DE软件应用实例课件

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1、基于UG和DEFORM的锻造过程有限元模拟,DEFORM软件应用实例 王高潮 孙前江 黄映霞 江五贵 郭正华,南 昌 航 空 工 业 学 院,第一部分 DEFORM软件简介,DEFORM是美国Scientific Forming Technology Corporation (简称 SFTC)公司开发的有限元模拟软件，其主要用于对各种金属的锻造变形 过程进行模拟。 DEFORM软件借助计算机平台对金属锻造变形的整个过程进行模 拟，其主要的优点是： 1、减少昂贵的车间试验和重新设计工模具以及加工过程的必要； 2、精化坯料尺寸，减少产品和材料的费用； 3、优化锻造工艺、优化锻模设计 4、降低产品成

2、本，缩短新产品研制周期，提高企业的市场竞争力。,DEFORM不同于一般目的的通用有限元模拟软件，其被设计成 适合用于对锻造过程中金属变形的模拟。DEFORM提供了友好的用 户界面，为前处理的数据准备工作以及分析过程提供了方便，该软件 的一个关键组成部分是适合于大变形问题的全自动、优化的重划分网 格系统。 DEFORM软件的最新版本中增加了HT (Heat Treatment)功能模 块，DEFORM-HT模块可以对热处理过程进行模拟，如正火、退火、 淬火、回火、时效以及渗碳过程，还可以对材料硬度、残余应力、淬 火变形以及对热处理过程中重要的机械及材料性状进行预测 。,DEFORM软件的技术特点

3、主要表现在以下几个方面： 1. 数据统一。使用统一的数据库来存储模型数据及求解结果，实现前 后处理、分析及多场分析数据的统一。 2. 智能网格划分。具有智能网格划分功能，可以自动生成优化的网格。 3. 可实现多场耦合功能。实现多物理场的耦合分析，研究各物理场间 的相互影响。 4. 提供与其他程序的接口。DEFORM提供了与诸多CAD软件的接口 程序以实现数据共享和交换，如AutoCAD、Pro/Engineer、UG等。 5. 材料库中包含有钢、铝、钛合金等许多材料，用户也可以自定义一 些必需的材料添加到材料库。,第二部分 UG软件及其与DEFORM间数据交换,由于DEFORM软件的主要功能是

4、进行有限元模拟，其建立几何模型的功 能相对较弱，几何模型一般是在CAD软件中建立。因此进行锻造有限元模拟 之前，需首先建立正确的几何模型，否则模拟的结果与实际生产偏差较大， 无法提供指导性的意见。 通常对于轴对称锻件，为节省计算时间，提高计算效率，一般采用二维 有限元进行模拟，几何模型在AutoCAD等中档CAD软件中建立，再以DXF文 件格式导入到DEFORM-2D中进行模拟。由于AutoCAD等中档CAD软件只能 建立二维或简单的三维模型，而锻件的形状一般都比较复杂，特别是航空锻,件，其对于自由形状特征建模要求较高，建模的难度较大，因此AutoCAD等 很难胜任。 美国EDS公司开发的UG

5、软件采用的是复合建模方法，该方法功能强大、 使用方便，用户可以根据产品的特点，选择一种最合适的建模方法，而自由 形状特征建模是其CAD模块的重要组成部分。因此对于需采用三维有限元模 拟的复杂锻件，其几何模型均在UG软件中建立，再以STL或其他文件格式导 入到DEFORM-3D中进行模拟。,第三部分 锻造变形过程模拟实例,在进行锻造变形过程模拟时，结合洪都集团锻造厂正在生产的几种 类型锻件进行，如扭力臂、视镜座、起落架接头等。另外还对飞机坐 舱盖骨架的整体热弯过程进行了模拟，预测了铝板在镂空和整块板料 两种状态下热弯所需要的载荷大小以及零件的成形情况。在对锻件的 锻造变形过程进行模拟时，我们采用

6、了不同的锻造工艺和不同尺寸的 坯料。下面将对上述锻件在DEFORM中的模拟仿真过程和结果作具体 介绍。,3.1 扭力臂锻件模拟3.1.1 081锻件,081锻件的锻件图和模具图如图3 -1和3 -2所示。,3.1.1.1 模拟条件设定,依据工厂的实际生产条件，在模拟时我们将模拟条件设置如下：模具 材料选用H-13钢(4Cr5MoSiV1)，坯料材料选用AISI-1035(35钢)。始锻温度为 1150，模具预热温度为250，模具与坯料之间的摩擦系数设定为0.25， 假定模具为刚体，不发生变形。,首先我们选用了72228mm的坯料，经压扁工步将坯料压扁30mm， 模拟结果如图3-33-6所示。,

7、针对该锻件的特点，采用了不同的锻造工艺和坯料尺寸进行了模拟。,3.1.1.2 有限元模拟,3.1.1.2.1 坯料优化,从上面的模拟结果图中可以看出， 72228mm的坯料尺寸太小，因 此坯料充不满型腔，锻件缺肉现象严重。为此选用了尺寸为75228 mm的 坯料进行了模拟，与上面的模拟过程一样，首先将坯料压扁30mm，模拟结 果如图3 -73 -10所示。,3 -7 坯料压扁后的状态,3 -8 锻件终锻状态,从上面的模拟结果可以看出， 75228mm的坯料成形情况良好， 能够充满型槽，没有缺陷产生。为了与以上的模拟结果进行对比，采 用78228mm的坯料进行了模拟，模拟结果如图3 -113 -

8、13所示。,3 -13 不同飞边的 锻件图,分析上面的模拟结果图可以知道， 78228mm的坯料足以充满型 腔，锻件没有产生任何缺陷。图3-13中的第一个锻件采用75228mm 的坯料，第二个锻件采用的是78228mm的坯料，从图中两个锻件的 飞边比较来看，第一个锻件的飞边较薄，而第二个锻件的飞边大而且厚， 因此采用78228mm的坯料浪费材料较严重。 通过对上述三种尺寸规格的坯料进行模拟，可以看出采用75228 mm的坯料进行生产是比较合理和经济的。72228mm的坯料太小，锻件 充不满，78228mm的坯料过大，易产生厚大的飞边，浪费材料严重， 这两种规格的材料都是不可取的。,3.1.1.

9、2.2 不同锻造工艺对锻件成形的影响,在上面的模拟中，首先经压扁工步对所有的坯料都进行了压扁。现在 为研究不同的锻造工艺对锻件成形的影响，模拟时不采用压扁工步，直接 进行终锻成形，模拟结果如图3-14 (a)所示， 3-14 (b)为采用压扁工步再终 锻成形的锻件。,(a),(b),图3 -14 不同锻造工艺成形的 锻件图,3-14 (a)的模拟结果图表明不采用压扁工步的锻件成形质量较差，在锻 件的侧面与飞边的连接处出现了折叠。采用压扁工步合理地分配了坯料的 体积，使坯料更符合金属的变形规律，变形比较均匀，因此锻件质量较好。,3.1.1.2.3 温度场模拟,图3 -15 温度场模拟图,温度场模

10、拟结果如图3 -15所示。,3.1.2 084锻件,084锻件的锻件图和模具图如图3 -16和3 -17所示。,3.1.2.1 模拟条件设定,084锻件的生产条件与081锻件基本相同，因此在模拟时我们将模拟条件 设置如下：模具材料选用H-13钢(4Cr5MoSiV1)，坯料材料选用AISI-1035(35 钢)。始锻温度为1150，模具预热温度为250，模具与坯料之间的摩擦系 数设定为0.25，假定模具为刚体，不发生变形。,3.1.2.2 有限元模拟,3.1.2.2.1 坯料优化,模拟首先选用了72223mm的坯料，并经压扁工步压扁30mm，模拟 结果如图3 -183-21所示。,由上面的模拟

11、结果可以知道， 72223mm的坯料尺寸太小，因此坯料 未能充满型腔，锻件缺肉现象严重。为此我们采用了75223mm的坯料进行 了模拟，模拟结果如图3 -223 -25所示。,由上面的模拟结果可以看出， 75223mm的坯料成形情况良好 能够充满型槽，没有任何缺陷产生。为了与上面的模拟结果进行对比， 采用78223mm的坯料进行了模拟，模拟结果如图3 -263 -27所示。,由上面的模拟结果可以看出， 78223mm的坯料成形后的锻件飞 边大而且厚，材料浪费严重。 因此通过上面的模拟结果比较，可知采用 75223mm的坯料是最经济合理的。,3.1.2.2.2 温度场模拟,温度场模拟结果如图3

12、-28所示。,图3 -28 温度场模拟图,3.1.3 视镜座锻件,视镜座锻件是用于汽车空调上的一个冷却循环装置。其三维锻件图和模 具图如3-29(a)和(b)所示。由于该锻件的圆盘部分尺寸较大，十字接头两边较长 成形时容易产生缺肉和折叠，针对该锻件的特点，对其成形过程进行了模拟。,(a) 锻件图,(b) 锻模图,图3 -29 视镜座锻件和锻模图,3.1.3.1 模拟条件设定,根据工厂的实际生产条件，模拟条件设定为：模具材料选用H-13钢，坯 料材料选用AISI-6061(LD30)，始锻温度为480，模具温度为20，摩擦模 型为常剪应力摩擦，模具与坯料之间的摩擦系数取为0.25，假定模具为刚体

13、， 不发生变形，坯料选用的尺寸为4848mm。,3.1.3.2 有限元模拟,根据该锻件的特点，模拟时将坯料按图3-30所示放置，首先采用一次成 形，模具压靠，模拟结果如图3-31和3-32所示。,图3 -30 坯料放置示意图,图3 -31 模拟图,图3 -32 成形锻件图,由图3-31(b)和3-32所示的模拟结果可以看出锻件的圆盘部分未充满， 其侧面与飞边的连接处和十字接头的两端折叠比较严重。通过模拟结果分 析可知，由于锻件形状比较复杂，采用一次成形比较困难，且容易产生缺 肉和折叠。因此模拟时对锻造工艺进行了改进，分两锤成形，第一锤模具 不压靠，第二锤再终锻成形，模拟结果如图3-33所示。,

14、分析上面的模拟结果可知，坯料经第一锤预成形后，由于模具未靠， 因此锻件的圆盘部分未充满，如图3-33(a)、(c)所示。预成形锻件经第二锤 终锻后，锻件成形效果良好，没有缺陷产生，如图3- 33(b）和 (d)所示。,3.1.4 坐舱盖骨架整体热弯模拟,通常情况下飞机坐舱盖骨架是由多个锻件组成，现在为了提高坐舱盖的 机械性能和强度，设计单位提出了一种新的方案，即将整块铝板或者将铝板 中间镂空后整体热弯成形，再进行机械加工。分析图3-34所示的坐舱盖骨架 的二维图可知，该零件整体尺寸较大，因此铝板整体弯曲成形所需要的压力 机吨位非常大，并且热弯过程中圆角处可能会有裂纹出现。为了对压力机吨 位和缺

15、陷情况进行预测，现对其整体弯曲过程进行了模拟。,3.1.4.1 模拟条件设定,模拟时设定条件如下：坯料的材料选用LD5，模具材料选用45 钢，坯料的始锻温度为480，模具预热温度为250，摩擦模型为 常剪应力摩擦，模具与坯料之间的摩擦系数取为0.25，假定模具为 刚体，不发生变形。,图3-34 坐舱盖二维零件图,3.1.4.2 整块铝板弯曲模拟,该方案是将整块铝板弯曲以后，再机加工到零件尺寸。图3-35为整板弯 曲的物理模型和模拟得到的零件图，图3-36为模拟得到的等效应力应变图， 图3-37为终锻状态图，图3-38为载荷曲线图。,(a) 铝板整体弯曲物理模型,(b) 成形零件图,图3 -35

16、 整块铝板弯曲模拟图,(b) 等效应变图,(a) 等效应力图,图3-36 等效应力应变图,图3-37 终锻状态图,图3-38 载荷曲线图,由模拟结果图可知： = 64.6MPa， = 15.0MPa， = 0.895， =1.5410-2， 整板弯曲需要的最大载荷为3.24107N。模拟结果表 明铝板热弯后，零件没有缺陷产生，但是在两端的圆角处模具压不靠。压 不靠是由于圆角处等效应变最大，铝板变薄。,2.1.4.2 铝板镂空状态的弯曲模拟,该方案是将铝板中间镂空后进行弯曲，这样不仅减小了弯曲成形后的机 械加工工作量，同时也降低了设备吨位的要求。图3-39为弯曲的物理模型和 模拟得到的零件图，图3-40为模拟得到的等效应力应变图，图3-41为终锻状 态图，图3-42为载荷曲线图。,(a) 弯曲物理模型,(b) 成形零件,图3-39 镂空铝板弯曲物理模拟型和成形零件图,(a) 等效应力图,(b) 等效应变图,图3-40 等效应力应变图,图3-41 终锻状态图,图3-42 载荷曲线图,由模拟结果图可知： = 62.