【毕业论文设计】基于Deform3D的坯料镦粗的锻造过程数值模拟及优化分析.docx

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徹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徹粗过程中 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，可得到徹粗过 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 傲粗和加垫环徹粗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徹粗过程 中应力、应变的变化情况，这对徹粗工艺的确定、加载速度、压下量的确定提供了 重要的依据关键词：徹粗；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 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; strain1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有限元软啊究方向 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 52.1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模拟徹粗过程 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徹粗过程数值模拟 122.4.4考虑温度场影响的坯料徹粗过程数值模拟 132.4.5加垫环的徹粗过程数值模拟 153模拟结果分析 183.1不加垫环的坯料徹粗过程数值模拟结果 183.1.1不考虑温度场的坯料徹粗过程模拟结果 183.1.2考虑温度场影响的徹粗过程模拟结果分析 213.2加垫环徹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]O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，运用冈慳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囚另一方面,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国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平台上对坯料徹 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，以更短的计算时间得到更精确的模拟结果［铁航空航天、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］O1.2.1有限元软件技术的发展趋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有限元软件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 在以下几个方面回：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⑺。

1.3本课题研究内容本次研究的主要内容是坯料徹粗过程的应力、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徹粗过程进 行应力、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，得出合理的坯料徹粗过程工艺参数在坯料 徹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固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 的和变动的边界应当注意的是，有限元分析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问1.4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 的目的问通过本次实验研究不但可以近一步掌握Pro。