【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的 優(yōu)點(diǎn)。有一些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時(shí)，離散方程才滿足河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 積分守恒；而有限體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。由于有限體積法既保持了計(jì)算精確性，又兼有計(jì)算簡(jiǎn)單性，因此它在塑性加工模擬中迅速得到了非常廣泛的應(yīng)用，是塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展方向 [7,8]。 塑性加工數(shù)值模擬的發(fā)展現(xiàn)狀 近幾十年來， 有限元數(shù)值模擬技術(shù)由于其強(qiáng)大的運(yùn)算能力，能夠模擬材料流動(dòng)等異常復(fù)雜的鍛造過程，越來越顯其優(yōu)越性。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和數(shù)值計(jì)算方法的日益完善，尤其是隨著有限元技術(shù)的不斷完善 和發(fā)展，有限元數(shù)值模擬技術(shù)在塑性加工中的應(yīng)用蓬勃發(fā)展，應(yīng)用范圍越來越廣。從板料成形到體積成形，從正向模擬對(duì)成形結(jié)果的預(yù)測(cè)到反向模擬對(duì)預(yù)成形件的設(shè)計(jì)，從同時(shí)考慮變形和熱傳導(dǎo)的熱力耦合分析到對(duì)工件微觀組織的預(yù)測(cè)等等，顯示了該技術(shù)在塑性加工領(lǐng)域中的重要地位和作用。從塑性有限元模擬技術(shù)的發(fā)展看，它已經(jīng)走出 了單純?yōu)槔碚摲治龆M(jìn)行模擬的探索階段，廣泛應(yīng)用于一般工業(yè)生產(chǎn)中。 目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，材料成型計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已越來越廣泛的在各工業(yè)部門得到應(yīng)用，并產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，正在深刻地改變著傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì) 及 制造方式 。在工業(yè)需求的推動(dòng)下，國(guó)外已涌現(xiàn)出一批專門用于鍛壓成形計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件。我國(guó)在數(shù)值模擬技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用方面與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有差距， 計(jì)算技術(shù)之模擬 技術(shù)有著巨大的發(fā)展前景。 一方面，人們對(duì)于模擬的精度 、 速度和能力的期望是沒有止境的；另一方面，隨著各種新材料的發(fā)明和應(yīng)用，必然會(huì)出 現(xiàn)各種物理的、化學(xué)的 甚至生物的材料成形新工藝，這將擴(kuò)展計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的研究領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)鍛造技術(shù)基本規(guī)律尤其是材料本構(gòu)關(guān)系和邊界條件研究的深入，模擬中將采用越來越精確的計(jì)算模型，更深刻地 結(jié)實(shí)材料的各種物理性能，力學(xué)性 能和細(xì)觀、微觀組織性能與成形工藝的關(guān)系， 以 更短的模擬時(shí)間計(jì)算出更精確的模擬結(jié)果 [9]。 有限元模擬系統(tǒng)的組成 金屬塑性 成形過程模擬系統(tǒng)的建立就是將塑性有限元、金屬塑性成形工藝、計(jì)算機(jī)圖形處理等相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的過程。按照實(shí)施成形過程模擬的流程 (如圖12)，模擬系統(tǒng)的功能大致可分為前置處理部分、有限元求解部分和后置處理部分。其中，前置處理部分和后置處理部分又是建立在計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng) (或平臺(tái) )的基礎(chǔ)之上。 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 圖 12 有限元分析過程流程圖 The flow chart of finite element analysis process 有限元模擬系統(tǒng)的發(fā)展過程 有限元的概念是早在上世紀(jì) 40年代就有人提出，但由于當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)尚未出現(xiàn)，它并未受到人們的重視。 有限元法 則 是克拉夫 1960年提出來的， 是計(jì)算機(jī)時(shí)代的產(chǎn)物。 它的基本思想是“化整為零”，即把連續(xù)體視為離散單元的集合，將連續(xù)體分解為有限個(gè)形態(tài)比較簡(jiǎn)單的“單元”，對(duì)這些簡(jiǎn)單單元分別進(jìn)行分析，然后采用“積零為整”的方法，將各單元重新組合為由原來的連續(xù)體簡(jiǎn)化了的“模型”，通過求解這個(gè)模型得到問題的基本未知量 （例如位移）在若干個(gè)離散點(diǎn)上的數(shù)值解，最后根據(jù)得到的數(shù)值解再回到各個(gè)單元中計(jì)算其他物理量例如應(yīng)變、應(yīng)力等。 由此而產(chǎn)生的有限元分析技術(shù)是最重要的工程分析技術(shù)之一。它廣泛應(yīng)用于彈塑性力學(xué)、斷裂力學(xué)、流體力學(xué)、熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，有限元法在各個(gè)工程領(lǐng)域中不斷得到應(yīng)用，現(xiàn)已遍及宇航工業(yè)、核工業(yè)、機(jī)電、化工、建筑、海洋等領(lǐng)域，是機(jī)械產(chǎn)品動(dòng)、靜、熱特性分析的重要手段。早在上世紀(jì) 70年代初期就有人給出結(jié)論：有限元法在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，使機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生革命性的變化，理論設(shè)計(jì)代替了經(jīng)驗(yàn)類比設(shè)計(jì)。目前， 有限元法仍在不斷發(fā)展，理論上不斷完善，各種有限元分析程序包的功能越來越強(qiáng)大，使用越來越方便。直到上世紀(jì) 80年代中期，有限元分析軟件還處在獨(dú)立成長(zhǎng)階段，主要是擴(kuò)充和完善基本功能、算法和軟件結(jié)構(gòu)，逐步形成了商品化的通用和專用有限元軟件。專用的有限元分析軟件和特定的工程或產(chǎn)品應(yīng)用軟件相連接，名目繁多。 近 15年為有限元分析軟件的商品化發(fā)展階段，有限元分析軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前、后處理能力，進(jìn)行了大幅度擴(kuò)充；軟件的部分結(jié)構(gòu)和部分軟件模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進(jìn)行了重大的改造。這就使得目前市場(chǎng) 上知名的有限元分析軟件在功能、性能、可用性、可靠性以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶當(dāng)前的需求，這些有限元分析軟件可以在超級(jí)并行機(jī)，分布式微機(jī)群，大、中、河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 小、微各類計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。世界各地的研究機(jī)構(gòu)和大學(xué)也開發(fā)了一批規(guī)模較小但使用靈活的專用或通用有限元分析軟件，主要有德國(guó)的 ASKA，英國(guó)的PAFEC，法國(guó)的 SYSTUS，美國(guó)的 DEFORM、 ABAQUS、 ADINA、 ANSYS、 BERSAFE、 BOSOR、 COSMOS、ELAS、 MARC和 ATARDYNE等。應(yīng)用于體積成形模擬的商用 軟件主要有美國(guó)的 DEFORM和 MARC／ Autofe，法國(guó)的 FORGE3，以及俄羅斯的 Qform等。這些軟件以其友好易用的界面和可靠的性能在世界各地的科研院所及生產(chǎn)企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。 有限元分析軟件是一種集多種科學(xué)與工程技術(shù)于一體的綜合性、知識(shí)密集型產(chǎn)品，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，知識(shí)經(jīng)濟(jì)的到來，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及和全球信息化，它們將有更大的發(fā)展，不僅功能會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)充，性能會(huì)進(jìn)一步提高，而且伴隨網(wǎng)絡(luò)化、智能化，特別是多媒體和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，用戶界面也會(huì)有全新的變化 [10,11,]。 我國(guó)在“九 五 計(jì)劃期間大力推廣 CAD技術(shù)，機(jī)械行業(yè)大中型企業(yè) CAD的普及率已從20％ 提高到目前的 70％ 。隨著企業(yè) CAD應(yīng)用的普及，工程技術(shù)人員已逐步甩掉圖版，而將主要精力用于如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工程和產(chǎn)品質(zhì)量，計(jì)算機(jī)輔助工程分析 (CAE，Computer Aided Engineering)方法和相應(yīng)的有限元分析軟件將成為關(guān)鍵的技術(shù)要素。在工程實(shí)踐中，有限元分析軟件與 CAD系統(tǒng)的集成應(yīng)用使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍 。 在國(guó)內(nèi)有關(guān)體積成形過程有限元模擬軟件開發(fā)方面，北京機(jī)電研究所開發(fā)了MAFAP(Mass fing analysis Program)，上海交通大學(xué)開發(fā)了 SFORM，山東大學(xué)模具工程技術(shù)研究中心開發(fā)了體積成形二維有限元仿真軟件 CASFORM(Computer Aided Simulation for Forming Process)，上述軟件都是自主版權(quán)的微機(jī)版系統(tǒng)，能夠用于各種體積成形工藝的分析。 有限元模擬在成形中的應(yīng)用是近十幾年來各種有關(guān)成形的國(guó)內(nèi)和國(guó)際會(huì)議的重要論題，鍛造成形一般是三維問題，但二維模擬是目前的主要工程應(yīng)用。毋庸置疑，三維模擬是鍛造成形模擬未來的發(fā)展方向，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和有限元技術(shù)的 發(fā)展，三維模擬將在工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 DEFROM 有限元模擬系統(tǒng) DEFORM是由美國(guó) SFTC公司開發(fā)的一個(gè)體積成形有限元工藝模擬專用商業(yè)軟件。其前身是 20世紀(jì) 80年代早期美國(guó) Battelle研究院在美國(guó)空軍系統(tǒng)有關(guān)基金的資助下開發(fā)的有限元計(jì)算程序 ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)。它開創(chuàng)了塑性加工模擬技術(shù)的新紀(jì)元。到 1985年，美國(guó)已有 6家大公司使用該程序，當(dāng)時(shí)的APLID只能分析平面問題和 軸對(duì)稱問題，并且沒有考慮非等溫成形問題和加工設(shè)備的類型，也沒有網(wǎng)格再劃分功能。隨后幾年中， APLID的開發(fā)者針對(duì)用戶提出的種種要求，逐漸將程序完善，并采用 Motif界面設(shè)計(jì)工具，將計(jì)算程序發(fā)展為商品化分析軟件 DEFORM由美國(guó) SFTC公司推廣應(yīng)用。利用 DEFORM的體積成形有限元模擬技術(shù)，能夠全面模擬鍛造成形過程，大幅度減少反復(fù)試驗(yàn)，縮短鍛造工藝開發(fā)周期，加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)時(shí)間， 增河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 加獲利。 DEFORM軟件采用剛 (粘 )塑性本構(gòu)關(guān)系，其基本方程是對(duì) Euler坐標(biāo)系建立的。 Euler參考系在運(yùn)動(dòng)方程中不能自動(dòng)滿足 質(zhì)量守恒，若認(rèn)為材料不可壓縮的，則通過使Lagrange乘子法或罰函數(shù)法使運(yùn)動(dòng)方程滿足質(zhì)量守恒定律。 DEFORM是高度模塊化、集成化的模塊系統(tǒng)，由有限元模擬器、前處理器、后處理器及用戶處理器四大模塊組成。其中，有限元模擬器是集彈性、彈塑性、剛 (粘 )塑性、熱傳遞于一體的有限元求解器。前處理器處理模具和坯料的幾何信息和成形條件的輸入。后處理器將模擬結(jié)果可視化，并輸出模擬信息。用戶處理器是用戶對(duì) DEFORM數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作、對(duì)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行修改及定義自己的材料模型等 [12,13]。 作為一個(gè)功能強(qiáng)大的模擬系統(tǒng)， DEFORM軟件有效地解決了自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格畸變、網(wǎng)格與模具干涉判斷，網(wǎng)格重劃分、自動(dòng)完成有限元場(chǎng)量信息的傳遞等有限元模擬中的關(guān)鍵技術(shù)；能嚴(yán)格控制體積損失，保證場(chǎng)量的有效繼承：并很好地考慮了生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。 本文主要采用 DEFORM一 3D軟件進(jìn)行十字軸成形過程的模擬計(jì)算。 DEFORM3D是模擬3D材料流動(dòng)的理想工具。 DEFORM3D的最大優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個(gè)關(guān)聯(lián)對(duì)象耦合作用的大變形和熱特性，并且系統(tǒng)中集成了在任何必要時(shí)能夠自行觸發(fā)自動(dòng)網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)，以保證有限元 計(jì)算的順利進(jìn)行。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低題目的規(guī)模，并顯著提高計(jì)算效率。 此外， DEFORM3D具有如下突出技術(shù)特色： (1) 模擬范圍廣材料流動(dòng)、模具填充、成形載荷、纖維流向、晶粒流動(dòng)、缺陷成因、韌性破壞等信息； (2) 適用工藝廣鍛造、擠壓、軋制、鐓粗、沖切、熱處理等多種成形工藝；熱、冷、溫鍛的成形分析； (3) 成形設(shè)備完整液壓鍛造機(jī)、鍛錘、摩擦壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、軋機(jī)、擺輾機(jī)等眾多加工設(shè)備： (4) 材料模型多彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料和自定 義材料： (5) 材料庫豐富鋼、合金、鈦合金、超合金等 146種專用材料數(shù)據(jù)庫，并允許用戶自行輸入材料庫中沒有的材料； (6) 后處理功能直觀強(qiáng)大 FLOWNET和點(diǎn)跡跟蹤、等值線、云圖、矢量圖、載荷 — 行程曲線、鏡面反射、 2D切片等功能； (7) 前處理中自動(dòng)生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠； (8) 數(shù)據(jù)接口強(qiáng)與 CAD／ CAM有 IGES和 STL接口，同 IDEAS、 PATRAN等分析軟件直接調(diào)用： 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 (9) 網(wǎng)格自動(dòng)生成及再劃分自我接觸條件及完美而強(qiáng)大的網(wǎng)格再劃分技術(shù)，可有效地解決網(wǎng)格畸變，使得在成形過程中即便 形成了缺陷，模擬也可以進(jìn)行到底。并能嚴(yán)格控制體積損失，保證場(chǎng)量的有效繼承，模擬精度高； (10) 多工步成形可將多工步成形問題的各個(gè)預(yù)成形及終成形工步進(jìn)行有效安排，依次進(jìn)行模擬并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)工步問物理信息的相互傳遞； (11) 運(yùn)行平臺(tái)多樣化為了滿足不同規(guī)模、不同經(jīng)濟(jì)實(shí)力的用戶的需要，具有分別適用于工作站 PC機(jī)運(yùn)行的版本。 DEFORM3D圖形界面，既強(qiáng)大又靈活 ,為用戶準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果數(shù)據(jù)提供了有效工具。 DEFORM3D還提供了 3D幾何操縱修正工具，這對(duì)于 3D過程模擬極為重要。DEFORM3D延續(xù)了 DEFORM系統(tǒng)幾十年來一貫秉承的力保計(jì)算準(zhǔn)確可靠的傳統(tǒng) ,在最近的國(guó)際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中， DEFORM3D的計(jì)算精度和結(jié)果可靠性，被國(guó)際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。相當(dāng)復(fù)雜的工業(yè)零件，如連桿、曲軸、扳手、具有復(fù)雜筋翼的結(jié)構(gòu)零件、泵殼和閥體， DEFORM3D都能夠令人滿意地例行完成。 有限元軟件 研究方向 國(guó)內(nèi)外學(xué)者為完善有限元軟件技術(shù)仍然在進(jìn)行不懈的努力，近期的研究工作主要集中在以下幾個(gè)方面 [14]： ； ； 術(shù)； ； ； ； ； ； ，如無網(wǎng)格法、自適應(yīng) FEM法、 FBEM法、基于特征的 FBEM法 [7]。 課題來源及研究對(duì)象、目的意義 課題來源 本課題是許昌某 鍛造公司 的生產(chǎn)研究項(xiàng)目，該廠 生產(chǎn) 五菱凸緣叉鍛件 ，如圖 12所示。 河南理工大學(xué) 2021屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 圖 11 傳動(dòng)軸 突緣叉 The flange yoke in transmission shaft 研 究對(duì)象 本課題研究對(duì)象是 五菱凸緣叉鍛件 ， 由于 結(jié)構(gòu)和使用 性能 上的要求 ,它的 幾何形狀比較復(fù)雜 ， 加工面亦較少 ,成形相對(duì)比較困難。對(duì)于不同品牌和型號(hào)的汽車，其 凸緣叉的形狀也有所不同，但大體相似，均屬于短軸 分叉類鍛件。 目前 ，凸緣叉大都帶一個(gè)平法蘭，但也有帶一個(gè)花鍵齒法蘭的，帶有法蘭盤的，帶凸緣的，帶翼元的，折邊的。 由于其 形狀較為復(fù)雜，一次成形難度很大，因此確定傳動(dòng)軸凸緣叉熱成形工藝為：先加熱后鐓粗制坯 ,接著預(yù)成形，然后鍛壓精成形，最后進(jìn)行精整。該凸緣叉成形難度大，成形的難點(diǎn)在于頂部凸緣處以及側(cè)壁凹陷處。 本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)