1、2015-11-41材料成型数值模拟武汉理工大学材料学院材料成型与控制专业选修课主讲：钱东升 副教授材料大楼 407 , 内容提纲二、 DEFORM-2D成形数值模拟一、绪论三、 DEFORM-3D成形数值模拟四、 ABAQUS成形数值模拟一、绪论1、引言2、工程意义与应用3、常用软件介绍通过 力场 或 温度场 ，或两者 耦合 作用，或再辅助以 其他场 作用，改变材料的 形状与尺寸 ，并控制改善零件的 组织与性能国家自然科学基金委机械工程学科发展战略报告材料成型1、引言材料成型材料 产品传统材料新材料传统工艺新工艺传统产品新产品目标： 低耗、高效、高性能、轻量化、绿色材料学力学机械学信息学20
2、15-11-42铸造锻压液态 金属材料 等量 成形固态 金属材料 等量 成形焊接热处理固态 金属材料 增量 成形固态 金属材料 等量 成形国民经济和社会发展作用z95%， 75%， 65%)95%以上零部件制造过程中经历了 凝固 过程)75%钢材要进行 塑性加工)65%钢材要用 焊接 才得以成形z第一，第一，第一)我国是铸造、塑性加工、焊接和热处理 第一大国)2010年全国钢产量超过 6亿吨 ，居世界 第一)2010年汽车产量超过 1500万辆 ，居世界 第一)衡量国家 制造技术与工业发展水平 以及 重大、核心关键技术自主创新能力 的主要标志之一z支撑 国民经济发展与国防建设 的主要技术之一)
3、为 航空航天 、 汽车 、 重大装备 、 兵器 、 能源 、 造船 、 信z促进零部件 轻量化 制造、 节能减排 、发展 低碳经济z和建设 创新型国家 的关键因素为 、 、 、 、 、 、 信息 工业发展作出重要贡献未来20年 是我国 航空航天 与 汽车制造产业发展的战略机遇期，迫切需要材料成型技术的全面提升与支撑 ！精密成形技术未来制造业发展重点国家与国防中长期科技发展新能源 大飞机载人航天与探月工程关键基础零件生物医学电子产品微小武器装备航空母舰高档数控机床大型复杂构件国民经济与国防建设健康绿色发展2015-11-43z利用 材料塑性 ，在工具及模具外力作用下加工制件)75%钢材、65%汽
4、车零部件塑性成形（俗称锻压）z最为 量大面广 的材料成型技术)改变尺寸、形状)改善组织、性能塑性成形按温度冷成形温成形热成形按坯料板料成形体积成形整体加载局部加载z制造业 钢材 60%为板材，都要通过 板料成形 为零部件)汽车 车身覆盖件 、车体框架、底盘和排气管件)飞机 蒙皮 、 机翼 和不同种类小型曲面铝合金薄壁件)航空 发动机火焰筒 、密封环等高温合金和钛合金构件)火箭和导弹等钛合金和高强铝合金 异形管件汽车轻量化关键-轻质高强板材复杂件精密成形技术z体积成形 技术是先进 重大装备基础核心零部件 制造关键)轴承 轧制、 齿轮 摆辗成形可 节能20-30% ， 节材15-30%，降低成本2
5、0%优点塑性成改善组织、提高性能节约材料和切削加工工时生产效率高成形缺点不能直接成形形状复杂零件需重型机械设备和复杂工模具生产现场劳动条件差塑性成形工艺特点z加工工艺的多样性)锻造)冲压)轧制)挤压)拉拔z变形行为的复杂性)变形机理的复杂性)变形金属材料性能的可变性)接触界面与摩擦作用2015-11-44塑性成形分析方法z解析法)工程法（主应力法）)滑移线法)上限法(下限法）、上限单元法)有限单元法代价低、效率高、通用性好基于简化和假设精度差、适用简单变形问题z实验法可靠性好代价高 效率低)相似理论法)视塑性法、影响因素多、重复性差z数值法)有限元法)有限差分法)边界元法兼顾精度和效率代价低直
6、观显示变形过程求解复杂变形问题材料成型数值模拟-精密成形技术研究开发 不可缺少 的 关键主流 技术z作用)检验 模具设计 合理性)分析材料 流动规律)预测成形 缺陷)优化工艺 参数飞机、导弹、汽车产品设计与制造，零构件结构形状设计与成形过程优化 、 零件精度 、 性能和寿命预测z内容)宏观 模拟：预测 形状 、 尺寸 、 轮廓)微观 模拟：预测 组织 、 结构 、 性能z目的)确保工艺、设计和模具制造 一次成功)主要问题在 设计阶段 完全解决)提高零件 成形质量 ，节约 时间和成本、 、使塑性加工进入以 模型化、最优化、柔性化 为特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的 科学化水平什么是CAE？
7、计算机辅助工程 (Computer Aided Engineering)用 计算机辅助求解 复杂工程和产品 结构力学性能 的 分析计算 以及结构性能 优化设计 等问题的一种 数值分析技术以 工程和科学问题为背景 ，建立 计算模型 并进行计算机仿真分析z使许多过去受条件限制无法分析的 复杂问题 ，通过计算z机数值模拟得到 满意解答科学研究和技术开发的先进重要支撑z使大量繁杂工程分析问题 简单化 ，使复杂过程 层次化 ，z节省大量时间，避免低水平重复工作，使工程分析 更快、z更准确 ，在产品的 设计、分析、开发 方面发挥重要作用CAE分析师国外平均在 年薪 8万因行业而异CAE分析师的年薪工资 平
8、均在8 10万美元 ，网格划分师在10万美元以上。国内万2015-11-45CAE技术应用8月17日，北京奥运会游泳比赛项目在“水立方”落下帷幕，9天内，我们见证 了19项新的世界纪录和7项新的奥运会纪录的诞生，见证了泳坛巨星菲尔普斯身着“鲨鱼皮”泳衣勇夺8 金的奥运传奇CAE技术铸就“鲨鱼皮”z水的阻力是运动员提高游泳速度的最大障碍，它的流动方式是决定泳速的关键因素， 降低水的阻力 成为帮助游泳运动员提高成绩的最有效途径，它同时也是最具难度的一项工作。而应用CAE仿真技术的“鲨鱼皮” 泳衣比普通泳衣的 阻力低38%!z CAE技术帮助研究人员获取关于泳衣表面和形体阻力的理想方案。 运动员要求
9、理想的泳衣实现水中运动过程尽可能平滑和不受到干扰， 通过采用FLUENT数值分析，研究人员得到泳衣各部位的阻力特性，并在高阻力区域布置低磨擦材料，从而使运动员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。z 研究人员使用FLUENT软件分析的仿真数据， 精确定位运动员在水中身体的高磨擦区 ， 通过CAE技术寻找游泳运动员在水中身体最大阻力的位置 ，然后在该部位采用低磨擦材料进行设计。Felt赛车结构设计zFelt赛车公司借助CFdesign设计出的自行车称为“从未见过的 最具空气动力学特性的自行车 ”，并且赢得了一系列世界重大赛事。型号： B2-pro材料：碳纤维重量： 7.58Kg2015-11-4
10、6ANSYS在国家体育场设计中的应用z 国家体育场是2008年第29届奥运会的主体育场，承担奥运会开、闭幕式与田径比赛，总建筑面积约为25万m2。建筑的设计使用年限为100年，其 “鸟巢”结构 将成为北京市的重要标志性建筑。该建筑地面以上平面呈椭圆型，长轴为332.3m，短轴为296.4m。主体结构由 钢筋混凝土看台与带有可开合屋盖的大跨度钢屋盖 两部分构成 。 屋盖的主结构由 48榀桁架与。中间环梁构成，支承在周边24根组合柱之上。屋盖的顶面呈鞍形，最高点高度为68.5m，最低点高度为42.8m。主桁架围绕屋盖中部的环梁放射形布置，与屋面及立面的次结构一起形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，主场看
11、台部分采用钢筋混凝土框架剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。2、工程意义与应用数值模拟促进了工艺改进大型船用曲轴锻造数值模拟研究2015-11-47数值模拟促进了节能降耗大型轴类锻件倒棱滚圆过 程数值模拟研究初始坯料形状、不同型砧（平砧、 90V砧和120 V砧）倒棱后锻件形状、以及120 V砧滚圆后形状不同型砧下的锻件倒棱、滚圆后的断面形状精度2015-11-48数值模拟保障了产品质量多工步成形中的空洞型缺陷演化大型长方体钢锭平砧拔长后的空洞闭合情况（外观图和剖面图）基于空洞演化的体胞模型，通过数值模拟可以为锻件“控性”提供理论分析基础，也为新工艺的创成提供了依据大型合金钢模块P20大模
12、块预冷水淬自回火水淬自回火处理珠光体分布云图第 4 段第 3 段 外侧腹板隔板 22a隔板 38隔板 39隔板 41第 2 段上翼板内侧腹板下翼板板隔板 37第 1 段国家体育馆空间结构梁焊接变形隔 板 B1隔板编号示意图隔板焊缝 G4第 段结构整体示意图隔板焊缝 G1隔板焊缝 G2隔板焊缝 G3主焊缝 Z1主焊缝 Z2焊缝的空间分布及编号图主焊缝 Z4主焊缝 Z3注：隔板焊缝编号以一个隔板为例，其余隔板相同 。宁德项目2#反应堆压力容器接管段温700modifieddesignTemperature in weld vicinityDistance (mm)焊接残余应力与焊缝布置2015-1
13、1-49核电装备堆内构件应力槽计算真空高压气淬炉流场温度场模拟真空炉实体真空炉模型炉内流场工件内部温度场轮毂轴承套圈轧制毛坯优化3、数值模拟软件介绍常用有限元模拟软件z国外)DEFORM)ABAQUS)ANSYS)FORGE)DYNAFORM)MSC.MARC)SHEETFORM（北航）)CASFORM（山东大学）)MAFAP（北京机电研究所）z国内2015-11-410由位于美国Ohio Clumbus的 SFTC（Science Forming Technology Corporation)开发的。该系列软件主要应用于金属塑性加工、热处理等工艺数值模拟。它的前身是美国空军Battelle
14、实验室1979年开发的 ALPID程序。在1991年成立的SFTC公司将其商业化。目前，DEFOEM软件已成为国际上流行的金属加工数值模拟软件之一。主要产品有：zDEFORM-Design Environment for FormingDEFORM-2DDEFORM-3DDEFORM-PCDEFORM-HTDEFORM-TOOLS是一个模块化、集成化的有限元模拟系统，它包括 前处理器 、 后处理器 、 有限元模拟器 和 用户处理器 4个功能模块。有一个较完整的CAE集成环境，使用户能有效地进行前、后置处理，可用于分析各种塑性 体积成形 过程中的金属流动以及应变、应力、温度等物理场的分布，提供材
15、料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成、韧性破裂和金属微结构等信息 ， 并提供模具仿真及其他相关的工艺zDEFORM-基于工艺过程模拟的有限元系统 设计工具和产品工艺流程，降低昂贵的现场试验成本 提高工模具设计效率，减少生产费用和材料消耗 缩短新产品的研究开发周期，分析数据。通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员：（1）成形分析冷、温、热锻的成形过程和热传导耦合分析丰富的材料数据库，包括各种钢材、铝合金、钛合金等刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大变形成形分析，弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形完整的成形设备模
16、型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形zDEFORM的主要功能用户自定义子函数允许用户定义自己的材料模型、压力模型破裂准则和其他函数网格划线和质点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布温度、应变、应力、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了自我接触条件及完美的网格再划分使得在成形过程中即便形成了缺陷，模拟也可以进行到底基于损伤因子的裂纹萌生及扩展模型可以分析剪切、冲裁和机加工过程（2）热处理模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布可以分析各种材
17、料晶相，每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性DEFORM用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用。拥有相应的模块以后，这些耦合效应将包括 ： 由于塑性变形功引起的升温 加热软化 相变控制： 由于塑性变形功引起的升温 、 加热软化 、 相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等2015-11-411zDYNAFORMeta/DYNAFORM是由美国 ETA公司开发的用于 板料成形模拟的专用软 件包，可以帮助模具设计人员显著减少模具开发设计时间 和试模周期，不但具有良好的易用性，而且包括大量的智 能化自动工具，可方便地求解各
18、类板成形问题。DYNAFORM可以预测成形过程中板料的 破裂 、 起皱 、 减薄 、划痕 、 回弹 ，评估板料的成形性能，从而为板料成形工艺及模具设计提供帮助。D YNAFORM专门用于板料成形工艺及模具设计中涉及的问题 ， 包括板料成形分析所需的与 CAD软， 软件的接口 、前处理、后处理、分析求解等所有功能。1. 主要特色(1)集成操作环境。无需数据转换的完备前、后处理功能，实现无文本编辑操作，所有操作在同一界面下进行。(2)求解器。采用业界著名、功能最强的LS-DYNA，其为动态非线性显示分析技术的创始和领导者，能解决最复杂的金属成形问题。(3)工艺化的分析过程。囊括影响冲压工艺的60余
19、个因素，以DFE为代表的多种工艺分析模块 ， 友好的工艺界面 ， 易学易， ，用。(4)固化了丰富的实际工程经验。2.功能模块(1)基本模块 eta/DYNAFORM提供了良好的与CAD软件(如UG和CATIA等)的接口(如IGES、VDA和DXF等)，以及与NASTRAN、IDEAS、MoldFlow等CAE软件的专用接口，且具有方便的几何模型修补功能(a) IGES模型导入 (b) 自动消除各种孔图1 几何模型修补 eta/DYNAFORM的模具网格自动划分与自动修补功能强大，用最少的单元最大程度地逼近模具型面，比通常用于模具网格划分的时间减少了99% 初始板料网格自动生成器，可以根据模具
20、最小圆角尺寸自动确定最佳的板料网格尺寸，并尽量采用四边形单元，以确保计算的准确性图2 网格自动划分 图3 初始板料网格自动生成2015-11-412 与冲压工艺相对应的、方便易用的、流水线式的模拟参数定义。包括模具自动定位、自动接触描述、压边力预测、模具加载描述、边界条件定义等等 用等效拉延筋代替实际的拉延筋，大大节省计算时间，并可以很方便地在有限元模型上修改拉延筋的尺寸及布置方式图4 修改拉延筋的尺寸与布置 网格自适应细分，可以在不显著增加计算时间的前提下提高计算精度图5 网格自适应细分 显、隐式无缝转换。eta/DYNAFORM允许用户在求解不同的物理行为时在显、隐式求解器之间进行无缝转换
21、，如在拉延过程中应用显式求解，而在后续回弹分析中则切换到隐式求解 三维动态等值线和云图显示应力应变、工件厚度变化、成形过程等，在成形极限图上动态显示各单元的成形情况，如起皱、拉裂等(2)板料尺寸计算(BSE)模块采用一步法求解器，可以方便地将产品展开，从而得到合理的落料尺寸图6 落料尺寸计算2015-11-413(3)模面设计(DFE)模块可以从零 件的几何形状进行模具设计，包括压料面与工艺补充设计。DFE模块中包含了一系列基于曲面的自动工具，如冲裁填补功能、冲压方向调整功能以及压料面与工艺补充生成功能等，帮助模具设计工程师进行模具设计3.模拟步骤(1) 曲面模型建立(2) 单元网格划分(3)
22、 分析模型建立(4) 模拟计算(5) 结果后处理1. Moldflow软件的功能与作用1) 优化塑料制品设计2) 优化塑料模具设计3) 优化注塑工艺参数zMoldflow2. Moldflow软件在生产过程中的应用1) 制品设计制品设计 者能用流动分析解决：能否全部注满，实际最小壁厚，浇口位置2) 模具设计和制造辅助设计 者和制造者得到良好的模具设计、良好的充填形式 、 最佳浇口位置与浇口数量 、 优化的流道系统设、 、计、优化的冷却系统设计，从而减小返修成本3) 注塑成型流动分析 对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，便可确定各个加工参数的正确值，并
23、确定其变动范围。可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案3. Moldflow软件在注塑成型中的应用效果(1)减小塑件应力和翘曲(2)省料和减少过量充模(3)最小的流道尺寸和用料成本(4)预测制品最终可能出现的缺陷，找到缺陷产生的原因2015-11-414zANSYS 由世界上最大的有限元分析软件公司之一的 美国ANSYS公司 （ 1970年成立） 开发 能与 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I DEAS, AutoCAD等多数 CAD软件接口 ， 实现数据的共享和交换 ， ，是现代产品设计中的 高级 CAE工具 之一。 融 结构 、 流体 、 电场 、
24、磁场 、 声场 分析于一体的 大型通用有限元分析软件ANSYS公司 2006年收购了在流体仿真领域处于领导地位的美国 Fluent公司， 2008年收购了在电路和电磁仿真领域处于领导地位的美国 Ansoft公司。通过整合， ANSYS公司已成为全球 最大的 虚拟仿真软件公司目前， ANSYS整个产品线包括 :ANSYS Mechanical系列ANSYS CFD(FLUENT/CFX)系列ANSYS ANSOFT系列ANSYS Workbench和 EKM等1.结构静力分析2.结构动力学分析3.结构非线性分析4.动力学分析5.热分析ANSYS软件提供的 分析类型6.电磁场分析7.流体动力学分析
25、8.声场分析9.压电分析1.结构静力分析用来 求解外载荷引起的位移、应力和力 。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行 线性 分析，而且也可以进行 非线性 分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析2.结构动力学分析用来 求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响 。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括： 瞬态动力学 分析、 模态 分析、 谐波响应 分析及 随机振动响应 分析2015-11-4153.结构非线性分析结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比
26、例变化。 ANSYS程序可求解 静态 和 瞬态 非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种4.动力学分析ANSYS程序可以分析 大型三维柔体运动 。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形zABAQUS 由位于 美国罗德岛州的 HKS公司 （ Hibbitt, Karlsson和 Sorensen三人 1978年创立，后改名为 ABAQUS公司 )开发 2005年被世界知名的在产品生命周期管理软件方面拥有先进技术的 法国达索集团并购 ， 以新一代的模拥有先进技术的 法国达索集团并购 ， 以新一代的模拟真实世界
27、的仿真技术平台 SIMULIA作为其分析产品的新品牌被广泛地认为是 功能最强 的大型通用有限元软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够 驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题作为通用的模拟工具， ABAQUS 除了能解决大量结构（应力 / 位移）问 题，还可以模拟其他工程领域的许多问题，例如 热传导 、 质量扩散 、 热电耦合分析 、 声学分析 、 岩土力学包括一个 丰富的、可模拟任意几何形状的 单元库 。并拥有各种类型的 材料模型库 ，可以模拟典型工程材料的性能，其中包括金属 、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹 性泡沫材料以及土壤和岩石等地质材料如 、 、
28、、 、分析 （流体渗透 / 应力耦合分析）及 压电介质 分析ABAQUS主要模块前处理模块 ABAQUS/CAE后处理模快 ABAQUS/Viewer主求解器模块 ABAQUS/StandardABAQUS/Explicit其他专用模块其他专用模块 ABAQUS/DesignABAQUS/AquaABAQUS/FoundationMOLDFLOW接口ADAMS接口2015-11-416ABAQUS的主要分析功能 静态应力/位移分析 动态分析 非线性动态应力/位移分析 粘弹性/粘塑性响应分析 热传导分析 退火成形过程分析 质量扩散分析 准静态分析 耦合分析DEFORM前处理DEFORM求解DEF
29、ORM后处理1、建模流程二、DEFORM-2D成形数值模拟后处理2、模拟实例DEFORM前处理(1) 进入前处理窗口(2) 增加新对象(3) 设置模拟控制(4) 构建工件几何模型(5) 划分网格择材料工件设置主窗口设置1、建模流程(6) 选(7) 设定温度(8) 设定边界条件(9) 构建模具几何模型(10)设置模具运动参数(11)设定工件与模具间位置关系(12)设定接触与摩擦(13)生成数据库模具设置主窗口设置(1)进入前处理窗口DEFORM主菜单2015-11-417选择 File|New，或单击 图标增加一个新问题，出现问题设置窗口。保持打开新问题的默认值不变，单击 【Next】 按钮出现
30、问题类型窗口，在该窗口中选 Deform-2D Preprocessor“保存位置”和“问题命名”对话框单击对象树下面的插入对象按钮 ，添加一个新对象Workpiece，可通过在“ Current Object”右边空白框中输入其名称，单击 来实现为其修改名称(2)增加新对象“增加新对象”对话框单击 图标，打开模拟控制 “ Simulation Control窗口。在窗口中改变模拟标题为newtrial，选择系统单位为“ SI，选择“Mode”为“ Deformation”，选择“Geometry ”为“ Axismmetric”(3)设置模拟控制“设置模拟控制”对话框2015-11-418再
31、单击 进入步控制，设定“ 总计算步数 ”、“ 间隔存储步 ”“主模具 ”和“ 增量位移步长 ”z 2D模拟，模拟步数量常设为为 100 300步z 复杂问题，增量位移步长一般为 最小单元边长1/3 1/2步控制设定对话框单击“Workpiece ”的 按钮，为新增对象建立几何模型，有两种方法 ： 第一种方法 是单击按钮 ，出现一个空白表格，在表格中依顺序输入特征点的坐标(X，Y，R) 。输入完成后，单击按钮 ， 将数据写入系统，此时左边视图窗口将显现新增对象的几何形状。如果发现几何形状有问题，可单击再单击按钮 进行检查 在绘制过程中(4)构建工件几何模型， 。 在绘制过程中需要确保所绘点的顺序
32、按逆时针方向进行，如果不是，可通过按钮 改变其方向 第二种方法 是在平面绘图软件中绘制好该对象的平面几何图形，保存为.dxf或者.igs格式文件。然后在DEFORM-2D前处理窗口中单击 中Tool标签的 按钮，找到 .dxf或者.igs 格式的相关文件 导入DEFROM 中工件尺寸：底面半径75mm、高150mm“毛坯生成”对话框工件尺寸：底面半径75mm、高150mm、圆角半径5mm2015-11-419(5)划分网格单击 按钮，在 Tool标签下对网格数量进行选择（设定为1000）。在 Detailed Settings标签下可设置“Mesh Parameters”网格设置对话框将“ s
33、ize ratio”由默认 “3”改为 “1”网格划分Size Ratio=3 Size Ratio=1(6)选择材料单击 按钮，弹出“ Materiasl Library”对话框，选择Steel中的“AISI-10251800-2200F(1000-1200C) ”。然后单击 按钮，就将所选材料导入Workpiece中“材料选择”对话框(7)设定温度单击“Workpiece ”的 图标，在“ Temperature”中单击 ，输入合适温度后，单击OK按钮，温度便确定下来“温度设定”对话框2015-11-420(8)设定边界条件单击 按钮，进入边界条件选择窗口。通过“ Velocity”中“
34、X，Fixed ”确定工件边界条件。其意思为 工件在变形过程中，其对称轴上各点只沿Y向运动，X方向不产生位移毛坯边界条件确定依次单击 “Top Die ”、“Bottom Die ” 中” 按钮，按照(4)中操作完成凸模和凹模几何模型构建后，单击按钮左边视图窗口显示图形模具尺寸：底面半径120mm、高50mm(9)构建模具几何模型上、下模生成后总装配图(10)设置凸模运动参数单击“Top Die ”的 图标，在“ Type”中选择“ Speed”，通过选择设备滑块下行速度来确定凸模运动凸模运动参数设定(11)设定工件与模具间位置关系单击图标 ，弹出“ Positioning Object”对话
35、框，设定对象间位置关系 偏移“offset ” 干涉“Interference ” 旋转“Rotational ”对象间位置关系设定2015-11-421(12)设定接触与摩擦单击图标 ，弹出如下对话框，单击“Yes ”按钮后。进入过盈对象关系设定窗口。刚性模具定义为主对象，工件定义为从属对象。“接触”与“摩擦”设定单击 按钮，工件和凸、凹模的接触即生成，左边视图窗口中用不同着色的点显示工件和凸、凹模的上、下两个表面工件与模具接触生成单击 ，出现数据库生成窗口。单击 按钮，开始对各项数据进行检查，检查无误后，单击生成数据库。单击 ，退出该窗口。(13)生成数据库数据库生成窗口(1)打开预先保存
36、的问题(2)求解打开DEFORM。当主窗口打开，单击目录清单 PROBLEM中的 newtrial(前处理中已生成)，并选中文件清单中的newtrial.DB文件DEFORM求解 Summary:查看模具与坯料属性 Preview:查看运动模型窗口 Message:查看信息文件 Log:查看运行开始、结束的时间单击窗口右边的“Run ”按钮，开始模拟。仿真过程中可以利用信息文件来查看它的运行状况。2015-11-422求解操作窗口DEFORM后处理结果显示形式：动画图形曲线数字文字混编形式操作模式：(1)动画显示(2)步选择(3)节点距离测量(4)应变云图显示(5)金属流线显示(6)载荷行程曲
37、线显示(7)点追踪(1)动画显示模拟完成后单击“ Post Processor” 中的“ DEFORM-2D Post”,弹出后处理窗口。单击 中的按钮，可以显示成形过程动画。成形过程动画(2)步选择要查看每一个步骤，点击顶端的下拉菜单，选择某一个步骤步选择2015-11-423(3)节点距离测量点击 ，然后在左边视图中依次选择需要测量的两节点，即可测量两点间距离尺寸测量(4)应变云图显示点击 ，进入状态变量下拉菜单，可显示各种状态变量的云图状态变量选择真实应变(5) 金属流动对于有方向的状态变量，例如速度、位移等，在后处理过程中也能被观察。依次点击 State Vriable对话框“ Vel
38、ocity”、“Total Vel”、“ Vector Plot”、“ Apply”，然后单击 ，即可观察金属流动趋势。“金属流动选择”对话框金属流动趋势动画2015-11-424(6) 载荷 行程曲线单击 ，弹出“ Graph(Load-Stroke)”对话框，单击“Top Die”、“ Bottom Die”，选中“ Stroke”，单击“Apply ”，即显示载荷 行程曲线载荷 行程曲线(7)点追踪单击 ，在左边视图中选择需要追踪的节点，弹出“ Point Tracking”对话框，依次点击” Next”、“ Finish”，即可显示追踪点的所选择输出变量的变化历程曲线z模拟分析模拟参数
39、工件尺寸：底面半径60mm、高200mm模具尺寸：底面半径150mm、高50mm工件材料： AISI1045钢工件温度：1150 ，凸模压下速度：1mm/s压下量：100mm镦粗模型分析内容镦粗成形基本规律 尺寸 变化规律 应变 分布规律 力能 消耗规律工艺参数作用规律 压下 速度 、工件 温度 、 摩擦 系数镦粗成形基本规律 尺寸 变化规律压下量=20mm 40mm 60mm 80mm 100mm20 40 60 80 10060626466687072747678808284868890半径 (mm)进给量 (mm)上底面半径最大鼓形半径下底面半径z上、下底面半径几乎相同z中截面半径增长速
40、度逐渐增加，底面半径增长速度基本不变z中截面半径增长速度大于底面半径2015-11-425 应变分布 规律20 40 60 80 1000.00.20.40.60.81.0等效应变进给量 (mm) 最大值最小值z心部应变最大，上下边缘其次、底面最小z最大应变与最小应变差值逐渐增加，变形逐渐不均匀 力能消耗 规律3004005006007008009001000墩粗力 (kN)最大墩粗力20 40 60 80 100100200进给量 ( mm)z镦粗力增长速度逐渐增加z最大镦粗力逐渐增加工艺参数作用规律 凸模压下速度（1、1.5、2、2.5mm/s）76788082848688半径(mm)上底
41、面半径最大鼓形半径下底面半径0.00.20.40.60.81.01.21.4等效应变最大值最小值0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6进给速度 (mm/s)1.0 1.5 2.0 2.5进给速度 (mm/s) 1.01.52.02.516001650170017501800185019001950200020502100墩粗力 (kN)进给速度 ( mm/s)最大墩粗力z鼓形半径逐渐增大、底面半径逐渐减小z最大应变和最小应变逐渐增加z镦粗力逐渐增加 工件温度（950、1050、1150、1200）950 1000 1050 1100 1150 12007
42、6788082848688半径 (mm)初始温度 上底面半径最大鼓形半径下底面半径950 1000 1050 1100 1150 12000.00.20.40.60.81.01.21.4等效应变初始温度 ( )最大值最小值( )950 1000 1050 1100 1150 1200100015002000250030003500墩粗力 (kN)初始温度 ()最大墩粗力 z尺寸与应变无显著变化z镦粗力逐渐减小2015-11-426 摩擦系数（0.2、0.4、0.6、0.8）0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.97476788082848688半径 (mm)上底面
43、半径最大鼓形半径下底面半径0.20.30.40.50.60.70.80.00.20.40.60.81.01.21.4等效应变最大值最小值摩擦系数 摩擦系数 0.20.30.40.50.60.70.8170017201740176017801800墩粗力 (kN)摩擦系数 最大墩粗力z鼓形半径逐渐增大、底面半径逐渐减小z最大应变逐渐增大、最小应变逐渐减小z镦粗力先减小，后趋于平缓三、DEFORM-3D成形数值模拟1、DEFORM-3D镦粗数值模拟2、DEFORM-3D轧环数值模拟前处理(1) 建立工件几何模型、定义材料、构建网格(2) 建立模具几何模型、定义模具运动参数(3) 装配几何模型、定义
44、模具和工件接触条件1、 DEFORM-3D镦粗数值模拟(4) 生成数据库求解分析后处理(1) 建立工件几何模型、定义工件材料、构建网格新建一个类型为“ Forming”的问题设置保存目录，并为该问题命名为“ duncu”前处理2015-11-427选择单位“ SI”选择分析类型“ Hot Forging ”定义环境温度 20选择温度计算类型“ Calculate temperature in piece only”选择形状复杂度和精确度“ Moderate ”点击此处，设定环境温度选择工件形状“ symmetry ”选择对象数目“ 1 workpiece+2 dies ”设定工件温度“ 110
45、0 ” 2015-11-428定义几何形状“ Define primitive geometry ”)选择几何类型“ Cylinder”)输入几何参数“ Radius”、“ Height ” )创建几何模型“ Create ”)设置网格数量“ 10000”)设置网格特征“ Advanced”)固定网格数量，设定网格比例“ Size ratio=1”)创建实体网格“ Solid mesh”划分网格单击此处，设置网格特征定义对称平面在模型上选择对称平面，会以 绿色高亮 显示2015-11-429定义工件材料)进入材料库“ Import material from library ”)选择材料“ A
46、ISI-1025”)读取材料属性“ Load ”定义边界条件前面已经定义了对称面，此处 无需定义边界条件单击此处，可以查看已定义的边界条件单击此处，可以删除已定义的边界条件已定义的边界条件 定义的边界条件(2) 建立模具几何模型、运动参数模具温度默认“ 150 ”建模过程同工件相同宽 150mm、 长 200mm、 高 100mmx方向 y方向 z方向2015-11-430定义上模运动类型“ Speed/Load ”定义上模运动方向“ -Z”，定义上模运动速“ Speed =5mm/sec”下模几何建模过程与上模相同不需定义运动参数(3) 装配模型、定义模具和工件间接触条件模型装配“ Automatic position ”模型调整“ Position objects ”、“ Offset ”选择需要调整的物体移动的方向和距离定义摩擦和接触条件)设置摩擦系数“ Hot forging(lubricated) 0.3” )生成接触对“ Generate contact nodes”
