有限元课程大作业.docx

金属坯料挤压过程有限元分析一、前言：金属挤压是将放在挤压模具内的金属锭坯从一端施加外力，强迫其从特定的模孔中流出，获得所需要的断面形状和尺寸的制品的技术。冷挤压时由于材料是在冷态下成形，而且变形量一般都很大，挤压过程中作用在模具上的单位压力很大,此时模具有开裂破坏的可能，对压力机也构成威胁，金属坯料在通过模具过程中，坯料与模具之间产生相当大的应力，这就要求模具需要有相当大的强度、硬度、以及耐磨性，因此冷挤压时要进行挤压力的计算。挤压力的计算是模具设计的重要依据，也是选择挤压设备的依据。模具角度、接触表面的摩擦系数、坯料变形量都会影响应力变化，在保证加工要求的前提下，应当通过适当方式降低坯料及模具之间的应力。通过有限元分析，得出应力分布图，分析变形区域、死区，对模具进行优化改进。二、有限元介绍：ANSYS概述ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元软件，可广泛地用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、生物医学、水利、日用家电等一般工业及科学研究。该软件提供了不断改进的功能清单，具体包括：结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体力学分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分及利用ANSYS参数设计语言扩展宏命令功能。ANSYS软件功能强大，主要特点有：实现多场及多场耦合分析；实现前后处理、求解及多场分析统一数据库的一体化；具有多物理场优化功能；强大的非线性分析功能;多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件设备；支持异种、异构平台的网络浮动，在异种、异构平台上用户界面统一、数据文件全部兼容；强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行；多种自动网格划分技术；良好的用户开发环境。ANSYS不仅支持用户直接创建模型，也支持与其他CAD软件进行图形传递，其支持的图形传递有：SAT、Parasolid、STEP。相应地，可以进行接口的常用CAD软件有：Unigraphics、Pro/Engineer、I-Deas、Catia、CADDS、SolidEdge、SolidWorks等。三、问题分析：如图所示，将金属坯料挤压过程简化设：坯料与模具之间的摩擦系数为0.1；坯料的弹性模量为69GPa；泊松比为0.26:；模具弹性模量为220GPa；泊松比为0.3问题分析：挤压过程是状态非线性接触问题，在分析过程中根据轴对称性，应选择挤压试样及模具纵截面的1/2建立模型。四、求解步骤：1、建模先创建两个矩形面A1、A2，再通过创建关键点生成线段，选择线段生成梯形面A3。注：A1、A2两面已生成8个点，新建点时number应从9开始2、选单元金属坯料为结构实体，所以A1应选择PLANE182单元，单元选项中Element behavior 选择Axisymmetric（轴对称）模具下半部分为接触单元，A2选择TARGET169单元模具中间也为接触单元，A3选择3 nd surf 172单元，单元选项中Auto CNOF/ICNOF adjustment K5 选择Gap/ Penetration(穿透)3、材料性质Material number1 选择Structral Linear Elastic Isotropic 输入坯料的弹性模量和泊松比，并继续选择Structral Nonlinear Inelastic RateIndependent Isotropic Harding Plasticity Multilinear 输入不同应变下应力值在Friction Coefficient 选项中定义摩擦系数为0.1新建一个New Model，并输入模具的弹性模量和泊松比，以及摩擦系数。4、画网格将L2、4分为50 个单元将L1、3 分为3 个单元将L5、6、7、8、9、10 分为10个单元对A1进行Free Mesh对A2\A3进行Free Mesh注：在Mesh Attributes / Default Attribs(默认值)选择2，进mesh时在输入栏输入2,3网格划分结果：5、边界条件L4、6、11（中心轴线）上的节点在X方向上无位移，DOF应该选择UX，VALUE输入0L5（模具底面）在Y方向无位移，是一个固定面，DOF应该选择UY，VALUE输入0L3（坯料上端面）在Y方向施加位移载荷后，坯料上端面乡下移动0.03m，及模拟挤压过程，DOF应该选择UX，VALUE输入-0.036、求解最大变形量为0.33974m7、后处理Postpre/Contour Plot / Nodal Solution将坯料与模具的等效应力X、Y、Z三相应力，以及周向应力、摩擦应力图显示，进行分析比较。（a）径向应力场等值线（Stress X-Compoment）（b）轴向应力场等值