【文章內(nèi)容簡介】 4 0 0 0 楔 Ⅱ 段 1 31 2 31 0 0 3 31 4 0 0 0 名 稱 序 號 名 稱 序 號 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 11 第 4 章 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 仿真所用軟件 DEFORM3D 的介紹 DEFORM 3D 是一套基于工藝模擬 系統(tǒng)的有限元系統(tǒng) (FEM)，專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過程中的三維 (3D)流動，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，有關(guān)成形過程中的材料和溫度流動。典型的 DEFORM3D 應(yīng)用包括鍛造、擠壓、鐓頭、軋制 ,自由鍛、彎曲和其他成形加工手段 DEFORM 3D 是模擬 3D材料流動的理想工具。它不僅魯棒性好，而且易于使用。 DEFORM3D 強(qiáng)大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性。系統(tǒng)中集成了在任何必要時(shí)能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。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。 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。 DEFORM 的發(fā)展 20 世紀(jì) 70 年代后期，位于美國加州伯克利的加利福尼亞的加利福尼亞大學(xué)小林研究所在美國軍方的支持下開發(fā)出了有限元軟件 ALPID， 1990 年在此基礎(chǔ)上開發(fā)出DEFORN2D 軟件。該軟件的開發(fā)者獨(dú)立出來成立 SFEC 公司（ Secientific Forming Techonologies Co.)，并推出了 DEFORM3D 軟件， DEFORM3D 是集成了原材料、成形、熱處理和機(jī)加工的軟件。 DEFORM 的理論基礎(chǔ)是經(jīng)過修訂的拉格朗日定理，屬 于剛塑性有限元法，其材料模型包括剛塑性材料模型、塑性材料模型、多孔材料模型和彈性材料模型。 DEFORM2D 的單元類型是四邊形， 3D 的單元類型是經(jīng)過特殊處理的四面體，四面體單元比六面體單元容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格重劃分。 DEFORM 軟件有強(qiáng)大的網(wǎng)格重劃分功能，當(dāng)變形量超過設(shè)定值時(shí)自動進(jìn)行網(wǎng)格重劃。在網(wǎng)格重劃分時(shí)，工件的體積有部分損失，損失越大，計(jì)算誤差越大，DEFORM 在同類軟件中體積損失最小。 DEFORM 軟件提供了三種迭代方法： NewtonRaphson、 Direct 和 Explicit，根據(jù)不同的材料性能可以選擇 不同的計(jì)算方法。同時(shí)該軟件提供了豐富的材料庫，幾乎包含了所有北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 12 常用材料的彈性變形數(shù)據(jù)、塑性變形數(shù)據(jù)、熱能數(shù)據(jù)、熱交換數(shù)據(jù)、晶粒長大數(shù)據(jù)、材料硬化數(shù)據(jù)和破壞數(shù)據(jù)。 DEFORM 的特點(diǎn) DEFORM 具有以下特點(diǎn) : DEFORM 是在一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。適用于熱、冷、溫成形，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)。如：材料流動、模具填充、鍛造負(fù)荷、模具應(yīng)力、晶粒流動、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。DEFORM3D 功能與 2D 類似，但它處理的對象為復(fù)雜的三維零件、模 具等。 不需要人工干預(yù)，全自動網(wǎng)格再剖分。 前處理中自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠。 DEFORM3D 模型來自 CAD 系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型（ STL/SLA）格式。 集成有成形設(shè)備模型，如：液壓壓力機(jī)、錘鍛機(jī)、螺旋壓力機(jī)、機(jī)械壓力機(jī)、軋機(jī)、擺輾機(jī)和用戶自定義類型（如脹壓成形）。 表面壓力邊界條件處理功能適用于解決脹壓成形工藝模擬。 單步模具應(yīng)力分析方便快捷，適用于多個變形體、組合模具、帶有預(yù)應(yīng)力環(huán)時(shí)的成形過程分析。 材料模型有彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性 材料及自定義類型。 實(shí)體之間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可以單獨(dú)求解，也可以耦合在成形模擬中進(jìn)行分析。 具有 FLOWNET 和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力 行程曲線等后處理功能。 具有 2D 切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。 程序具有多聯(lián)變形體處理能力，能夠分析多個塑性工件和組合模具應(yīng)力。 后處理中的鏡面反射功能，為用戶提供了高效處理具有對稱面或周期對稱面的機(jī)會，并且可以在后處理中顯示整個模型。 自定義過程可用于計(jì)算流動應(yīng)力、沖壓系統(tǒng)響應(yīng)、斷裂判據(jù)和一些特別的處理要求，如：金屬微結(jié)構(gòu) ，冷卻速率、機(jī)械性能等。 DEFORM3D 應(yīng)用舉例 DEFORM3D 典型應(yīng)用于：鍛造、機(jī)加工、軋制、擠壓、冷鐓、拉深、開坯、壓塑、鐓鍛。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 13 DEFORM3D 軟件的模塊結(jié)構(gòu) DEFORM3D 提供了豐富、適應(yīng)性強(qiáng)的分析設(shè)計(jì)環(huán)境，主要包括三大模塊 : 有限元模擬器 有限元模擬器是整個分析系統(tǒng)的核心，它以塑性有限元為理論基礎(chǔ)，具有以下特點(diǎn)與功能 : ⑴ 具有多種常見的和用戶自定義流動應(yīng)力方程形式，摩擦可采用庫侖模型和剪切模型，熱力學(xué)參數(shù)可為隨溫度變化的函數(shù) 。 ⑵ 模具的運(yùn)動可由速度、力、滑塊動能、機(jī)械能等多種形式控制 。 ⑶ 單元形式可為四邊形、四面體和六面體單元，模擬準(zhǔn)確性高 。 ⑷ 可以分析彈性、彈塑性、剛塑性、剛粘塑性金屬材料等的塑性變形過程，提供了成形體的各種力學(xué)場 。 ⑸ 可進(jìn)行非線性熱傳導(dǎo)過程分析 。 ⑹ 非等溫、多分析對象的熱一力禍合過程分析 。 ⑺ 可以分析多工步成形問題，實(shí)現(xiàn)物理常量的自動繼承和轉(zhuǎn)換 。 ⑻ 可進(jìn)行模具的應(yīng)力、彈性應(yīng)變及其損傷分析。 前處理 DEFORM3D 的前處理包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和網(wǎng)格自動生成，具體功能為 : ⑴ 可方便地對數(shù)據(jù)進(jìn) 行輸入、檢查和修改 。 ⑵ 模具幾何邊界的自動檢測和修改 。 ⑶ 具有豐富的材料數(shù)據(jù)庫，并可自建材料數(shù)據(jù) 。 ⑷ 全自動網(wǎng)格生成，自動實(shí)現(xiàn)成形過程的網(wǎng)格畸變檢測、網(wǎng)格重劃及新舊網(wǎng)格間的信息傳遞，以保證模擬成形過程的順利進(jìn)行。 后處理 DEFORM3D 的后處理具有強(qiáng)大的功能，可以滿足用戶的各種不同需要，包括 : ⑴ 成形網(wǎng)格的動態(tài)仿真 。 ⑵ 速度、應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變數(shù)率、溫度場的等值線和等色面等的動態(tài)顯示 。 ⑶ 自動產(chǎn)生模具載荷一行程曲線 。 ⑷ 成形材料多個質(zhì)點(diǎn)各種場量的跟蹤描述 。 ⑸ 模擬結(jié)果的自動 輸出和數(shù)據(jù)提取等。 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 14 起楔段軋件截面上的應(yīng)變場特征 橫截面上的應(yīng)變分布 a b c d 圖 41 楔橫軋起楔段橫截面上的應(yīng)變場 楔橫軋起楔段橫截面上的應(yīng)變分布，如圖 41 所示。能了解到軋件 應(yīng)變僅發(fā)生在與模具接觸得局部，其他所有部位得應(yīng)變均為零，即沒有發(fā)生變形。 圖 41a 為橫截面上橫向應(yīng)變 εx的分布在與模具接觸下，局部由于模具得作用，在 X 方北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 15 向發(fā)生延伸，出現(xiàn)拉伸應(yīng)變，其拉伸應(yīng)變 εx 最大應(yīng)為 +，可設(shè)一點(diǎn) P1 為中心，離P1 點(diǎn)越 遠(yuǎn) ，應(yīng)變 εx 越小，并逐步下降到零。由于模具的帶動，延伸應(yīng)變主要伸向出口，造成出口部位金屬堆積，局部出現(xiàn)壓縮變形，其最大達(dá)到可 達(dá)到 ， 如圖 41a所示的 P2 處。其他所有部位得橫向應(yīng)變 εx均為零。 圖 41b 為橫截面上軸向應(yīng)變 εy 為橫截面上軸向應(yīng)變 εy 的 分布。在與模具接觸下，局部如圖 41b 中 P2 處，由于模具的作用在 Y 方向產(chǎn)生延伸，出現(xiàn)拉伸應(yīng)變，其拉伸應(yīng)變值最大，為 +，并以接觸點(diǎn) P2 位心，離 P2點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)變 εy 越小，并逐步下降到零（ P1處應(yīng)變值為 +），部分會出現(xiàn)負(fù)值 。 圖 41c 為橫截面上縱向應(yīng)變 εz的分布。在與模具接觸下，局部如圖 41c 中 P1處，由于模具得作用，在 Z 方向發(fā)生壓縮，出現(xiàn)壓縮應(yīng)變，其最大壓縮應(yīng)變?yōu)?。以點(diǎn)P1 為心，離 A 點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)變 εz越小，并逐步下降 到 零。局部 A 處得壓縮變形帶動出口局部 P2出產(chǎn)生拉伸 變形，其最大值達(dá)到 +。其他所有部位得縱向應(yīng)變 εz均為零。 如圖 41 所示 ，在橫截面上，只有 P P2兩處局部區(qū)域發(fā)生較大的應(yīng)變。在 P1部位為一向壓縮變形（ Z 向），兩向拉伸變形（ X 向與 Y 向）。在 P2部位為一向壓縮變形（ X向）與兩向拉伸變形（ Y 向與 Z 向）。 反映應(yīng)變強(qiáng)度的等效應(yīng)變 ε，如圖 41d 所示，在與模具接觸點(diǎn)等效應(yīng)變值最大， 達(dá) 到，并以接觸點(diǎn)為心，離它越遠(yuǎn)，等效應(yīng)變越小， 并逐步下降為零 。 縱截面上的應(yīng)變分布 a b 北華航天工業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 16 c d 圖 42 楔橫軋起楔段縱截面上的應(yīng)變場 楔橫軋起楔段縱截面上的應(yīng)變分布，如圖 42 所示。 從圖 42 可以看出，軋件應(yīng)變僅發(fā)生在與模具接觸下的局部，其他所有部位的應(yīng)變均為零，即沒有發(fā)生變形。 圖 42a 為縱截面上橫向應(yīng)變 εx的分布。在與模具接觸下，局部如圖 42a 中 P1點(diǎn) 處，由于模具的作用金屬在 X 方向產(chǎn)生延伸，出現(xiàn)拉伸應(yīng)變，其拉伸應(yīng)變值最大為 +。離 P1點(diǎn)越遠(yuǎn)，應(yīng)變 εx越小，并逐步下降為 。其他所有部位的橫向應(yīng)變 ε x均為零。 圖 42b 為縱截面上軸向應(yīng)變 εy 的分布。在與模具接觸下局部 P1點(diǎn) 處，由于模具的作用在 Y 方向產(chǎn)生 壓縮 ，出現(xiàn) 壓縮 應(yīng)變，其拉伸應(yīng)變的最大值達(dá)到 。它的變形使得靠近部位 P2點(diǎn)產(chǎn)生拉伸 變形，其壓 拉伸 變最大值達(dá)到 +。 圖 42c為縱截面上縱向應(yīng)變 εy 的分布。在與模具接觸下，局部如圖 42b 的 P1點(diǎn) 處，由于模 具的作用在 Z 方向產(chǎn)生壓縮，出現(xiàn)壓縮應(yīng)變，其最大壓縮應(yīng)變值為 。局部 P1點(diǎn) 處的壓縮變形帶動附近局部 P2 點(diǎn) 處產(chǎn)生拉伸變形，其最大值達(dá)到 +。其它 所有部位的縱向應(yīng)變 εy 的分布均為零 。 如圖 42 所示，在縱截面上，只有兩處局部區(qū)域發(fā)生較大的應(yīng)變。在 P1 處 是一向 拉伸 變形（ X 向），兩向 壓縮 變形（ Y 向與 Z 向）。在 P2處 產(chǎn)生一向壓 變形（ X 向），兩向拉伸變形（ Y 向與 Z 向）。 反映應(yīng)變強(qiáng)度的等效應(yīng)變 ε，如圖 42d 所示，在與模具接觸點(diǎn)的等效應(yīng)變值最大，達(dá)到 +，并以接觸點(diǎn)為心，離它越遠(yuǎn)，等效應(yīng)變越小， 并逐步下降為零。