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金属锻压成形过程的数值模拟研究.doc
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金属锻压成形过程的数值模拟研究.doc
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I
摘 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锻压过程进行数值模拟,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锻压过程中
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,可得到锻压过
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
锻压和加垫环锻压过程进行了数值分析,得到了等效应力、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锻压过程
中应力、应变的变化情况,这对锻压工艺的确定、加载速度、压下量的确定提供了
重要的依据。
关键词:锻压;数值模拟;温度;应力;应变
II
Abstract
Along 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 simulation 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 field 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
simulations 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 forging can be studied by these curves,
fundamentals on designing forging technique, loading speed and press scale were got .
Keywords: upset; simulation; temperature; stress; strain
III
目 录
1 文献综述..........................................................................................................................1
1.1 研究背景 ...................................................................................................................1
1.2 锻造过程数值模拟的发展现状 ...............................................................................1
1.2.1 有限元软件技术的发展趋势.................................................................................2
1.2.2 有限元软件研究方向...........................................................................................2
1.3 本课题研究内容 .......................................................................................................3
1.4 本研究意义 ...............................................................................................................3
2 模拟对象及模拟方法......................................................................................................5
2.1 模拟对象 ...................................................................................................................5
2.2 刚粘塑性有限元法的基本原理 ...............................................................................7
2.2.1 刚粘塑性材料流动的基本方程 .........................................................................7
2.3 在 Pre/ENGINEER 中建模 .......................................................................................8
2.3.1 圆柱形棒料的建模.............................................................................................8
2.3.2 上下砧的建模.....................................................................................................9
2.3.3 垫环的设计和建模.............................................................................................9
2.4 利用 DEFORM5.03 模拟锻压过程........................................................................10
2.4.1 模拟对象的简化...............................................................................................10
2.4.2 模拟材料的选取...............................................................................................11
2.4.3 不考虑温度场的坯料锻压过程数值模拟 .......................................................12
2.4.4 考虑温度场影响的坯料锻压过程数值模拟 ...................................................13
2.4.5 加垫环的锻压过程数值模拟 ...........................................................................15
3 模拟结果分析................................................................................................................18
3.1 不加垫环的坯料锻压过程数值模拟结果..............................................................18
3.1.1 不考虑温度场的坯料锻压过程模拟结果 .......................................................18
3.1.2 考虑温度场影响的锻压过程模拟结果分析 ...................................................21
3.2 加垫环锻压过程模拟结果分析 .............................................................................27
4 技术经济分析................................................................................................................34
IV
5 结论................................................................................................................................35
参考文献............................................................................................................................36
致 谢................................................................................................................................38
1
1 文献综述
1.1 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 平台上对坯料锻压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
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
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