完整：基于有限元的鍛件成形過(guò)程模擬

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1、摘要金屬的鐓粗是一個(gè)比較復(fù)雜的變形過(guò)程，不同的工藝參數(shù)會(huì)對(duì)變形產(chǎn)生不同的影響。為了能比較客觀的分析不同的工藝參數(shù)對(duì)變形的影響，本文應(yīng)用DEFORM-3D軟件對(duì)鍛件成形過(guò)程進(jìn)行有限元分析及數(shù)值模擬計(jì)算。基于此軟件平臺(tái)，模擬分析在熱鐓粗過(guò)程中熱變形溫度、變形速率對(duì)鍛件內(nèi)部的等效應(yīng)變，等效應(yīng)力，溫度場(chǎng)及金屬流動(dòng)速度的影響，分析模擬過(guò)程中對(duì)工件變形的影響。結(jié)果表明，變形初始溫度、變形速率均對(duì)變形產(chǎn)生影響，但是溫度的影響更顯著。在鐓粗過(guò)程中，由于應(yīng)力變化不均勻，會(huì)導(dǎo)致工件產(chǎn)生鼓型。關(guān)鍵詞：有限元DEFORM-3D等效應(yīng)力等效應(yīng)變鼓形目錄1引言3

2、2有限元理論簡(jiǎn)介42.1有限元的應(yīng)用情況42.2剛塑性有限元法的理論計(jì)算52.2.1剛塑性有限元法基本方程52.2.2剛塑性有限元法變分原理72.3DEFORM軟件的介紹及應(yīng)用情況［9］82.3.1Deform軟件的模塊結(jié)構(gòu)82.3.2Deform軟件的功能93基于DEFORM-3D的矩形坯料鐓粗的模擬分析103.1本節(jié)主要內(nèi)容103.2網(wǎng)格的劃分［10］113.3溫度場(chǎng)的定義113.4摩擦因子的分析113.5材料的選取123.6模鍛工藝數(shù)值模擬方案［11］-［14］123.6.1變形速度對(duì)鍛件成形的影響123.6.2變形溫度對(duì)鍛件成

3、形的影響143.6.3變形溫度對(duì)金屬流動(dòng)的影響163.6.4不同下壓量對(duì)工件變形的影響［15］174結(jié)論20謝辭21參考文獻(xiàn)221引言鍛造工藝因?yàn)橛屑?xì)化工件晶粒和提高工件強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。鐓粗的目的主要有以下幾種［1］-［2］：⑴由橫截面積較小的坯料得到橫截面積較大而高度較小的鍛件；⑵沖孔前增大坯料橫截面積和平整坯料端面；⑶提高下一步拔長(zhǎng)時(shí)的鍛造比；⑷提高鍛件的力學(xué)性能和減少力學(xué)性能的各向異性；⑸破碎合金工具鋼中的碳化物，并使其均勻分布；因而對(duì)該工藝過(guò)程的組織模擬和變形模擬引起越來(lái)越多研究者的興趣。圓柱體鐓粗應(yīng)用在工

4、業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)方面，相對(duì)于其他工序而言，圓柱體鐓粗相對(duì)簡(jiǎn)單，但因其用途廣用量大，所以越來(lái)越受到人們的關(guān)注。羅文波等人對(duì)圓柱體鐓粗過(guò)程中的應(yīng)力變化，裂紋擴(kuò)展等均作了相關(guān)的研究［3］-［6］。對(duì)于鐓粗過(guò)程中坯料變形的分析，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠家還處在實(shí)物操作基礎(chǔ)上。即通過(guò)多次反復(fù)的試驗(yàn)，得出一種最佳的工藝方案。這種試驗(yàn)法不僅大大延長(zhǎng)了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，而且還浪費(fèi)了大量的人力物力，已經(jīng)不符合現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展理念。為了改變這種情況，可以利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行仿真模擬［7］-［8］。2有限元理論簡(jiǎn)介2.1有限元的應(yīng)用情況金屬塑性成形是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程。

5、從連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)看，塑性變形過(guò)程中既存在幾何非線性（應(yīng)變與位移之間的非線性），也存在物理非線性（應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性），加之初始條件的復(fù)雜性以及數(shù)學(xué)處理上的困難等，導(dǎo)致人們長(zhǎng)期以來(lái)只能通過(guò)采用簡(jiǎn)化、假設(shè)和利用試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及圖解、模型等方法，通過(guò)回避上述難題才能對(duì)金屬塑性成形過(guò)程予以分析。這無(wú)疑難以適應(yīng)飛速發(fā)展的工業(yè)生產(chǎn)的需求。隨著有限元法與塑性成形理論的交叉融合及計(jì)算機(jī)硬件及相關(guān)軟件技術(shù)（如CADCAE）的飛速發(fā)展，有限元數(shù)值模擬仿真技術(shù)在金屬塑性成形過(guò)程中的應(yīng)用得到快速的發(fā)展。金屬塑性成形過(guò)程中的模擬有物理模擬和數(shù)值模

6、擬兩類。物理模擬是采用試驗(yàn)的方法——通過(guò)建立物理模型來(lái)模擬塑性成形過(guò)程。數(shù)值模擬采用一組數(shù)學(xué)方程和定解條件將實(shí)際過(guò)程抽象成理論模型，通過(guò)計(jì)算機(jī)求得該理論模型在不同條件下的數(shù)值解，以此推測(cè)在相應(yīng)條件下所發(fā)生的實(shí)際過(guò)程。但由于建立理論模型對(duì)原型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，存在所依據(jù)理論的不完善和計(jì)算誤差等，因而數(shù)值模擬的結(jié)果并不完全可靠。數(shù)值模擬結(jié)果的正確性可用物理模擬的方法予以驗(yàn)證。金屬塑性成形過(guò)程數(shù)值模擬方法建立在塑性成形過(guò)程力學(xué)分析的基礎(chǔ)上。成形過(guò)程的分析方法主要可分為兩類。一類是近似的解析計(jì)算方法，包括主應(yīng)力法、滑移線法、界限法、功平衡法等。這

7、類方法一般用來(lái)計(jì)算成形過(guò)程所需的力和能。另一類是數(shù)值方法，包括有限差分放、有限元法和邊界元法等。這類方法能獲得金屬塑性成形過(guò)程中應(yīng)力、應(yīng)變和溫度分布、成形缺陷等詳盡的數(shù)值解，能用于十分復(fù)雜的塑性成形過(guò)程。金屬塑性成形數(shù)值模擬中的有限元法大致可分為兩類：一類是固體型塑性有限元法，包括小變形彈塑性有限元法和大變形彈塑性有限元法；另一類是流動(dòng)型塑性有限元法，包括剛塑性有限元法和剛粘型有限元法。有限元法是目前進(jìn)行非線性分析的最強(qiáng)有力的工具，因此也成為金屬塑性成形過(guò)程數(shù)值模擬的最流行方法。采用彈塑性有限元法分析金屬塑性成形問(wèn)題，不僅能計(jì)算工具的

8、變形和應(yīng)力、應(yīng)變分布，而且還能有效處理卸荷問(wèn)題，計(jì)算金屬成形過(guò)程結(jié)束后工件的回彈和殘余應(yīng)力的分布。因此，它適用于板料成形等過(guò)程的模擬。但是彈塑性有限元法采用的增量型本構(gòu)關(guān)系不允許使用大的變形量，因此總的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。在大