1、 Ansys 铜管挤压过程模拟目录一、问题描述二、材料分析三、解题思路四、模拟过程1 建立有限元模型 2 定义单元类型3 定义实常数4 定义材料性能参数 5 划分网格 6 定义接触对 7 施加约束与载荷 8 求解运算 9 查看结果 五、模拟结果分析六、心得体会七、参考文献一、问题描述采用 ANSYS 对圆柱形铜管进行挤压分析。如图(1)所示，为圆柱形铜管尺寸；图(2)为凸模尺寸；图(3)为凹模尺寸。规定工件材料选用紫铜，模具材料选用 Cr12。下压量 H=30mm，摩擦系数=0.15。题目分析：铜管在挤压过程中会发生塑性变形，因此其模拟属于大变形问题。接触类型属于非线性接触。由于模具与工件均为
2、对称件，因此在模拟过程中建立 1/4 三维模型，不仅可以观察工件外部变形情况，同时易于观察内部变形情况。由于 ANSYS 中不存在单位，为了数据统一，因此所有参数采用国际统一单位(以下三幅图单位为mm)。 图 1 工件图图(2) 凸模图(3) 凹模二、材料分析通过材料手册查阅纯铜，相关信息如下：紫铜：密度：=8.910 3 /m 3；弹性模量：E=10810 9 Pa；泊松比：=0.35；屈服极限 =8010 6 Pa；模具材料 Cr12：密度：7.810 3 /m 3 ；弹性模量：E=20610 9 Pa；泊松比 =0.3；3、解题思路1.建立有限元模型在 ANSYS 软件中建立模型。2.选
3、择单元类型（3 种单元类型）Brick 20node 95；Contact3D target 170（刚性面） ；Contact8 nd surf 174（柔性面） ；3.设置实常数4.定义材料参数5.划分网格6.定义接触对选用 meshtool 中的 element attribute 将 2 种接触单元分别附给模具、工件；需要创建两组接触对，分别为凸模与工件上表面接触；凹模与工件后表面接触。7.施加约束与载荷（位移）1）凹模下表面全部固定；2）模具与工件对称面全部施加对称约束；3）凸模下表面施加向下的位移约束；8.求解运算设置运算类型求解计算slove is done9.查看结果第一步：建
4、立模型（以凹模为例）在 ANSYS 中建模1）选择 Preprocessor/Modeling/Creat/Keypoints/In Active Cs命令，出现【Creat Keypoints in Active Coordinate System】对话框。在弹出的对话框中依次输入 1（0.0125,0,0） 、2（0.045,0,0） 、3（0.045,0.12,0） 、4（0.0205，0.12,0） 、5（0.0205,0.04,0） 、6（0.015,0.04,0） ，点击 OK 按钮，关闭该对话框，结果如图 1 所示。图 1 创建关键点2）选择 Preprocessor/Model
5、ing/Creat/Lines/Straight Line 命令，弹出【Creat Straight Line】对话框。依次拾取点 1 和 2、点 2 和3，点 3 和 4、点 4 和 5、点 1 和 6，单击 OK 按钮，关闭该对话框，结果如图 2 所示。图 2 连接关键点3）选择 Utility Menu/PlotCtrls/Numbering 命令，在弹出的【Plot Numbering Controls】 对话框中将 Lines numbers 和Keypoint numbers 改为 on，其余默认。选择 Plot/Lines 命令，使当前窗口显示。如图 3。图 3 显示线段标号4）
6、选择 Preprocessor/Modeling/Creat/Lines/At angle to line命令，弹出【Straight line at angle to line】对话框，选择 5号线，单击 OK；然后选择 5 号点，单击 OK；在 Angle in degrees中输入 15，结果如图 4 所示。图 4 创建角度线5）选择 Preprocessor/Modeling/Delete/Lines Only 命令，弹出【Delete Lines Only】对话框，选择 6 号线，单击 OK；选择Preprocessor/Modeling/Delete/Keypoints 命令，弹出
7、【Delete Keypoints】对话框，选择 6 号点，单击 OK，选择 Plot/Lines 命令，使当前窗口显示线。结果如图 5 所示。图 5 删除多余线6）选择 Preprocessor/Modeling/Creat/Lines/Line Fillet 命令，弹出【Line Fillet】对话框，选择 4 号线 7 号线，弹出【Line Fillet】对话框，选择 4 号线和 7 号线，单击 Apply 按钮，在Fillet radius 中输入 0.002，单击 OK 按钮；选择 5 号线和 7 号线，单击 OK 按钮，7）选择 Preprocessor/Modeling/Crea
8、t/Areas/Arbitrary/By Lines 命令，弹出【Creat Areas by Lines】对话框，选择屏幕中所有的线， （注意不要漏掉上一步线倒角生成的两条弧）单击 OK 按钮，完成凹模旋转面创建，结果如图 6 所示。图 6 创建凹模旋转面8）选择 Preprocessor/Modeling/Creat/Areas/Rectangle/By 2 Corners 命令，弹出【Rectangle By 2 Corners】对话框。在 WPX输入 0.018，WPY 输入 0.04，Width 输入 0.002，Height 输入0.06，单击 Apply 按钮；在 WPX 输入
9、0，WPY 输入 0.10，Width 输入0.0205，Height 输入 0.065，单击 Apply 按钮,在 WPX 输入 0，WPY输入 0.165，Width 输入 0.04，Height 输入 0.02，单击 OK 按钮；选择 Preprocessor/Modeling/Operrate/Booleans/Add/Volumes,弹出 Add Volumes 对话框，选择凸模单击 OK,完成凸模求和。结果如图 7 所示。图 7 生成工件、凸模旋转面9）选择 Preprocessor/Modeling/Creat/Keypoints/In Active Cs命令，弹出【Creat
10、Keypoints in Active Coordinate System】对话框。在弹出的对话框中依次输入 100（0,0,0） 、101（0,0.2,0） ，完 成 中心旋转点的建立。如图 8。图 8 中心旋转点的建立10）选择 Preprocessor/Modeling/Operrate/Extrude/Areas/About Axis 命令，弹出【Sweep Areas Axis】对话框。单击 Pick All 按钮，在弹出对话框中拾取点 100 和点 101，单击 OK 按钮，在 Arc length in degrees 中输入 90,单击 OK,完成模型建立。如图 9 所示。图
11、9 生成模型第二步：定义单元类型1）选择 Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete 命令，弹出【Element Types】对话框。2） 单击 Add 按钮，出现【Library of Element Types】对话框。在 Library of Element Types 的第一个列表中选择 Structural Soild，在第二个列表框中选择 Brick 20node 95，单击 Apply 按钮。3）重新在 Library of Element Types 第一个列表框中选择Contact,在第二个列表框中选择 3D target 170，单击
12、 Apply 按钮。4）重新在 Library of Element Types 第一个列表中选择 Contact,在第二个列表框中选择 8 nd surf 174，单击 Apply 按钮，单击 OK按钮，关闭对话框，如图 10 所示。图 10 定义单元类型第三步：定义实常数1）选择 Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete 命令,弹出【Real Constants】对话框，单击 Add 按钮，在 Tpye 3 TARGE170 下点 OK，在弹出对话框中点击 OK；单击 Add 按钮,选择 Type 2 CONTA174 点击 OK 按钮,在 R
13、eal Constant Set No.中输入2，单击 OK 按钮，然后关闭对话框。如图 11 所示。图 11 定义实常数第四步：定义材料性能参数1）选择 Preprocessor/Material Props/Material Models 命令，弹出【Define Material Model Behavior】对话框。2）双击 structural 选项中的 density 选项，出现对话框，在 DENS中输入密度为 7870，单击 OK 按钮关闭该对话框。3）双击 structural 选项中的 friction coefficient 选项，出现对话框，在 MU 中输入摩擦因数 0.
14、15，单击 OK 按钮关闭该对话框。4）在 EX 文本框中输入材料弹性模量 206e9，在 PRXY 文本框中输入材料泊松比 0.3，单击 OK 按钮关闭该对话框。5）单击 new model 弹出对话框 define material ID,选择默认 。选择 Material model number 2 对话框6）双击 Structural 选项中的 Density 选项，弹出【Density for Material Number 1】对话框，在 DENS 中输入密度 8900，单击 OK按钮,关闭该对话框7）双击 Structural 选项中的 Friction Coefficient
15、 选项，弹出【Friction Coefficient for Material Number 1】对话框，在 MU中输入摩擦因数 0.15，单击 OK 按钮,关闭该对话框。.8）在 Material Models Available 一栏中双击 Structural 选项中的 Linear 选项，接着双击 Elastic 选项，最后双击 Isotropic 选项，弹出【Linear Isotropic Properties for Material Number 1】对话框。在 EX 文本框中输入材料弹性模量 108 e9，在 PRXY 文本框中输入材料泊松比 0.35，单击 OK 按钮,关
16、闭该对话框。9）在 Material Models Available 一栏中双击 Structural 选项中的 Nonlinear 选项，接着双击 Inelastic 选项，再双击 Rate Independent 选项，然后双击 Isotropic Hardening Plasticity 选项，接着双击 Misese Plasticity 选项，最后双击 Bilinear 选项，弹出【Bilinear Isotropic Hardening for Material Number 1】对话框，在 Yield Stss 文本框中输入屈服极限 80e6，单击 OK 按钮，关闭对话框。10）
17、单击 Material 中的 Exit 退出，完成材料参数设置，如图 12 所示。图 12 设置材料参数第五步：划分网格1）选择 Preprocessor/Meshing/MeshTool 选项，弹出【MeshTool】对话框。点击 Element Attributes 命令下的 set，弹出 Meshing Attributes 对话框，将 TYPE 改为 1 SOLID95,MAT 改为 1，REAL 改为 1，单击 OK.选取 Smart Size，选择 4.点击 Mesh，弹出 Mesh Volumes 对话框，选择凸模，点击 OK 按钮完成凸模网格划分。2）按照上述方法对工件进行网格
18、划分。 （注意将 MAT 改为 2，REAL改为 2）3）按照上述方法对凹模进行网格划分。 （注意将 MAT 改为 1，REAL改为 1）如图 13 所示。图 13 网格划分第六步：定义接触对1）选择 Utility Menu/PlotCtrls/Numbering 命令，在弹出的【Plot Numbering Controls】对话框中将 Area numbers 改为 on。选择 Plot/Areas 命令，使当前窗口面。并且记录下来相应面的编号。如图 14 所示。凸模下表面18 工件上表面15 工件后表面14凹模内表面7，8，9，10，11图 14 显示模型面编号2）选择 Preproc
19、essor/Meshing/MeshTool 选项，弹出【MeshTool】对话框。将 Element Attributes 文本框改为 Areas，点击旁边Set，弹出【Areas Attributes】对话框，输入 18，点击 OK 按钮，弹出对话框。把 REAL 选项改为 1，把 MAT 改为 1，把 TYPE 选项改为2 TARGE170,点击 Apply 按钮；输入 15，点击 OK 按钮，弹出对话框。把 REAL 选项改为 2，把 MAT 改为 2，把 TYPE 选项改为 3 CONTA174,点击 Apply 按钮；输入 14，点击 OK 按钮，弹出对话框。把 REAL 选项改为
20、 2，把 MAT 改为 2，把 TYPE 选项改为 3 CONTA174,点击 Apply按钮；输入 7，8,9,10,11 点击 OK 按钮，弹出对话框。把 REAL 选项改为 1，把 MAT 改为 1，把 TYPE 选项改为 2 TARGE170,点击 OK 按钮，关闭对话框。3）选择 Preprocessor/Modeling/Create/Contact Pair 命令，弹出【Contact Manager】对话框。单击 Contact Wizard 命令，在弹出的对话框中单击 Pick Target 按钮，输入 18，点击 Apply 按钮；点击 Next，在弹出的对话框中单击 Pi
21、ck Contact 按钮，输入 15，点击 Apply 按钮；点击 Next，点击 Optional settings 选项，选择Friction，将 Stiffness matrix 选项改为 Unsymmetric，单击 OK按钮，然后点击 Creat，在弹出对话框中点击 Finish 按钮，完成一组接触对的创建。按照上述方法，完成工件后表面与凹模内表面之间接触对的创建。如图 15 所示。图 15 创建接触对第七步：施加约束与载荷（或者位移）1）选择 Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Areas 命令，弹出【Ap
22、ply U，ROT on Areas】命令，选择凹模下表面，单击 OK 按钮，弹出对话框中选择 ALL DOF，在 VALUE 文本框中输入 0，单击 OK。2）选择 Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/Symmetry B.C./On Areas 命令，弹出【Apply SYMM on Areas】对话框，选择模具与工件的对称面，单击 OK 按钮。完成对称约束建立。3）选择 Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/On Aeas 命令，弹出【Apply U，RO
23、T on Areas】命令，选择凸模下表面，单击 OK 按钮，弹出对话框中选择 UY，在 VALUE 文本框中输入-0.03，单击 OK。完成位移约束。如图 16 所示图 16 施加约束与载荷 第八步：求解1）选择 Solution/Analysis Type/New Analysis 命令，出现【New Analysis】对话框。在 Type of analysis 中选择 Static，单击 OK按钮，关闭该对话框。2）选择 Solution/Analysis Type/Soln Controls 命令，弹出【Solution Controls】对话框。将 Analysis Options
24、 改为 Large Displacement Static,将 Time at end of loadstep 改为2，Automatic time stepping 改为 on；在 Number of substeps 中输入 45，在 Max no. of substeps 中输入 360, 在 Min no. of substeps 中输入 45,单击 OK 按钮，关闭对话框，如图 17 所示。图 17 设置求解器3）选择 Solution/Slove/Current LS 命令，出现【Solve Current Load Step】对话框,同时出现【Status Command】窗口，
25、选择File/Close 命令，关闭该窗口。单击 Solve Current Load Step 对话框中的 OK 按钮，ANSYS 开始计算求解，如图 18 所示。图 18 ANSYS 求解过程4）求解结束时，出现 Solution is done 提示框，单击 close 按钮，关闭该提示框，显示迭代过程的时间跟踪图。第十步：查看计算结果1）选择 General Postproc/Read Results/Last Set 命令。2）选择 General Postproc/Plot Results/Deformed Shape 命令，弹出【Plot Deformed Shape】对话框，选
26、择 Def+undef edge 选项，查看变形前后的结果，如图 19 所示。图 19 单元变形结果3）选择 General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solution 命令，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，选择 Nodal Solution/DOF Solution/Y-Component of displacement，查看工件 Y 方向位移，如图 20 所示。图 20 Y 方向位移图4）选择 General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Sol
27、ution 命令，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，选择 Nodal Solution/Stress/von Mises stress，查看工件和模具节点所受等效应力。如图 21 所示。图 21 节点等效应力图5）选择 General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solution 命令，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，选择 Nodal Solution/Plastic Strain/von Mises plastic strain，查看工件和模具节点塑性变形部分所受等
28、效应力。如图 22所示。图 22 节点塑性变形等效应力图6）选择 General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Element Solution 命令，弹出【Contour Element Solution Data】对话框，选择 Element Solution/Stress/von Mises stress，查看工件和模具单元所受等效应力，如图 23 所示。图 23 单元等效应力图7）选择 General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Element Solution 命令，弹出【Contour Element
29、 Solution Data】对话框，选择 Element Solution/Plastic Strain/von Mises plastic strain，查看工件和模具单元塑性变形部分所受等效应力，如图 24所示。图 24 单元塑性变形等效应力图8）选择 General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Element Solution 命令，弹出【Contour Element Solution Data】对话框，选择 Element Solution/Elastic Strain/von Mises elastic strain，查看工件和模具单元弹性变形部分所受等效应力，如图 25所示。图 25 单元弹性变形等效应力图9）选择 Utility Menu/PlotCtrls/Animate/Deformed Shape 命令，查看单元变形动画，如图 26 所示。图 26 单元变形动画图10）选择 Utility Menu/PlotCtrls/Animate/Deformed Results 命
