《材料成型计算机模拟分析》.ppt

CAD/CAE在材料加工应用广泛 绪论 长期以来，成形工艺和模具的设计以及工艺过程分析主要是依据积累的实际经验、行业标准和传统理论进行。但由于实际经验的非确定性、行业标准的时效性、而传统理论对变形条件和变形过程进行了简化； 因此，对复杂的成形工艺和模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长、次数多，甚至导致模具的报废。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大。 现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。20 多年来，随着计算机技术和数值仿真技 术的发展，出现了计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering)这一新兴的技术，该技术在成形加工和模具行业中的应用，即模具CAE。模具CAE 是广义模具CAD/CAM 中的一个主要内容，现已在实际中体现出了越来越重要的作用，也得到越来越广泛的应用。 CAE 所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、以计算机软件的形式，为工程领域提供一种有效 的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、工模具、以及制造成本等进行反复的评估、修改和优 化，直到获得最佳的结果。但由于所开发CAE 软件的种类、功能都较有限，系列化与集成化都难以实现； 因此，CAE 应用还远未达到所定义范围。目前，模具CAE 的主要内容还仅仅是利用CAD 生成的模型进行 成形工艺过程的数值模拟，以获得成形工件内不同时刻任意位置的应力应变等多种场量的分布情况以及潜 在的问题等其它相关信息；并通过分析研究这些信息，以达到以下几个方面的主要目的： 1、 对工件的可加工性能作出早期的判断，预先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩短模具开发时间； 2、 对模具进行强度刚度校核，择优选取模具材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提高模具的可靠性，降低模具成本； 3、 通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产效率和产品的质量； 4、 查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。 成形过程数值模拟是模具CAE 中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法，而当涉及到时间时，则运用有限差分法。以下简要介绍有关数值模拟的基本内容和方法。 有限元法的基本概念 对于连续体的受力问题，既然作为一个整体获得精确求解十分困难；于是，作为近似求解，可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连续体，如图7-1 弯曲凹模的受力分析所示；只要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其它各场量的分布；这就是有限元法的基本思想。 从物理的角度理解，即将一个连续的凹模截面分割成图7-1 所示的有限数量的小三角形单元，而单元之间只在节点处以铰链相连接，由单元组合成的结构近似代替原来的连续结构。如果能合理地求得各单元的力学特性，也就可以求出组合结构的力学特性。于是，该结构在一定的约束条件下，在给定的载荷作用，各节点的位移即可以求得，进而求出单元内的其它物理场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。 从数学角度理解，是将图7-1 所示的求解区域剖分成许多三角形子区域，子域内的位移可以由相应各节点的待定位移合理插值来表示。根据原问题的控制方程（如最小势能原理）和约束条件，可以求解出各节点的待定位移，进而求得其它场量。推广到其它连续域问题，节点未知量也可以是压力、温度、速度等 物理量。这就是有限元方法的数学解释。 从有限元法的解释可得，有限元法的实质就是将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的结构型问题；且在一定的条件下，问题简化后求得的近似解能够趋近于真实解。 由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；因此，有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也 便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随 着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储 量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析，都很适合于计算机的程序设计，可由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展，有限元分析才得以迅速的发展。 有限元法分析的基本过程 根据有限元法的基本概念，其分析过程概括起来有如下内容，现以连续结构的应力应变分析为例，逐 步加以说明。 有限元分析的第一步是结构的离