，但计算机模拟时需要分许多时间步来计算，所以需要用户定义一些基本参数。步骤设置a.启动步。一般-1为默认启动步。b.模拟总步数。模拟总步数，决定了模拟的总时间或位移。一般地，简单工序建议25～75步，典型成形工序建议100步，复杂工序建议200步以上。c.保存到数据库的步骤数。决定每多少步资料存储一次。考虑到存储量较大问题，并不建议将每个计算步骤都保存到数据库，否则存储文件可能太大。一般地，每5~10步存储一次比较合理，当然，此值可根据模拟中的步骤数和硬盘上可用空间大小调整。d.步长：可以用时间增量或每步的位移作为步长。7第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造图9.13步长与精度的关系图9.14（a）为线弹性材料模型，这种材料加卸载后变形可以完全恢复，弹性模量用于衡量材料的变形能力。工程实际中并不存在。图9.14（b）为理想刚塑性模型，这种材料的特点是完全忽略弹性变形，不考虑加工硬化和变形抗力对变形速度的敏感性。事实上，很多材料属于弹塑性材料，变形初期发生弹性变形，当应力达到屈服极限时，发生塑性变形。如图9.14（c）为理想弹塑性模型，这种模型忽略材料的强化作用，认为在应力达到屈服点以前完全服从胡克定律，屈服以后应力值不再增加，应变值可无限增加。8（2）设置材料基本属性

塑性成形计算机模拟设置中，物体基本属性主要是指基本性质、温度、材料等。第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造图9.14理想材料模型图9.15为线性强化模型，其中，图9.15（a）为线性强化刚塑性模型，在研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化，在塑性阶段屈服应力与变形成线性增加；图9.15（b）为线性强化弹塑性模型，考虑材料的弹性变形。图9.15线性强化模型事实上，在很多材料模型中，强化并非符合线性规律，如图9.16所示。图9.16非线性强化模型9第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造（3）网格划分所有的有限元数值计算分析都是离散的网格通过节点进行力和能量的传递，因此，网格的划分是基础。网格划分最基本的条件是材料和模具划分网格以后，应该可以充分体现原来的特征。网格变量是在网格中心计算的，在陡峭的梯度区域，峰值随粗元素而丢失。图9.17为粗大网格与细密网格的误差对比。图9.17不同网格误差对比10

网格生成及控制。网格数量。为了提高模拟的效果，网格划分当然是越多越好，但这是以牺牲效率为代价的。兼顾到计算时间和效率问题，需要结合具体工艺对网格质量进行适当控制。网格数量的增多，计算时间呈数倍增长。网格质量控制。除了尺寸比率外，对网格质量的控制还可以通过设置权重因子和网格密度窗口实现。一般情况下，可以根据表面曲率、温度、应变、应变率以及自定义区域的相对重要性分配加权系数。第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造（4）运动参数变形速度、工具运动方式等对金属的塑性和变形抗力有重要影响。工具的运动方式主要有直线运动和旋转运动两种。1）速度。塑性成形模拟中，速度可以定义为常数，也可以是时间或位移的函数，又或是与另一个物体的速度成比例的函数。当物体是刚体时，整个物体将会以指定的速度运动；当物体是变形体（弹性的、塑性的或是多孔）时，可以对每个节点进行速度运动边界条件设置。2）载荷。成形运动参数可以根据已知载荷设置，载荷可以是常数，也可以是时间或者位移的函数。当物体为刚性时，载荷是指所有与之接触的非刚性物体所施加的合力；当物体是弹性、塑性或多孔时，载荷是指定义了运动边界条件的所有节点载荷之和。（5）边界条件塑性成形有限元仿真，边界条件包括与环境的传热、速度边界条件、对称边界条件等。模拟时，可以利用这些边界条件简化模型，也可以利用旋转对称或者平面情况将模型简化为二维问题。在三维模拟中，可以利用其结构对称简化模型，模拟分析时，应尽可能利用对称关系，这既可以节省计算时间，也有助于增加分析结果的准确性。在设置对称边界条件后，也同时排除了失稳现象的产生。11第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造（6）定义接触关系定义接触关系包括物体的主-从关系（alave-master），一般情况下，软的物体设为从（slave），分析时需要更为细密的网格；硬的物体设为主（master），分析时可以不划分网格或者进行网格粗画。1）剪切摩擦模型。剪切摩擦模型为：式中，为摩擦应力；k为剪切屈服极限，；m为摩擦系数，0≤m≤1。对于具体的成形工艺，摩擦系数可以是函数形式，也可以是常数，对冷成形工艺推荐0.08～0.1，温成形工艺推荐0.2，有润滑的热成形推荐0.3，无润滑表面推荐使用0.7～0.9。式（9-49）适用于与模具接触的塑性变形区部分，如图9.19所示为剪切摩擦曲线。图9.19剪切摩擦曲线12第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2）库伦摩擦模型。库伦摩擦模型为：式中，为摩擦力，p为两个物体之间正压力，为摩擦系数。式（9-50）适用于与模具接触的相对滑动速度较慢的刚性区部分，所求出的摩擦应力应小于等于剪切屈服极限。图9.20库伦摩擦模型曲线3）传热系数。热塑性成形计算模拟过程中，坯料与模具、坯料和环境、模具和环境之间都存在传热关系。热分析中的边界条件包括环境温度、表面换热系数等。对于多个接触物体（变形）的非等温或传热型问题，需要定义传热系数。13第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3.求解在体积成形模拟中，如果主要关心成形过程中工件的变形情况，可采用刚塑性有限元法，以减少计算量；如果需要考虑工件卸载后的残余应力分布，可采用弹塑性有限元法，求解过程一般不需要用户干预。有限元软件是通过使用矩阵代数技术求解大量的同步方程来实现求解。144.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形状、模型表面或任意剖面上的应力-应变分布云图、变形过程的动画显示、选定位置的物理量与时间的函数关系曲线、沿任意曲线路径的物理量分布曲线等，使用户能方便地理解计算结果，预测成形质量和缺陷，如体积成形中用损伤因子分布云图显示工件内部出现裂纹的危险程度，用选定质点的流线显示成形中金属的流动方式等。第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造在多数有限元分析软件中，有较多可以使用的材料模型，用户可以自行建立其本构关系与应力-应变曲线，在软件中可以选择的形式包括：1表格形式。材料的本构关系可以用表格的形式输入。2幂律定律（powerlaw）。幂律定律是一种与应变速率有关的各向同性材料模型。3合金流动应力模型。以下是两种常用于铝合金的材料模型。4线性强化模型。（1）材料的准确描述准确描述变形材料是有限元数值模拟的基础。模拟时，可以根据需要对材料进行简化，常见材料包括弹性材料、脆性材料和韧性材料，各类材料的应力应变关系如图9.24所示。图9.24常见材料应力应变关系9.2.3.计算精度的提高及工艺优化15第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造（2）工艺条件准确设定摩擦类型和摩擦系数需要符合实际情况。图9.25给出了1035钢在正挤压工艺条件下不同摩擦系数对应的成形载荷值。成形温度。成形温度对成形工艺影响较大。图9.26给出了1035钢在正挤压工艺条件下不同温度对应的成形载荷值。图9.26不同摩擦系数镦粗结果（二）图9.25不同摩擦系数镦粗结果（一）16第9章成形过程模拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造（3）模拟