【文章內(nèi)容簡介】 然后由所定義的圖元生成體。無論用戶采用哪種方式進(jìn)行建模，都需要進(jìn)行布爾操作來組合結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。 （ 3） 網(wǎng)格劃分 ANSYS 系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分功能十分強(qiáng)大，使用起來便捷。 延伸劃分是將一個二維網(wǎng)格延伸成一個三維網(wǎng)格單元。映像網(wǎng)格劃分是將一個幾何模型分解成幾部分，然后選擇合適的單元屬性和網(wǎng)格控制，分別加以劃分生成映像網(wǎng)格。 ANSYS程序 提供了 六面體 、 四面體和三角形的映像網(wǎng)格劃分。自由劃分是由 ANSYS 程序的網(wǎng)格自由劃分器來實現(xiàn)的，通過這種劃分可以避免不同組件在裝配過程中不匹配帶來的問題。自適應(yīng)網(wǎng)格劃分是在生成了具有邊界條件 的實體模型后，用戶指示程序自動產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，分析估計網(wǎng)格的離散誤差，然后重新定義網(wǎng)格大小 、 再次分析計算并估計網(wǎng)格的離散誤差，直至誤差低于用戶定義誤差的值或者達(dá)到用戶定義的求解次數(shù)。 2 分析求解模塊 (SOLUTION) 該程序模塊用以完成對已生成的有限元模型的力學(xué)分析和有限元求解 。在此階段，用戶可以定義分析 、 類型分析選項載 荷數(shù)據(jù)和載荷步選項。 （ 1） 定義分析類型和分析選項 用戶可以根據(jù)所施加載荷條件和所要計算的相應(yīng)來選擇分析類型。例如，要計算固有頻率和模態(tài)，就必須選擇模態(tài)分析。在 ANSYS 程序中，可以 進(jìn)行下列類型的分析：靜態(tài)（或穩(wěn)態(tài)） 、 瞬態(tài) 、 調(diào)諧 、 模態(tài) 、 譜 、 撓度和子結(jié)構(gòu)。分析選項允許用戶自定義分析類型。 （ 2） 載荷 一般的載荷 應(yīng)該包括邊界條件（約束 、 支承或邊界場的參數(shù)）和其他外部或內(nèi)部作用載荷。在 ANSYS 程序中，載荷分為六類： ① 自由度（ DOF） 約束 ； ②力； ③ 表面分布載荷； ④ 體積載荷； ⑤ 慣性載荷； ⑥ 耦合場載荷。 必須清楚與載荷相關(guān)的兩個術(shù)語：載荷步和子步。 載荷步僅僅只可求得解的載荷配置。例如，在結(jié)構(gòu)分析中，可以將風(fēng)荷載施加于第一個載荷步，第二個載荷步施加重力等。載荷步也用于對一個瞬態(tài)載荷歷程曲線分段。 子步 是指一個載荷步中增加的步長。主要是為了瞬態(tài)分析或非線性分析中提高分析精度和收斂。子步也稱為時間步， 代表一段時間。 （ 3） 指定荷載步 荷載步選項是用于更改荷載步，如子步 數(shù)、荷載步的結(jié)束時間和輸出控制。根據(jù)所作分析的類型，荷載步選項可有可無。 ANSYS 提供的結(jié)構(gòu)分析類型有如下幾種： ◆ 結(jié)構(gòu)靜力分析 用來求解外荷載引起的位移、應(yīng)力和力。靜力分析很適合求解慣性和阻尼對結(jié)構(gòu)的影響并不顯著的問題。 ANSYS 程序中的靜力分析不僅可以進(jìn)行線性分析，而且可以進(jìn)行非線性分析，例如塑性、蠕變、膨脹、大變形、大應(yīng)變及接觸問題的分析。 ◆ 結(jié)構(gòu)動力分析 結(jié)構(gòu)動力分析是用來求解隨時間變化的荷載對結(jié)構(gòu)或者部件的影響。相對于靜態(tài)分析，動力 分析則要考慮隨時間變化的力荷載以及 阻尼和慣性的 影響，如旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)生的 交變力，爆炸產(chǎn)生的沖擊力 等。 ANSYS 可以進(jìn)行的結(jié)構(gòu)動力分析類型有：瞬態(tài)動力分析 、 模態(tài)分析譜響應(yīng)分析及隨機(jī)振動響應(yīng)分析。 ◆ 結(jié)構(gòu)屈曲分析 屈曲分析是用來確定結(jié)構(gòu) 失穩(wěn)的載荷大小以及在特定的載荷下結(jié)構(gòu)是否 失穩(wěn)的問題。 ANSYS 中的穩(wěn)定性分析主要分為線性分析和非線性分析兩種。 ◆ 結(jié)構(gòu)非線性分析 結(jié)構(gòu)的非線性問題分為材料非線性幾何非線性和單元非線性三種。在ANSYS 程序中，可以求解靜態(tài)和瞬態(tài)的非線性問題。 3．后處理模塊（ POST1 和 POST26） 完成計算以后，可以通過后處理器查看結(jié)果。 ANSYS 程序的后處理包含兩個 部分：通用后處理模塊（ POST1）和時間歷程后處理模塊（ POST26）。通過程序的菜單操作，可以很方便地獲得求解的計算結(jié)果。結(jié)構(gòu)文件的輸出形式有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表顯示兩種。 （ 1） 通用后處理模塊（ POST1） 通過后處理器可以用于查看整個模塊或選定的部分模塊的某一子步（時間步）的結(jié)果?？梢垣@得等值線顯示 、 變形形狀以及檢查和解釋分析的結(jié)果和列表。POST1 也提供了很多其他的功能， 包括誤差估計 、 載荷工況組合 、 結(jié)果數(shù)據(jù)的計算和路徑操作等。 （ 2） 時間歷程后處理模塊（ POST26） POST26 顆用于查看模型的特定點(diǎn)在所有時間 步內(nèi)的結(jié)果?？色@得結(jié)果數(shù)據(jù)對時間（或頻率）關(guān)系的圖形曲線以及列表。如繪制位移 — 時間列表，應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線等。另外， POST26 還具有其他功能：可以進(jìn)行曲線的代數(shù)運(yùn)算，變量之間可以進(jìn)行加減乘除運(yùn)算以產(chǎn)生新的曲線； 也可以取絕對值平方根對數(shù)指數(shù)以及求最大值和最小值等；也可以做曲線的微積分運(yùn)算；還能夠從時間歷程結(jié)果中生成譜響應(yīng)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了有限單元法的基本思想及其術(shù)語， CAE 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和ANSYS 軟件的功能 、 應(yīng)用等。 2 金屬成形工藝數(shù)值模擬 基本概念 材料 成形工藝數(shù)值模 擬 是這樣的一個過程，在這個過程中人們使用專用的計算機(jī)軟件讓計算機(jī)對整個成形過程的各中物理量的變化進(jìn)行數(shù)值計算，預(yù)測出成形過程中工程師們所關(guān)心的各種有用的技術(shù)信息，并將最終的計算結(jié)果以各種圖畫或動畫的形式直觀生動地顯示在計算機(jī)的屏幕上。從屏幕上人們可以看到工件的詳細(xì)變形過程，以及各種物理量隨空間和時間的變化。 如果 工藝 、 模具或坯 料設(shè)計不當(dāng)，還可以看到由此所產(chǎn)生的各種成形缺陷，如開裂 、 折疊 、 過燒與回彈等等。 做一次工藝數(shù)值模擬，就相當(dāng)于在計算機(jī)上做了一次虛擬的工藝試驗。與實際工藝試驗相比，它的優(yōu)勢是成本低周期短，所 得到的技術(shù)信息更多更全，而且全是定量化的數(shù)據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)模擬出的工件具有某些缺陷，可以根據(jù)自己的經(jīng)驗找出產(chǎn)生缺陷的原因，然后對工藝 、 模具或 配料進(jìn)行修改。將修改后的數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次工藝模擬， 如此反復(fù)直至工藝成功。目前金屬成形工藝數(shù)值模擬 技術(shù)已經(jīng)基本成熟，并在工業(yè)中發(fā)揮了巨大的作用。在世界很多著名的公司中， 金屬成形工藝數(shù)值模擬 已經(jīng)成為生產(chǎn)中一個不可缺少的工序。 基本原理 金屬成形過程是工件的一個彈（粘）塑性 變形過程，有時在這個過程中還伴有明顯的溫度和微觀組織變化。從物理的角度看，無論這個過程多麼復(fù)雜，這個過 程總可以通過一組微分方程以及相應(yīng)的邊界條件和初始條件表示出來。這組微分方程以及邊界條件和初始條件可以根據(jù)固體力學(xué) 、 熱力學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)理論建立起來。通常，這組微分方程 的基本未知量是工件各 點(diǎn)的位移 、 溫度和一些用于描述微觀組織的物理量。例如，對于普通的沖壓過程， 由于溫度的影響和微觀組織的變化可以忽略，因此基本的未知量只是工件各點(diǎn)的位移。如果我們可以得到這組微分方程的解，那麼，可以根據(jù)相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)理論和基本規(guī)律，又所得到的基本未知量計算出其他物理量（例如應(yīng)力 、 應(yīng)變 、 載荷等）隨空間和時間的變化。由于金屬成形過程 的復(fù)雜性，這組微分方程具有極強(qiáng)的物理的和幾何的非線性，因此得到這組微分方程的理論解釋非常困難的。 直到七十年代， 隨著計算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計算方法特別是有限元方法的迅速發(fā)展才使得有可能通過數(shù)值計算的方法來求解這組微分方程，從而逐步建立了 金屬成形工藝數(shù)值模擬 技術(shù)。用計算機(jī)語言編寫的求解這組微分方程并由基本未知量計算其他物理量全部計算過程的文件就是我們常說的 金屬成形工藝數(shù)值模擬 軟件。 作用 金屬成形工藝數(shù)值模擬 可以預(yù)測出工件變形的詳細(xì)過程 ， 并定量地給出工程師們所關(guān)心的與變形有關(guān)的各種物理量在工件或磨具上的空間分 布以及隨時間的變化。通常這些物理量包括：工件與模具的幾何外形位移 、 速度 、 彈塑形應(yīng)變 、應(yīng)變率 、應(yīng)力、載荷等。 對于熱鍛，還包括溫度以及微觀組織（例如：再結(jié)晶體積分?jǐn)?shù)和晶粒度）。如果工件為疏松材料，還包括材料密度。根據(jù)上述各物理量的計算結(jié)果我們可以判斷出工件是否存在成形缺陷。 例如，對于沖壓工藝，可以從工件外形判斷是否起皺，對比成形極限圖還可以看到那些位置可能開裂?；貜椨嬎憬Y(jié)果直接給出工件各處的相對回彈量。 對于鍛造工藝，可以從工外形判斷是否有折疊，工件是否已經(jīng)充滿模具型腔。從溫度分布可以判斷工件溫升是否太高，甚至出 現(xiàn)過燒。對比破裂準(zhǔn)則可以看到工件那些位置可能開裂。如果發(fā)現(xiàn)成形后的工件出現(xiàn)某些缺陷，可能是模具 /坯料或者工藝的某些參數(shù)有問題，您可以根據(jù)您的經(jīng)驗對工藝參數(shù)以及模具和坯料進(jìn)行修改，然后再進(jìn)行工藝模擬，看那些缺陷是否已經(jīng)去掉。如此反復(fù)修改工藝反復(fù)模擬直到工件沒有缺陷為止。實際上您在計算機(jī)上進(jìn)行了一次工藝優(yōu)化。這就是說，通過 金屬成形工藝數(shù)值模擬 ，您可以進(jìn)行工藝設(shè)計并最終得到一個經(jīng)過優(yōu)化的成形工藝。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 金屬成形工藝數(shù)值模擬 的基本概念 、 原理和作用。 3 彎曲工藝機(jī)理 分析 板料彎曲變形 分析 板料彎曲變形 的特點(diǎn) 為了簡化問題，我們對彎曲變形的理論分析只討論在純彎矩作用下的彎曲。并采用圓柱坐標(biāo)系，板厚方向為徑向，即 ρ 方向；板條縱向為切向，即 θ 方向；板條的寬度的方向為軸向，即 B 方向。 在彎矩作用下，板條將發(fā)生曲率半徑和角度的變化，如圖 31所示，觀察彎曲前后網(wǎng)格和斷面的變化，可看出彎曲變形的一般特點(diǎn)。 （一） 變形區(qū)的變形特點(diǎn) 圖 31 彎曲前后網(wǎng)格的變化 根據(jù)上面的網(wǎng)格變化圖，可以認(rèn)為彎曲變形僅限于彎曲中心角 α 內(nèi)的扇形區(qū)，而直邊的變形可以忽略。在變形區(qū)， 板條上的直線段 aa 與 bb 被彎曲成圓弧段 與 。由于 bb ， aa ，所以，在板料遠(yuǎn)離彎曲中心的外區(qū)，在切向因受拉而伸長了，而在靠近彎曲中心的內(nèi)區(qū)，在切向因受壓縮而縮短了。并且，切向變形沿板厚的分布是不均勻的，外表層與內(nèi)表層的變形很大，由于表層至變形中性層，伸長與縮短都是逐漸減小的。變形中性層就是 受拉與受壓的分界層， 在板料彎曲過程 中既不伸長也不縮短， 其切向應(yīng)變?yōu)?ε θ=0。變形中性層并不與板厚的幾何中心層相重合，而向曲率中心方向移動，并隨著相對半徑 r/t 的減小，移動的距離將增大。 （二）截面的畸變 彎曲變形后，截面不保持原來的矩形，而發(fā)生畸變現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在 B3t的窄板彎曲時更加明顯，如圖 32a 所示， B 為板料的寬度， t 為板厚。截面的畸變可作如下解析：在外區(qū)，切向的伸長變形由板寬方向的壓縮來補(bǔ)充，板的寬度減?。辉趦?nèi)區(qū)，切向受壓縮將材料擠向板寬方向，板的寬度增大，結(jié)果使截面產(chǎn)生畸變。 圖 32 板料彎曲后的斷面變化 a) 窄板 B3t b)寬板 B3t 對于 B3t 的寬板彎曲，在板寬方向上由于材料的相互牽制作用而使得變形不容易發(fā)生，彎曲后界面基本上保持矩形，可以認(rèn)為截面不發(fā)生畸變，如圖 32b。但是，正由于板寬方向上的材料的相互牽制作用，使得板料上的變形區(qū)域在板料中間與板料中間的應(yīng)力分布是不均勻的，即板料仍然有發(fā)生畸變的傾向。 （三）變形區(qū)板料厚度變薄 在彎曲過程中，以變形中性層為界，外區(qū)切向受拉而使板厚變薄，內(nèi)區(qū)切向受壓而使板厚增厚。由于變形中性層的內(nèi)移，切向受拉的面積將大于受壓的面積 ，因此外區(qū)板厚的減薄量要大于內(nèi)區(qū)板厚的增厚量。結(jié)果使得彎曲后的變形區(qū)板料變薄。這種現(xiàn)象在相對彎曲半徑較小的情況下更為明顯。 （四）彎曲后板料長度增加 由于彎曲時板料變薄現(xiàn)象，根據(jù)體積不變的原則，板料會變長，對于相對彎曲半徑越小的厚彎曲件，其增長量越明顯，薄板變形不明顯。 彎曲變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài) 由于彎曲變形的特點(diǎn)可以很容易地確定變形區(qū)的應(yīng)變狀態(tài)。再按應(yīng)力與應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系，便可以確定相應(yīng)的應(yīng)力狀態(tài)，參看圖 33。 B3t B3t 內(nèi)區(qū) 外區(qū) 圖 33 彎曲時 的 力應(yīng)變狀態(tài) 無論是窄板彎曲還是寬板彎曲，變形區(qū)的應(yīng)力與應(yīng)變狀態(tài)沿著切向和徑向具有相同的特點(diǎn)，而 沿板寬方向兩者的應(yīng)力與應(yīng)變有較大的不同。詳述如下： 在切向：外區(qū)受拉，應(yīng)力與應(yīng)變均為正值，即 σ θ0、 ε θ0；而內(nèi)區(qū)受壓，則σ θ0、 ε θ0。可見，切向應(yīng)力沿板厚的分布是不連續(xù)的，由外區(qū)的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為內(nèi)區(qū)的壓應(yīng)力，其 間 存在一個“拉”與“壓”的應(yīng)力分界層，稱為應(yīng)力中性層。它也有內(nèi)移的特性，且在彎曲瞬時，其內(nèi)移量總是超過變形中性層的內(nèi)移量，兩者并不重合。 在徑向，即板厚方向：外區(qū)與內(nèi)區(qū)的應(yīng)變與相應(yīng)切向應(yīng)變的方向相反，即在外區(qū)： ε ρ 0；在外區(qū)： ε ρ 0。按體積不變的原則，從寬板彎曲中很容易證明這一點(diǎn)。而外區(qū)與 內(nèi)區(qū)的徑向應(yīng)力均為壓 應(yīng) 力， σ ρ 0。這可作如下解釋，由于切向變形沿板厚方向分布不均勻，就絕對 值而 言，由內(nèi)、外表層的最大值向變形中性層遞減為零。這就造成了材料層由內(nèi)、外表層向變形中性層的相互擠壓作用，使外區(qū)與內(nèi)區(qū)的徑向均產(chǎn)生壓應(yīng)力，并在變形中性層達(dá)到最大值，而表層為零。 在板寬方向：窄板與寬板的變形完全不同，其應(yīng)力也完全不同，可分別進(jìn)行討論。對于窄板，在板寬方向可以自由變形。因此，無論外區(qū)還是內(nèi)區(qū)，板寬方向的應(yīng)力可視為零， σ B=0。而應(yīng)變則與相應(yīng)的切向應(yīng)變方向相反，外區(qū)為壓應(yīng)變， ε B0；內(nèi)區(qū)為拉應(yīng)變， ε θ0。對于寬板，在板寬方向基本不變形。因此，無論外區(qū)還是內(nèi)區(qū)，板寬方向的應(yīng)變可視為零， ε B=0。對于窄板彎曲產(chǎn)生的截面畸變，可以看出寬板彎曲時外區(qū)材料收縮受阻礙而產(chǎn)生拉應(yīng)力， σ B0，而內(nèi)區(qū)材料伸長受阻礙而產(chǎn)