【文章內(nèi)容簡介】 邊界條件分為力面邊界條件和速度邊界條件，分別為： 在力表面 SF上 IJIJ F??? (式 ) 在已知速度表面 SU 上 IIU? (式 ) DEFORM— 3D 軟件平臺簡介 DEFORM 軟件介紹 DEFORM 系列軟件是由位于美國 Ohio Clumbus 的科學成形技術(shù)公司（ Science Forming Technology Corporation）開發(fā)的。該系列軟件主要應用于金屬塑性加工、熱處理等工藝數(shù)值模擬。他的前身是美國空軍 Battele 實驗室開發(fā)的 ALPID 軟件。在 1991 年成立的 SFTC 公司將其商業(yè)化，目前， DEFORM 軟件已成為國際上 流行的金屬加工數(shù)值模擬的軟件之一。主要產(chǎn)品有 DEFORM2D、 DEFORM3D、DEFORMPC 、 DEFORMHT Module 、 DEFORMTools 。 DEFORM （ Design Environment for Forming）是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，主要用于分析金屬成形及其相關工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。二十多年來的工業(yè)實踐清楚地證明蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 14 了基于有限元法的 DEFORM 有著卓越的準確性和穩(wěn)定性。模擬引擎在大變形金屬流動，行程載荷和產(chǎn)品缺陷預測等方面同實際生產(chǎn)相符保持著較好的精度。DEFORM 無需試模就能夠預測工業(yè)實際生產(chǎn)中的金屬流動情況，是降低制造成本，縮短研發(fā)周期的高效而實用的工具。通過在計算機上模擬整個加工過程，幫助工程師和設計人員，設計工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本；提高模具設計效率，降低生產(chǎn)和材料成本；縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。 EFORM 的分析對象有：擠壓、拉深、軋制、鍛造、旋壓、熱處理等熱塑性成形工藝；破壞、等效應力、彈性變形、殘余應力、部分回彈；冷、熱、溫塑性成型和熱傳導耦合；多步塑性成形工藝；剛性、彈性和塑性金屬材料、粉末燒結(jié)體材料、玻璃和聚合物材料。 DEFORM— 3D 軟件的模塊結(jié)構(gòu) DEFORM 軟件是一個高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)，它主要包括前處理器、模擬器、后處理器三大模塊，這三大模塊的具體功能如下： ① 前處理器：主要包括三個子模塊： ① 數(shù)據(jù)輸入模塊，便于數(shù)據(jù)的交互式輸入，如：初始速度場、溫度場、邊界條件、沖頭行程及摩擦系數(shù)等初始條件； ② 網(wǎng)格的自動劃分與自動再劃分模塊； ③ 數(shù)據(jù)傳遞模塊，當網(wǎng)格重劃分后，能夠在新舊網(wǎng)格之間實現(xiàn)應力、應變、速度場、邊界條件等數(shù)據(jù)的傳遞，從而保證計算的連續(xù)性。 ② 模擬器：真正的有限元分析過程是在模擬處理器中完 成的， DEFORM 運行時，首先通過有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)關系和邊界條件轉(zhuǎn)化為非線性方程組，然后通過直接迭代法和 Newton－ Raphson 法進行求解，求解的結(jié)果以二進制的形式進行保存，用戶可在后處理器中獲取所需要的結(jié)果。 ③ 后處理器：用于顯示計算結(jié)果，結(jié)果可以是圖形形式，也可以是數(shù)字、文字混編形式，獲取的結(jié)果可為每一步的有限元網(wǎng)格；等效應力、等效應變；速度場、溫度場及壓力行程曲線等。三大模塊之間的關系圖如下： 蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 15 圖 DEFORM—3D 系統(tǒng)的三大模塊 選題的目的、意義及本課題的研究內(nèi)容 課題的研究目的 本課題采用有限元模擬軟件 DEFORM—3D 對 ECAP 擠壓純銅試樣的過程進行模擬分析，進一步的研究 ECAP 的變形機理，結(jié)合前期的相關實驗結(jié)果，著重分析變形時的溫升效應對 ECAP 擠壓件的影響，以期揭示溫升和積聚應變綜合作用下純銅微觀組織的演變規(guī)律；不同路徑變形時各道次微觀組織的演變規(guī)律及材料內(nèi)部的應力應變等場量的分布情況；應變和溫升綜合作用下晶粒的細化效果，以期通過溫度等參數(shù)控制得到最佳晶粒度；變形參數(shù)對擠壓效果的影響，得到能制造出細小晶粒的最優(yōu)化變形參數(shù)；建立相應模具的設計準則， 提高模 具設計效率，降低生產(chǎn)成本，縮短新產(chǎn)品的研究周期。 選題的意義 近年來采用等通道角擠壓技術(shù)制備超細晶材料已成為材料科學領域中的一個研究熱點，目前 ECAP 技術(shù)被認為是細化常規(guī)晶粒尺寸至亞微米級甚至納米級最有工業(yè)化應用前景的技術(shù)之一，它是在不改變制件成分和截面形狀的前提下經(jīng)過多道次擠壓積累巨大的應變促使材料顯微組織發(fā)生改變，它與其它方法結(jié)合可以顯著的提高材料的綜合性能。用該方法制備塊體超細晶材料不僅可以減少材料的浪費而且所需載荷低、功率小、效率高，能得到近終形產(chǎn)品，它今后的發(fā)展方向是生產(chǎn)形狀蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 16 各異、組織均 勻的結(jié)構(gòu)材料、功能材料和半導體材料。由于微觀種組織如晶粒大小、位錯密度、再結(jié)晶、織構(gòu)等決定材料的宏觀性能，所以對 ECAP 擠壓件微觀組織的研究與控制顯得很有意義，但 ECAP 是由諸多因素共同影響的復雜的劇烈塑性變形過程，實驗法研究 ECAP 會有很多的局限性，近年來，雖然對一些材料的 ECAP 變形進行了大量的模擬和實驗研究，但是對材料的變形過程、組織和織構(gòu)演變還缺乏系統(tǒng)而全面的認識。目前，可以 模擬金屬塑性變形的 CAE 有限元分析技術(shù)已被材料領域廣為應用，使得以往的研究方法得到了很大程度的改善，本課題采用計算機模擬為主， 結(jié)合理論分析和實驗研究。有限元法有兩個主要的發(fā)展方向：一是通過有限元模擬預測制件的顯微組織，以控制產(chǎn)品的微觀組織和宏觀性能；二是將最優(yōu)控制理論與有限元分析相結(jié)合，實現(xiàn)塑性成形工藝的最優(yōu)控 制。 有限元數(shù)值模擬可以最大程度的接近真實的 ECAP 變形過程，可以更直觀的掌握材料的變形規(guī)律、各場量的分布情況和數(shù)值大小、變形條件和不同影響因素對變形過程的影響，在計算機上事先模擬得到不同條件下的變形結(jié)果，預測此種變形的可行性，確定合理的變形工藝，再依據(jù)模擬所得到的最優(yōu)變形工藝和模具設計準則進行真實 ECAP 變形，進而得到比較理 想的變形結(jié)果，這樣即節(jié)省人力物力又能提高效率，不僅利于 ECAP過程的工業(yè)化應用，而且模擬分析與實驗結(jié)果相結(jié)合又能豐富之前對 ECAP 技術(shù)的理論認識與研究。 課題的研究內(nèi)容 采用 DEFORM3D 有限元模擬軟件對 ECAP 多道次擠壓純銅的塑性變形過程進行模擬，研究如何建立相應的幾何模型，對其進行有限元網(wǎng)格的劃分；如何建立純銅的材料模型；如何定義擠壓過程的接觸、摩擦和邊界條件。 結(jié)合模擬和實驗研究，建立能準確描述 ECAP 變形過程中材料微觀組織演變和宏觀性能變化的數(shù)學模型。 塊體超細晶材料的晶粒 分布均勻程度以及晶界取向角度的高低直接決定材料的使用價值，因此，獲得擠壓件在 ECAP 過程中各場量的歷史演化規(guī)律，得出多道次 ECAP 工藝擠壓件各場量分布以及變形均勻性規(guī)律具有重要的理論意義和應用價值。本課題 分別對 A 路徑、 Ba 路徑、 Bc 路徑、 C 路徑的 18 道次的 ECAP 擠壓過程進行模擬，得到擠壓件內(nèi)部的應力、應變、應變速率、金屬流動規(guī)律、溫度蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 17 分布以及行程載荷曲線，預測工件的成形狀況、殘余應力和缺陷分布，研究溫升和積聚應變綜合作用下同一路徑不同道次間的顯微組織演變規(guī)律和不同路徑相同道次間微觀組織的演變規(guī)律及區(qū)別 ，并模擬動態(tài)再結(jié)晶的體積分數(shù)、動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸大小及分布規(guī)律、擠壓后試樣晶粒尺寸大小及分布規(guī)律、分析影響再結(jié)晶的主要因素、研究金屬塑性變形中的再結(jié)晶規(guī)律、研究如何通過控制塑性變形參數(shù)來控制再結(jié)晶過程，使塑性變形之后得到較細晶粒。 通過大量數(shù)值模擬，獲得模具幾何形狀與工藝參數(shù)對擠壓過程的影響，分別采用 90 度、 105 度、 130 度的模具內(nèi)切角進行模擬，獲得不同內(nèi)切角所對應的擠壓過程各場量如等效應變和等效應力等的大小與分布，擠壓時的變形均勻性以及不同內(nèi)切角所對應的最大擠壓載荷。 研究摩擦對變形的影響，設置 摩擦系數(shù)為 0 和 ，并對這兩種情況進行模擬，分析兩種摩擦條件下擠壓件的等效應變和擠壓力的分布規(guī)律。 針對不同的工藝參數(shù)（如模具角度、摩擦系數(shù)、擠壓路徑、擠壓速度、擠壓道次）和擠壓工藝路線進行了大量的擠壓過程模擬后，獲得能夠用于指導模具設計和實際工藝的理論結(jié)果，給出模具幾何形狀的優(yōu)化設計方案和較好的工藝路線。 通過理論分析和實驗研究方法，驗證模擬的可靠性和適用性，如各道次擠壓試樣的實驗結(jié)果與模擬結(jié)果比較，坐標網(wǎng)絡和模擬網(wǎng)絡變化比較，實際微觀組織觀察和顯微組織演變模擬圖的比較。 本章小結(jié) 本章 闡述了超細晶材料的制備方法，介紹了幾種通過大塑性變形獲得細晶的工藝，其中重點闡述了 ECAP 的工藝原理、成形工藝參數(shù)，應用現(xiàn)狀，介紹了有限元數(shù)值模擬技術(shù)，該技術(shù)模擬金屬塑性成形的原理以及在塑性加工中的應用現(xiàn)狀，重點闡述了有限元數(shù)值模擬技術(shù)在 ECAP 工藝中的應用。之后介紹了 DEFORM—3D軟件以及有限元模擬的基本理論要點，如剛塑性材料的基本假設，塑性力學基本方程。本章最后說明了本課題的研究目的，研究意義和主要的研究內(nèi)容。這一章為接下來 ECAP 成形過程有限元分析模型和微觀組織演變模型的建立奠定了基礎。 蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 18 蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 19 第二章 ECAP 循環(huán)擠壓純銅的有限元模擬過程 擠壓純銅的有限元數(shù)值模擬流程 如下圖所示，有限元模擬 ECAP 成形問題時，首先要建立幾何模擬并導入到軟件前處理窗口，再對導入的幾何模型進行網(wǎng)格的劃分。輸入材料的基本屬性，在材料庫中建立所需的新材料。輸入邊界條件，如摩擦系數(shù)，摩擦類型，熱傳導系數(shù)等。確定工藝參數(shù)，如擠壓速度，擠壓路徑和擠壓道次等，然后進入模擬求解器進行模擬過程的運行，最后再進入后處理窗口查看結(jié)果。對塑性成形中微觀組織演變的有限元模擬，還要建立相應的微觀組織演 變模型，并將其和宏觀有限元模型相集成，以建立該過程的宏微觀仿真模型。有限元模擬流程圖如下所 示： 圖 有限元模擬流程圖 幾何模型的導入和裝配 由于 DEFORM3D 缺少幾何造型模塊，因此，先在三維造型軟件 ProE 中建立模型，設置擴展名為 .stl，再將幾何模型加載到 DEFORM3D 的前處理窗口中。本課題需建立的幾何建模有凸模（ top die）、工件（ workpiece）和凹模（ bottom die），每一個零件都有自己獨自的坐標系，在模型中彼此獨立，所以加載后還需進行 裝配蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 20 建模，在全局坐標系中確定各零件間的初始相對位置關系。建立這些幾何模型是為下一步有限元網(wǎng)格的劃分和材料屬性的定義提供載體。工件的長度 =70mm，直徑為12mm，由于凸、凹模為剛性體，所以簡化其模型如下圖所示： 圖 擠壓件的幾何模型 圖 凸、凹模幾何模型與裝配 在 DEFORM—3D 中具體操作步驟如下： 首先用三維建模軟件建立模型，保存格式選擇 STL， GEO， PDA， UNV， GS 格式中的一種，本課題用 STL 格式文件。將建立好的模型文件保存 到 DEFORM—3D安裝路徑下的 Problem 文件夾中，（文件夾及其模型文件名不能用中文，否則無法讀取）。建立新問題，進入 DEFORM 前處理界面，首先導入工件模型，點擊 Geometry 按鈕，再點擊 Important Geometry 按鈕，選擇 problem 文件夾中的模型文件進行加載，之后顯示窗口中會有工件模型出現(xiàn)，表示加載成功。接下來導入模具模型，導入前先添加對象，點擊添加對象按鈕，系統(tǒng)默認第一個模具名稱為 Top Die，同樣的方法添加對象 bottom die，添加對象成功后用上述加載工件相同的方法加 載模具模型。 材料模型的建立 在 DEFORM3D 軟件中，用戶可以根據(jù)分析的需要，輸入材料的彈性、塑性、熱物理性能數(shù)據(jù)，如果需要分析熱處理工藝，還可以輸入材料的每一種相的相關數(shù)據(jù)以及硬化、擴散等數(shù)據(jù)。該軟件提供了 100 余種材料（包括碳鋼、合金鋼、鋁合金、鈦合金、銅合金等）的塑性性能數(shù)據(jù)，以及多種材料模型，每一種材料的數(shù)據(jù)都可以與溫度等變量相關。材料模型的建立，就是要獲得材料的應力 —應變曲線本擠壓件 凹模和凸模 蘭州理工大學畢業(yè)設計（論文） 21 構(gòu)關系，以定義材料在載荷作用下的響應行為。通常情況下，采用的本構(gòu)關系正確與否，精確與否都很大程度地影響著模擬 的精度。常用的材料本構(gòu)關系有彈塑性、剛塑性、剛粘塑性和彈粘塑性等。 在 ECAP 成形過程，擠壓件的彈性變形部分遠小于塑性變形部分，因而可以忽略彈性變形，同時成形時材料對變形速率敏感，表現(xiàn)出一定的粘性，因此，將材料模型簡化為剛粘塑性模型，溫度設為 20℃ ；模具在計算過程中視為剛性體，不考慮其變形。 本課題選擠壓件的材料為純銅 T2，凸、凹模的材料為模具鋼 H13。由于在成形過程中與凸、凹模及工件之間會有熱的傳遞，因此，工件和凸凹模都要進行網(wǎng)格劃分并定義材料屬性。 表 純銅 T2的熱、物理、力學性能參數(shù) 純銅 (T2) Unit 比熱容 N/mm2/℃ 熱導率（ 0~100℃ ）