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1、基于基于UGUG和和DEFORMDEFORM的锻造过程的锻造过程有限元模拟有限元模拟 DEFORM软件应用实例软件应用实例王高潮王高潮 孙前江孙前江 黄映霞黄映霞 江五贵江五贵 郭正华郭正华 南南 昌昌 航航 空空 工工 业业 学学 院院2021/6/71第一部分第一部分 DEFORM软件简介软件简介l DEFORM是美国Scientific Forming Technology Corporation (简称lSFTC)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l过程进行模拟。l 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l拟，其主要的优点是：l 1、减少昂贵
2、的车间试验和重新设计工模具以及加工过程的必要；l 2、精化坯料尺寸，减少产品和材料的费用；l 3、优化锻造工艺、优化锻模设计l 4、降低产品成本，缩短新产品研制周期，提高企业的市场竞争力。2021/6/72l DEFORM不同于一般目的的通用有限元模拟软件，其被设计成l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l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l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l格系统。 l DEFORM软件的最新版本中增加了HT (Heat Treatment)功能模l块，DEFORM-HT模块可以对热处理过程进行模
3、拟，如正火、退火、l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l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 。2021/6/73 lDEFORM软件的技术特点主要表现在以下几个方面： l1. 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。l2. 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。l3. 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l 的相互影响。l4. 提供与其他程序的接口。DEFORM提供了与诸多CAD软件的接口l 程序以实现数据共享和交换，如AutoCAD、Pro/Engin
4、eer、UG等。l5. 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 l 些必需的材料添加到材料库。2021/6/74第二部分第二部分 UG软件及其与软件及其与DEFORM间数据交换间数据交换l 由于DEFORM软件的主要功能是进行有限元模拟，其建立几何模型的功l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l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，l无法提供指导性的意见。l 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l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l件格式导入到DE
5、FORM-2D中进行模拟。由于AutoCAD等中档CAD软件只能l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2021/6/75l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l很难胜任。 l 美国EDS公司开发的UG软件采用的是复合建模方法，该方法功能强大、l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l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l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l入到DEFORM-3D中进行模拟。2021/6/76第三部分第三部分 锻造变形过
6、程模拟实例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。2021/6/773.1 扭力臂锻件模拟扭力臂锻件模拟3.1.1 081锻件锻件图3 -1 081锻件图图3 -2 锻模图081锻件的锻件图和模具图如图3 -1和3 -2所示。2021/6/783.1
7、.1.1 模拟条件设定模拟条件设定l 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l材料选用H-13钢(4Cr5MoSiV1)，坯料材料选用AISI-1035(35钢)。始锻温度为l1150，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，l假定模具为刚体，不发生变形。l 首先我们选用了72228mm的坯料，经压扁工步将坯料压扁30mm，l模拟结果如图3-33-6所示。l 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 有限元模拟有限元模拟3.1.1.2.1 坯料优化坯料优化2021/6/79图3 -3 坯料压扁状态 图3 -4 锻件
8、终锻状态图3 -5 锻件有限元网格图 图3 -6 锻件终锻截面图2021/6/710l 从上面的模拟结果图中可以看出， 72228mm的坯料尺寸太小，因l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l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l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2021/6/711l 从上面的模拟结果可以看出， 75228mm的坯料成形情况良好，l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l用78228mm的坯料进行了模拟，模拟结果如图3 -113 -13所示。图3
9、 - 9 锻件有限元网格图 图3 -10 锻件终锻截面图 2021/6/7123 -13 不同飞边的 锻件图3 -11 锻件有限元网格图3 -12 锻件终锻截面图2021/6/713l 分析上面的模拟结果图可以知道， 78228mm的坯料足以充满型l腔，锻件没有产生任何缺陷。图3-13中的第一个锻件采用75228mml的坯料，第二个锻件采用的是78228mm的坯料，从图中两个锻件的l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，l因此采用78228mm的坯料浪费材料较严重。l 通过对上述三种尺寸规格的坯料进行模拟，可以看出采用75228lmm的坯料进行生产是比较合理和经济的。
10、72228mm的坯料太小，锻件l充不满，78228mm的坯料过大，易产生厚大的飞边，浪费材料严重，l这两种规格的材料都是不可取的。2021/6/7143.1.1.2.2 不同锻造工艺对锻件成形的影响不同锻造工艺对锻件成形的影响 l 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l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l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l锻成形的锻件。(a)(b)图3 -14 不同锻造工艺成形的 锻件图2021/6/715 l 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
11、差，在锻l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l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 温度场模拟温度场模拟图3 -15 温度场模拟图(a) 锻件温度场(b) 锻模温度场温度场模拟结果如图3 -15所示。 2021/6/7163.1.2 084锻件锻件084锻件的锻件图和模具图如图3 -16和3 -17所示。图3 -16 锻件图图3 -17 锻模图3.1.2.1 模拟条件设定模拟条件设定 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
12、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。2021/6/7173.1.2.2 有限元模拟有限元模拟3.1.2.2.1 坯料优化坯料优化 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。图3 -18 坯料压扁状态 图3 -19 锻件终锻状态 2021/6/718图3-20 锻件有限元网格图 图3-21 锻件终锻截面图 l 由上面的模拟结果可以知道， 72223mm的坯料尺寸太小，因此坯料l未能充满型腔，锻件缺肉现象严重。为此我们采用了75223m
13、m的坯料进行l了模拟，模拟结果如图3 -223 -25所示。2021/6/719 图3 -24 成形锻件 图3-25 终锻截面状态 图3 -22 坯料压扁状态 图3 -23 锻件终锻状态 2021/6/720l 由上面的模拟结果可以看出， 75223mm的坯料成形情况良好l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，l采用78223mm的坯料进行了模拟，模拟结果如图3 -263 -27所示。 图3 -26 终锻状态图 图3 -27 成形锻件 2021/6/721l 由上面的模拟结果可以看出， 78223mm的坯料成形后的锻件飞l边大而且厚，材料浪费严重。 因此通过上面的模拟结
14、果比较，可知采用l75223mm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温度场模拟结果如图3 -28所示。 图3 -28 温度场模拟图(a) 锻件温度场(b) 模具温度场2021/6/7223.1.3 视镜座锻件视镜座锻件 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 2021/6/7233.1.3.1 模拟条件设定模拟条件设定l 根据工厂的实
15、际生产条件，模拟条件设定为：模具材料选用H-13钢，坯l料材料选用AISI-6061(LD30)，始锻温度为480，模具温度为20，摩擦模l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，l不发生变形，坯料选用的尺寸为4848mm。3.1.3.2 有限元模拟有限元模拟l 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l形，模具压靠，模拟结果如图3-31和3-32所示。2021/6/724 图3 -30 坯料放置示意图 图3 -31 模拟图 (a) 初始状态 (b) 终锻状态 2021/6/725 图3 -32 成形锻件图 由图3-31(b)和3-32
16、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。2021/6/726 (c) 预成形锻件 (a) 锻件预成形状态图 (b) 锻件终锻状态图 (d) 终锻成形锻件 图3 -33 模拟结果图 2021/6/727l 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，l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l终锻后，
17、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坐舱盖骨架整体热弯模拟 l 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l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l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l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l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l位和缺陷情况进行预测，现对其整体弯曲过程进行了模拟。2021/6/7283.1.4.1 模拟条件设定模拟条件设定l 模拟时设定条件
18、如下：坯料的材料选用LD5，模具材料选用45l钢，坯料的始锻温度为480，模具预热温度为250，摩擦模型为l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l刚体，不发生变形。 图3-34 坐舱盖二维零件图 2021/6/7293.1.4.2 整块铝板弯曲模拟整块铝板弯曲模拟l 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l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，l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 整块铝板弯曲模拟图 2021/6/730 (b) 等
19、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 2021/6/731 图3-38 载荷曲线图 l 由模拟结果图可知： = 64.6MPa， = 15.0MPa， = 0.895， l =1.5410-2， 整板弯曲需要的最大载荷为3.24107N。模拟结果表l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l不靠是由于圆角处等效应变最大，铝板变薄。2021/6/7322.1.4.2 铝板镂空状态的弯曲模拟铝板镂空状态的弯曲模拟l 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l械加工工作量，同时也降低了设备吨位的要求。图3-39
20、为弯曲的物理模型和l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l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 2021/6/733 (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 2021/6/734 图3-42 载荷曲线图 l 由模拟结果图可知： = 62.9MPa， = 13.1MPa， = 0.625， l =2.2310-3，弯曲需要的最大载荷为4.57106N。模拟结果表明镂l空铝板热弯后，零件没有缺陷产生，但是在两端的圆角处模具压不靠
21、。压l不靠是由于圆角处等效应变最大，铝板变薄。2021/6/735第四部分第四部分 结论结论l 通过在DEFORM软件中对上述几个锻件的模拟发现，与其他通用的CAEl软件相比，DEFORM对锻造变形过程的模拟的适应性更好，模拟得到的结果l与实际生产情况吻合程度较高。DEFORM软件对锻造过程模拟的适应性更好l，模拟结果与实际生产更接近，因此采用DEFORM软件对锻造变形过程进行l模拟仿真可以大幅度提高工厂的生产效率，减少其试模时间，对实际生产具l有较大的指导和促进作用。2021/6/736l欢迎交流l请留下l宝贵意见l谢谢！2021/6/737部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！
