先进成形与智能技术 课件 9.2 成形过程计算机模拟.pptx

;;9.2.1.塑性成形计算机模拟软件;（1）塑性成形过程中，工件发生很大的塑性变形，在位移与应变的关系中存在几何非线性；在材料的本构关系中存在材料（即物理）非线性；工件与模具的接触与摩擦引起状态非线性。因此，金属塑性成形问题难以用常规计算求得精确解。

（2）工件通常不是在已知的载荷下变形，而是在模具的作用下变形，而模具的型面通常是很复杂的，处理工件与复杂的模型面的接触问题增大了模拟计算的难度。

（3）塑性成形中往往伴随着温度变化，在热成形和温成形中更是如此，为了提高模拟精度，需要考虑变形分析与热分析的耦合作用。同时，塑性成形还会导致材料微观组织性能的变化，如变形织构、损伤、晶粒度等的演化，考虑这些因素也会增加模拟计算的复杂程度。;成形问题计算机模拟实施步骤如图9.11所示，可以看出，一般的塑性成形计算机模拟软件的模块结构是由前处理器、模拟处理器（FEM求解器）和后处理三大模块组成，其中，前处理生成计算文件，求解器进行工艺计算，后处理获得计算结果。;与一般的计算机模拟分析类似，塑性成形计算机模拟主要包括以下几个过程：建立几何模型、建立计算模型、求解和后处理四个过程。;2.建立计算模型;图9.14（a）为线弹性材料模型，这种材料加卸载后变形可以完全恢复，弹性模量用于衡量材料的变形能力。工程实际中并不存在。

图9.14（b）为理想刚塑性模型，这种材料的特点是完全忽略弹性变形，不考虑加工硬化和变形抗力对变形速度的敏感性。

事实上，很多材料属于弹塑性材料，变形初期发生弹性变形，当应力达到屈服极限时，发生塑性变形。如图9.14（c）为理想弹塑性模型，这种模型忽略材料的强化作用，认为在应力达到屈服点以前完全服从胡克定律，屈服以后应力值不再增加，应变值可无限增加。;图9.15为线性强化模型，其中，图9.15（a）为线性强化刚塑性模型，在研究塑性变形时，不考虑塑性变形之前的弹性变形，但需要考虑变形过程中的加工硬化，在塑性阶段屈服应力与变形成线性增加；图9.15（b）为线性强化弹塑性模型，考虑材料的弹性变形。;（3）网格划分

所有的有限元数??计算分析都是离散的网格通过节点进行力和能量的传递，因此，网格的划分是基础。网格划分最基本的条件是材料和模具划分网格以后，应该可以充分体现原来的特征。

网格变量是在网格中心计算的，在陡峭的梯度区域，峰值随粗元素而丢失。图9.17为粗大网格与细密网格的误差对比。;（4）运动参数

变形速度、工具运动方式等对金属的塑性和变形抗力有重要影响。工具的运动方式主要有直线运动和旋转运动两种。

1）速度。塑性成形模拟中，速度可以定义为常数，也可以是时间或位移的函数，又或是与另一个物体的速度成比例的函数。当物体是刚体时，整个物体将会以指定的速度运动；当物体是变形体（弹性的、塑性的或是多孔）时，可以对每个节点进行速度运动边界条件设置。

2）载荷。成形运动参数可以根据已知载荷设置，载荷可以是常数，也可以是时间或者位移的函数。当物体为刚性时，载荷是指所有与之接触的非刚性物体所施加的合力；当物体是弹性、塑性或多孔时，载荷是指定义了运动边界条件的所有节点载荷之和。

（5）边界条件

塑性成形有限元仿真，边界条件包括与环境的传热、速度边界条件、对称边界条件等。模拟时，可以利用这些边界条件简化模型，也可以利用旋转对称或者平面情况将模型简化为二维问题。

在三维模拟中，可以利用其结构对称简化模型，模拟分析时，应尽可能利用对称关系，这既可以节省计算时间，也有助于增加分析结果的准确性。在设置对称边界条件后，也同时排除了失稳现象的产生。;（6）定义接触关系

定义接触关系包括物体的主-从关系（alave-master），一般情况下，软的物体设为从（slave），分析时需要更为细密的网格；硬的物体设为主（master），分析时可以不划分网格或者进行网格粗画。;2）库伦摩擦模型。库伦摩擦模型为：;3.求解

在体积成形模拟中，如果主要关心成形过程中工件的变形情况，可采用刚塑性有限元法，以减少计算量；如果需要考虑工件卸载后的残余应力分布，可采用弹塑性有限元法，求解过程一般不需要用户干预。

有限元软件是通过使用矩阵代数技术求解大量的同步方程来实现求解。;在多数有限元分析软件中，有较多可以使用的材料模型，用户可以自行建立其本构关系与应力-应变曲线，在软件中可以选择的形式包括：

1表格形式。材料的本构关系可以用表格的形式输入。

2幂律定律（powerlaw）。幂律定律是一种与应变速率有关的各向同性材料模型。

3合金流动应力模型。以下是两种常用于铝合金的材料模型。

4线性强化模型。

;（2）工艺条件准确设定

摩擦类型和摩擦系数需要符合实际情况。图9.25给出了1035钢在正挤压工艺条件下不同摩擦系数对应的成形载荷值