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1、塑性加工过程数值模拟上机实验,材料模拟仿真实验室 贠冰,主要内容,数值模拟的有限元法简介 实验室简介 上机实验软件Ansys简介 上机实验内容及操作步骤 上机分组,塑性加工过程的有限元法,成型过程数值分析方法的功能,在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动学关系，预测塑性成形过程中材料的流动规律，包括应力场、应变场的变化、温度场变化及热传导等。 计算材料的成形极限，即保证材料在塑性变形过程中不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。 预测塑性成形过程顺利进行所需的成形力及能量，为正确选择加工设备和进行模具设计提供依据。,塑性成型过程数值模拟的必要性,现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺
2、分析和模具设计方面提出了更高的要求 。 若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不当，则会在成型过程中产生缺陷，造成大量的次品和废品，增加了模具的设计制造时间和费用。 传统工艺分析和模具设计，主要依靠工程类比和设计经验，反复试验修改，调整工艺参数以消除成形过程中的失稳起皱、充填不满、局部破裂等产品缺陷，生产成本高，效率低。 随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快速发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程，分析各工艺参数对成型的影响，优化设计。,塑性成形的数值模拟方法,上限法（Upper Bound Method） 用于分析较为简单的准稳态变形问题； 边界元法(Boundary Ele
3、ment Method) 用于模具设计分析和温度计算 ； 有限元法（Finite Element Method） 用于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈现非稳态，材料的几何形状、边界、材料的性质等都会发生很大的变化。,有限元法的基本原理,将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由度的单元集合体。 单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。 对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依据一定的原理建立各物理量之间的关系。 最后将各个单元建立起来的关系式加以集成，就可得到一个与有限个离散点相关的总体方程，由此求得各个离散点上的未知量，得到整
4、个问题的解。,有限元法的基本原理（二）,它对问题的性质、物体的形状和材料的性质几乎没有特殊的要求，只要能构成与有限个离散点相关的总体方程就可以按照有限元的方法求解。 有限元法能考虑多种外界因素对变形的影响，如温度、摩擦、工具形状、材料性质不均匀等。除边界条件和材料的热力学模型外，有限元的求解精度从理论上看一般只取决于有限元网格的疏密。 利用有限元进行数值分析可以获得成形过程多方面的信息，如成形力、应力分布、应变分布、变形速率、温度分布和金属的流动方向等。,有限元法的优点,由于单元形状具有多样性，使用有限元法处理任何材料模型，任意的边界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生困难。材料的塑性加
5、工过程，基本上可以利用有限元法进行分析，而其它的数值方法往往会受到一些限制。 能够提供塑性成形过程中变形的详细信息（应力应变场、速度场、温度场、网格畸变等），为优化成形工艺参数及模具结构设计提供详细而可靠的依据。 虽然有限元法的计算精度与所选择的单元种类，单元的大小等有关，但随着计算机技术的发展，有限元法将提供高精度的技术结果。 用有限元法编制的计算机程序通用性强，可以用于求解大量复杂的问题，只需修改少量的输入数据即可。 由于计算过程完全计算机化，既可以减少一定的试验工作，又可直接与CAD/CAM实现集成，使模具设计过程自动化。,模拟塑性加工过程的有限元法,弹塑性有限元法 刚塑性有限元法 刚粘
6、塑性有限元法,同时考虑弹性变形和塑性变形，对于小塑性变形所求的未知量是单元节点位移，适用于结构失稳，屈服等问题。对于大塑性变形，采用增量法分析。既可以分析加载过程，又可以分析卸载过程，计算残余应力应变及回弹、以及模具和工件之间的相互作用。可以处理几何非线性和非稳态问题，其缺点是所取是的步长不能太大，计算工作量繁重。过去弹塑性有限元法主要适用于分析板料成形、弯曲等工序。,对于大多数体积成形问题，弹性变形量较小，可以忽略，即可将材料视为刚塑性体。这种方法不需要用应力应变增量进行求解，计算时增量步进可取得大一些，但对于每次增量变形来说，材料仍处于小变形状态，下一步计算是在材料以前的累加变形几何形状和
7、硬化特性基础之上进行的，因此，可以用小变形的计算方法来处理大变形问题，并且计算模型较简单。刚塑性有限元法常用于一些金属的冷加工问题。,热加工（再结晶温度以上）应变硬化效应不显著，材料对变形速度具有较大的敏感性，因此，在研究热加工问题时要采用粘塑性本构关系。把热加工时金属视为非牛顿不可压缩流体，建立了相应的有限元列式，可以进行稳态流动的热力耦合计算，刚粘塑性有限元法常用来分析拉拔、挤压、轧制等工艺过程 。,著名有限元分析软件,ABAQUS：大型有限元软件,广泛模拟性能,杰出的非线性分析能力 ALGOR：大型通用有限元分析、机械动力仿真软件 ADINA：大型通用有限元分析 HyperWorks：世
8、界领先、功能强大的CAE应用软件包 COMSOL Multiphysics(原FEMLAB) ：功能强大的专业多物理场耦合CAE分析软件 Deform MSC系列：Nastran、ADAMS、Marc、Autoforge等 Ansys,材料加工模拟实验室简介,材料模拟仿真实验室,地点:创业楼314（材料学院实验测试中心） “211工程”实验室 实验室由一台惠普小型机服务器、两台IBM工作站及36台PC机构成局域网。 大型软件：Marc、Ansys、 Patran、 Autoforge、 Mvision、Thermal-calc,MSC.Marc,Marc是功能齐全的高级非线性有限元求解器，提供
9、了丰富的单元库，多种复杂特性的材料模型，可以进行复杂边界条件下的结构、温度场、电场、磁场分析，还可以进行流-热-固、土壤渗流、声-结构、电-磁、电-热以及热-结构等多场耦合模拟；Marc支持多CPU分析和大规模并行处理，提供了开放式用户环境，各种子程序接口使用户能方便地访问并修改程序设置，极大地扩展了Marc的分析能力。,MSC.Marc/Mentat,Mentat是非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，具有一流实体造型功能，全自动网格划分和建模能力，可以直观灵活地定义多种材料模型和边界条件，控制分析过程、递交分析、自动检查模型的完整性，实时监控分析，可视化处理计算结果，并可直接访问常用的C
10、AD/CAE系统。,MSC.Patran,开放的工程分析框架结构 图形用户界面方便易用 CAD模型直接访问和几何建模 智能化模型处理：可把几何模型上的载荷、边界条件、材料及单元特性转化为有限元信息。 自动有限元建模 完全的分析集成：将多种分析软件技术集成到Patran一个公共环境中，共用一个模型。 数据库不同平台相互兼容 用户化技术：在Patran的框架系统中直接嵌入自行开发的应用程序和功能 结果可视化处理 开放的软件开发环境:全功能的编程语言PCL,Ansys,Ansys软件是集结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通用有限元商用分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制
11、造、能源、电子、造船、汽车交通、国防工业、土木工程、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究。,Thermo-calc,Thermo-calc是世界上最好的多元相图计算软件。 Thermo-calc基于热力学的基本原理，对于各种合金的平衡相图、各种温度下相的种类及相对量均可进行定量分析计算。 Thermo-cal的热力学数据库涵盖了广泛的材料系列，而且数据准确可靠。,Dictra,Dictra主要用来模拟多元系统中扩散控制的相变。 可以计算扩散方程、热动力学平衡方程、流量平衡方程及相界面的移动等。,DICTRA的基本结构,MSC.Mvision,MSC.Mvision 是一个全
12、面商品化的材料数据信息系统，包括大量应用于航空航天和汽车行业的 材料数据，可以为用户提供最丰富、最广泛的材料数据信息，如材料的构成图象(含金相)，材料的成分含量，材料的各种特性数据，材料数据的测试环境信息，生产厂家及材料出厂牌号数据等，并可将材料特性作为设计变量用于设计、分析阶段的整个过程。Mvision的材料构造器和评估器可帮助用户建立和评估自己的材料数据信息系统。,学生版软件,MD NASTRANPATRAN MD ADAMS MSC MARC 可以在以下网址免费下载：,模拟软件ANSYS简介,简介内容,ANSYS公司 ANSYS的技术特点 ANSYS的产品家族 ANSYS功能概览 ANS
13、YS其他分析实例 ANSYS的模块及其功能 ANSYS的基本操作,ANSYS简介,Ansys公司是由美国著名力学专家，匹兹堡大学力学系教授John Swanson博士于1970年创建发展起来的，是世界CAE行业最大的公司。,ANSYS的技术特点,能实现多场及多场耦合分析 实现前后处理、分析求解及多场分析统一的数据库。 融前后处理与分析求解于一身。 强大的非线性分析功能 快速求解器 最早采用并行计算技术 从PC、工作站、大型机到巨型机所有硬件平台的全部数据文件兼容，用户界面统一。 智能网格划分 可与大多数CAD软件集成并有接口 多层次多框架的产品系列 良好的用户开发环境,ANSYS的产品家族,A
14、NSYS功能概览,结构分析 热分析 电磁分析 流体分析 (CFD) 耦合场分析 - 多物理场,ANSYS 结构分析 概览,结构分析的类型: 静力分析 - 用于静态载荷. 可以考虑结构的线性及非线性行为，例如: 大变形、大应变、应力刚化、接触、塑性、超弹及蠕变等. 模态分析 - 计算线性结构的自振频率及振形. 谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构应力和应变 (也叫作 响应谱或 PSD).,结构分析用于确定结构的变形、应变、应力及反作用力等.,ANSYS 结构分析 概览(续),谐响应分析 - 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应. 瞬态动力学分析 - 确定结构对随时间
15、任意变化的载荷的响应. 可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为. 特征屈曲分析 - 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状. (结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析.) 专项分析: 断裂分析, 复合材料分析，疲劳分析,Courtesy: Sikorsky Aircraft,ANSYS 结构分析 概览(续),用于模拟非常大的变形，惯性力占支配地位，并考虑所有的非线性行为. 它的显式方程求解冲击、碰撞、快速成型等问题，是目前求解这类问题最有效的方法.,ANSYS除了提供标准的隐式动力学分析以外， 还提供了显式动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA.,ANSYS热分析概览,热分析之后往往进行结
16、构分析,计算由于热膨胀或收缩不均匀引起的应力. ANSYS功能: 相变 (熔化及凝固), 内热源 (例如电阻发热等) 三种热传递方式 (热传导、热对流、热辐射),ANSYS 热分析计算物体的稳态或瞬态温度分布，以及热量的获取或损失、热梯度、热通量等.,ANSYS电磁分析概览,磁场分析中考虑的物理量是磁通量密度、磁场密度、磁力、磁力矩、阻抗、电感、涡流、能耗及磁通量泄漏等. 磁场可由电流、永磁体、外加磁场等产生.,磁场分析 用于计算磁场.,ANSYS电磁分析概览(续),磁场分析的类型: 静磁场分析 - 计算直流电（DC)或永磁体产生的磁场. 交变磁场分析 - 计算由于交流电(AC)产生的磁场. 瞬态磁场分析- 计算随时间随机变化的电流或外界引起的磁场.,ANSYS电磁分析概览(续),电场分析 用于计算电阻或电容系统的电场. 典型的物理量有电流密度、电荷密度、电场及电阻热等. 高频电磁场分析 用于微波及RF无源组件，波导、雷达系统、同轴连接器等分析.,ANSYS 流体分析 概览,流体分析 用于确定流体的流动及热行为. 流体分析分以下几类: CFD - ANSYS/FLOTRAN 提供强大
