《（毕业设计论文）《基于Deform3D的坯料镦粗的锻造过程数值模拟及优化分析》》由会员分享，可在线阅读，更多相关《（毕业设计论文）《基于Deform3D的坯料镦粗的锻造过程数值模拟及优化分析》（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘摘 要要 随着计算机技术的发展，以有限元法为代表的数值模拟技术广泛应用于金属塑性成形过程分析，基于刚塑性有限元法进行金属塑性成形过程的数值模拟技术取得了较大的成功。在本次模拟过程中，使用比较先进的 3D DEFOEM5.03 金属有限元分析软件对圆柱形棒料镦粗过程进行数值模拟，对在 Pro/ENGINEER 中建立的三维模型做热力耦合分析。并利用 3D DEFOEM 的图表输出功能直观地分析镦粗过程中棒料及模具的应力场、应变场及温度场等变量。根据这些分析结果，可得到镦粗过程的应力、应变及温度各变量变化情况。本次模拟中，分别对圆柱形棒料在平砧间镦粗和加垫环镦粗过程进行了数值分析，得到了等效应力
2、、等效应变及温度在不同时间内的分布情况，并提取出随时间变化的曲线。通过这些曲线可以研究镦粗过程中应力、应变的变化情况，这对镦粗工艺的确定、加载速度、压下量的确定提供了重要的依据。关键词：镦粗；数值模拟；温度；应力；应变AbstractAlong with the development of the computer technology, the numerical simulation technology was used widely in metal forming process, based on rigid-plastic FEM, the numerical simulati
3、on technology had got great success. In this simulation, the forging process of cylinder was simulated by the advanced 3D rigid-plastic FEM. The three dimension model of the cylinder built in PRO/ENGINEER was analyzed thermomechanic coupled. And then, the variable as stress, strain and temperature f
4、ield of cylinder and die in the forging process was analyzed by the exporting function on picture and diagram of 3D rigid-plastic FEM. Based on these results, the variety of the variable as stress strain and temperature in the forging process can be achieved. In this simulation, numerical simulation
5、s on the forging process of cylinder between two flat and two underlay loop were done respectively. Distributions of the variables as effective stress effective strain and temperature at different time were got. Curves of these variables changing with time were got. Changes of stress and strain in f
6、orging can be studied by these curves, fundamentals on designing forging technique, loading speed and press scale were got .Keywords: upset; simulation; temperature; stress; strain目目 录录1 文献综述11.1 研究背景 .11.2 锻造过程数值模拟的发展现状 .11.2.1 有限元软件技术的发展趋势 .21.2.2 有限元软件 研究方向.21.3 本课题研究内容 .31.4 本研究意义 .32 模拟对象及模拟方法5
7、2.1 模拟对象 .52.2 刚粘塑性有限元法的基本原理 .72.2.1 刚粘塑性材料流动的基本方程.72.3 在 Pre/ENGINEER 中建模.82.3.1 圆柱形棒料的建模.82.3.2 上下砧的建模.92.3.3 垫环的设计和建模.92.4 利用 DEFORM5.03 模拟镦粗过程102.4.1 模拟对象的简化.102.4.2 模拟材料的选取.112.4.3 不考虑温度场的坯料镦粗过程数值模拟.122.4.4 考虑温度场影响的坯料镦粗过程数值模拟.132.4.5 加垫环的镦粗过程数值模拟.153 模拟结果分析183.1 不加垫环的坯料镦粗过程数值模拟结果 .183.1.1 不考虑温度
8、场的坯料镦粗过程模拟结果.183.1.2 考虑温度场影响的镦粗过程模拟结果分析.213.2 加垫环镦粗过程模拟结果分析 .274 技术经济分析345 结论35参考文献36致 谢381 文献综述文献综述1.1 研究背景研究背景过去，由于缺乏科学的预测方法，锻压工艺设计和模具设计的主要依据是设计人员在长期工作中积累的经验，以及由对简单模型的实验研究总结出来的多种图表。对于复杂的零件，按照设计结果制造出工装模具以后，往往还需要通过反复的实验、修改，才能最终生产出合格的制品。这样，不但造成人力、物力、时间的巨大浪费，也难以保证产品质量1。随着计算机技术的飞跃发展 ,以有限元法为代 表的数值模拟技术广泛
9、应用于分析金属塑性成形过程 ,运用刚塑性有限元法进行金属塑性成形过程的数值模拟取得了较大的成功。一方面, 高性能的计算机 使得在短时间内模拟不同成形条件下的塑性成形过程成为可能, 并且在有限的时间内获得比较全面的模拟 结果2。另一方面 ，数值模拟方法以图形或动画的形式表达金属的变形过程， 以及各个物理量随时间和 空间的变化， 因此具有直观 、形象的特点。锻造工艺是体积成形工艺的重要组成部分，由于锻件的形状、尺寸稳定， 具有良好的综合力学机 械性能， 纤维组织合理 ，材料利用率高 ，因此在机 械、航空、航天等工业领域都得到了广泛的应用。 锻造过程一般是在高温下完成的一个复杂 的物理变化过程， 锻
10、件的成形质量受锻造温度、成 形速度、模具表面的摩擦与润滑、坯料形状以及模腔形状和变形程度等因素的影响3。为深入研究锻造过程中金属的流动规律和变形模式，数值模拟技术的应用已成为一个重要的途径， 本文在刚塑性有 限元软件Deform 3D平台上对 坯料镦粗的锻造过 程进行了优化分析。1.2 锻造过程数值模拟的发展现状锻造过程数值模拟的发展现状 目前，在工业发达国家，材料成型计算机数值模拟技术越来越广泛地在各工业部门中得到应用，产生了明显的经济效益，正在深刻地改变着传统的产品设计、制造方式。在工业需求的推动下，国外已涌现出一批用于锻压成型计算机数值模拟的商业软件。尤其我国在数值模拟技术的实际应用方面
11、与工业发达国家相比还有差距。计算机数值模拟技术有着巨大的发展前景。一方面，人们对于模拟的精度、速度和能力的期望是没有止境的；另一方面，随着各种新材料的发明和应用，必然会出现各种物理的、化学的甚至生物的材料成型新工艺，这将扩展计算机数值模拟的研究领域。随着计算机技术的发展和人们对锻造技术基本规律其中尤其是材料本构关系和边界条件研究的深入，模拟中将采用越来越精确的计算模型。更深刻地结实材料的各种物理性能，力学性能和细观、微观组织性能与成型工艺的关系，以更短的计算时间得到更精确的模拟结果4。航空航天、重型机械、汽车以及船舶等行业中许多重要零部件都需要经过锻造加工，而传统锻造工艺的制定和模具设计通常需
12、要借助于反复的实物试验,逐步修改直到达到要求为止，这种方法不仅周期长、效率低、成本高，对技术人员和操作人员的技术水平和工作经验要求高，还经常不能达到最佳的产品性能。数值仿真技术由于其强大的运算能力，能够模拟材料流动等异常复杂的锻造过程，而越来越凸显其优越性。锻造是高度非线性的工艺过程需要描述材料极，度的变形和模具与工件之间复杂的相互作用。多数情形下，锻造的毛坯形状相对简单，但最终产品的几何形状却非常复杂，达到极度的材料流动通常需要分段进行，由多个锻造道次完成5。1.2.1 有有限限元元软软件件技技术术的的发发展展趋趋势势有限元软件技术的发展趋势是编制有限元计算分析软件，把理论成果、算法转换为能
13、解决工程实际问题的生产力的主要手段，是把最新的计算机技术、软件工具、算法和工程知识结合在一起的综合性工作。随着金属学、传热学、工程力学、有限元理论和计算机技术等领域的进步，金属成形有限元分析软件也得到了相应的发展，计算精度越来越高，功能也越来越强大。文献5指出了锻压生产应用中有限元模拟软件技术的一些研究发展方向：由宏观模拟转向微观模拟；由单一场的模拟转向耦合场的模拟；由共性通用的模拟转向特性专用型的模拟；显式算法和隐式算法结合的求解方法；面向对象的程序设计方法等。1.2.2 有有限限元元软软件件 研究方向研究方向国内外学者为完善有限元软件技术仍然在进行不懈的努力，近期的研究工作主要集中在以下几
14、个方面6：1边界条件和材料本构关系（热本构、力本构和流体本构等）的准确描述；2成形过程的优化 ；3反向模拟技术；4 动态网格划分与重划；5预测微观组织结构的演化 ；6误差估计；7并行环境下与生产系统其他技术的集成；8非稳定性和应变集中；9新型数值模拟法，如无网格法、自适应 FEM 法、FBEM 法、基于特征的FEBM 法等7。1.3 本课题研究内容本课题研究内容本次研究的主要内容是坯料镦粗过程的应力、应变分析，并在模拟中考虑温度场的影响。通过使用 Pro/ENGINEER 软件与 DEFORM 软件，在掌握有限元分析基本原理、塑性变形基础知识及锻造工艺的基础上，采用有限元法对坯料镦粗过程进行应
15、力、应变分析。建立简化模型并选取参数，给出变形过程中不同压下量坯料内部的变形情况及应力、应变分布情况，得出合理的坯料镦粗过程工艺参数。在坯料镦粗过程中必须考虑温度场的影响，否则模拟结果将会有很大误差8。已经发展的数值模拟方法可以分为两大类：一类是以有限元法为代表，另一类是一有限差分法为代表。在本次研究中主要采用有限元法进行数值模拟。有限元法的特点是将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点上相互连接的单元的几何体，在每一个单元内满足一定要求的差值函数描述基本未知量在其中的分布9，随着单元尺寸的缩小，近似的数值解将越来越逼近精确解。有限元法适应任意复杂的和变动的边界10。应当注意的是，有限元分析
16、是针对原问题的离散化模型进行的，分析结果的精确程度与模型反映原问题的准确性密切相关。力学模型的优劣取决于分析人员的知识和经验。在建模中要针对求解目的，正确地选择单元类型和材料模型，获取和输入尽可能准确的材料参数，将原问题的各种约束条件转化为合适的边界条件11。在工件上的单元可能发生很大的塑性变形，而回弹的影响较小，所以多采用刚塑性有限元进行分析。当然，对有限元分析方法的选择不是一成不变的，而要根据问题本身的特点和分析和决定的12。1.4 本研究意义本研究意义计算机数值模拟对实际生产中的产品开发设计，模具的设计制造具有是十分重要的意义。采用模拟技术，能在锻件成型工艺设计和模具设计初步方案完成后立即对其进行检验，寻求可行的甚至最优的设计方案，然后再完成进行详细设计并制造进行模具制造。这样，在产品开发时，就能使得产品设计、工装模具设计和制造等相关工作同时展开，即实现并行工程，达到降低成本、提高质量、缩短产品交换期的目的13。通过本次实验研究不但可以近一步掌握 Pro/ENGINEER 软件与 DEFOR
