材料成形过程模拟仿真
材料成型数值模拟设计实验
学生学号实验课成绩学生实验报告书实验课程名称材料成型数值模拟设计实验开课学院材料学院指导教师姓名学生姓名学生专业班级成型1001班2012-- 2013学年第二学期实验教学管理基本规范实验是培养学生动手能力、分析解决问题能力的重要环节；实验报告是反映实验教学水平与质量的重要依据。
为加强实验过程管理，改革实验成绩考核方法，改善实验教学效果，提高学生质量，特制定实验教学管理基本规范。
1、本规范适用于理工科类专业实验课程，文、经、管、计算机类实验课程可根据具体情况参照执行或暂不执行。
2、每门实验课程一般会包括许多实验项目，除非常简单的验证演示性实验项目可以不写实验报告外，其他实验项目均应按本格式完成实验报告。
3、实验报告应由实验预习、实验过程、结果分析三大部分组成。
每部分均在实验成绩中占一定比例。
各部分成绩的观测点、考核目标、所占比例可参考附表执行。
各专业也可以根据具体情况，调整考核内容和评分标准。
4、学生必须在完成实验预习内容的前提下进行实验。
教师要在实验过程中抽查学生预习情况，在学生离开实验室前，检查学生实验操作和记录情况，并在实验报告第二部分教师签字栏签名，以确保实验记录的真实性。
5、教师应及时评阅学生的实验报告并给出各实验项目成绩，完整保存实验报告。
在完成所有实验项目后，教师应按学生姓名将批改好的各实验项目实验报告装订成册，构成该实验课程总报告，按班级交课程承担单位（实验中心或实验室）保管存档。
6、实验课程成绩按其类型采取百分制或优、良、中、及格和不及格五级评定。
附表：实验考核参考内容及标准观测点考核目标成绩组成实验预习1．预习报告2．提问3．对于设计型实验，着重考查设计方案的科学性、可行性和创新性对实验目的和基本原理的认识程度，对实验方案的设计能力20%实验过程1．是否按时参加实验2．对实验过程的熟悉程度3．对基本操作的规范程度4．对突发事件的应急处理能力5．实验原始记录的完整程度6．同学之间的团结协作精神着重考查学生的实验态度、基本操作技能；严谨的治学态度、团结协作精神30%结果分析1．所分析结果是否用原始记录数据2．计算结果是否正确3．实验结果分析是否合理4．对于综合实验，各项内容之间是否有分析、比较与判断等考查学生对实验数据处理和现象分析的能力；对专业知识的综合应用能力；事实求实的精神50%实验课程名称材料成型数值模拟实验项目名称利用DEFORM模拟镦粗锻造成型实验成绩实验者专业班级成型1001班组别同组者实验日期2013年4月8日第一部分：实验预习报告（包括实验目的、意义，实验基本原理与方法，主要仪器设备及耗材，实验方案与技术路线等）一、实验目的1）了解认识DEFORM软件的窗口界面。
Rem3D—注塑成型仿真软件
Rem3D®——注塑成型仿真软件
世界最强大注塑成型工艺的数值模拟软件。
Rem3D®仿真软件是一套三维有限元注塑成型过程模拟软件系统，主要用于热塑性塑料、热固性塑料、水/气辅注射成型技术、共注成型、泡沫注射成型与膨胀、纤维强化注射成型、二次成型、片/块状
模造法、所有的多材料加工工艺、挤压模具的流动平衡技术等。
Rem3D®仿真软件可以帮助您：
减少生产周期
——如运用Rem3D®来确定实现最小应变的最佳保压时间
缩短模具设计周期
——如运用Rem3D®来确定喷嘴、冷却器和管式加热器的位置
分析工艺参数
——如运用Rem3D®来确定所需保压压力，减少合模力
优化注射工艺
——如运用Rem3D®来确定泡沫最佳平衡及最少填充时最佳质量
Rem3D ®仿真软件主要模块 Rem3D ®仿真软件主要特征 ● 无与伦比的网格重划分技术 ● 经得住实践检验的模拟准确性 ● 准确热描述和 纤维取向表征 ● 高性能的优化计算和可扩展性
Multifluids Module Co-Injection polyurethane foams SMC Module (Sheet Molding Compound) In association with Research projects Short Fiber Composites Process
Core Module Monofluid Thermoplastics & Thermosets。
Deform实验报告模锻实验指导书
DEFORM-3D模锻成型仿真实验指导书2014年 4 月实验二DEFORM-3D模锻成型仿真实验1 实验目的与内容1.1 实验目的通过DEFORM软件平台实现模锻成型过程的仿真模拟实验。
了解材料在不同工艺条件下的变形流动情况，熟悉模锻成型工艺特点。
掌握模锻成型过程的应力应变场分布特点。
1.2 实验内容运用DEFORM模拟模锻成型过程，利用三维软件绘制一阶梯轴锻件，模拟其成形过程。
图1 锻件图（一）工艺条件上模：Φ200×50，刚性材料，初始温度200℃；下模：200×200×40。
工件：16钢，尺寸如表1所示。
表1 实验参数序号棒料尺寸，mm摩擦系数，滑动摩擦加热温度℃锤头运动速度，mm/s1 φ80*150 0 900 5002 φ80*150 0 1200 5003 φ80*150 0.2 900 5004 φ80*150 0.2 1200 500（二）实验要求（1）运用三维软件绘制各模具部件及工件的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算；（4）DEFORM后处理，观察变形过程，载荷曲线图；（5）提交分析报告。
2 实验过程•1）打开deform软件，新建一个文件，文件取名name.key;•2)打开前处理文件界面分别增加工具体,topdie和bottomdie(workpiece已经存在）。
•3）在各个工具体上相应导入几何体（就是前面所导出的stl文件。
•4检查上述几何体几何状况。
•5对坯料进行网格划分（有热传导情况模具也应划分网格）•6为坯料定义材料（有热交换的也需要对模具定义材料）•7定义工具体的速度（对轧制等给定坯料的初速度）•8定义边界条件，坯料性能（体积补偿）•9定义控制的单位和模拟类型，以及步长和运算停止条件。
•10自动靠模和边界接触的定义。
•11检查并生成分析所需db文件•12.进行模拟分析，完成或观察后处理结果。
《材料成型过程的数值模拟》课程教学大纲
《材料成型过程的数值模拟》课程教学大纲课程编号：081096211课程名称：材料成型过程数值模拟英文名称：Computer Simulation of Materials Processing课程类型：专业课课程要求：必修学时/学分：32/2（讲课学时：16，实验学时：0，上机学时：16适用专业：材料成型及控制工程专业一、课程性质与任务本双语课程作为材料成型及控制工程专业专业必修课，目的是向材料成型及控制工程专业的高年级本科生介绍现代计算机模拟和仿真技术在材料成型中应用的专业课程。
通过本课程的学习，使学生初步掌握模拟与仿真的概念，培养高级的材料成型研究专门人才。
本课程教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法；在培养学生的实践能力方面，着重计算机软件应用基本能力的训练，培养学生在工程问题分析与设计构思方面的能力，掌握一定的计算机模拟手段预测材料在成型过程中的变化，并能指导实际工程的工业生产项目，以适应当代工业工程发展的需要。
本课程采用双语教学，提升学生相关专业知识和国际视野和外语学习能力，培养与国际工程技术人员之间的沟通能力。
二、 课程与其他课程的联系先修课：金属材料及热处理，材料力学性能，金属液态成型原理，金属塑性成形原理，材料冶金传输原理，模具设计及运用， 材料成型工艺本课程为材料成型及控制工程专业大四学生开设，本课程开设目的是在学生学习材料成型相关理论、工程知识后能够运用计算机辅助设计软件对材料成型及控制问题进行设计，能够运用计算机辅助工程软件对材料成型过程问题进行分析与预测，得到有效结论，因此学生对于前期课程的学习、理解是本课程开设基础。
三、课程教学目标1．了解材料成型过程计算机模拟与仿真的概念、方法、特点及用途，具有分析、选用相关现代模拟手段进行工程问题模拟仿真能力；（支撑毕业能力要求5.1）2.了解材料成型过程数值模拟领域的发展历程和现状，熟悉计算机模拟的基本理论；能够根据，了解主流的计算机模拟软件及其应用范围；（支撑毕业能力要求2.3，5.2）3. 能够根据具体工程问题选用软件对工程问题的关键环节和参数进行模拟仿真，并根据模拟结果分析、解决问题或优化工艺参数；（支撑毕业能力要求5.3，3.2）4．熟练掌握一种以上计算机模拟软件的基本操作过程，培养学生应用计算机模拟手段的工程应用的能力；强化外语应用能力，能够熟练应用英语表达材料成型工程领域专业技术问题，熟悉国际材料成型计算机模拟与仿真发展趋势，具有一定的国际视野和交流能力。
材料成型的数值模拟
塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法
工程法（Slab法，主应力法） 滑移线法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限单元法（UBET) 有限单元法（FEM,Finite Element Method）
• 实验/解析法
相似理论法 视塑性法 • 数值法 有限元法 有限差分法 边界元法
3.教学软件：
Deform Dynaform Marc
4.教学内容：
基本内容包括：有限元与有限差分法基础、应用数值方法模拟材料成形的一般步骤，金属冲 压成形中的数值模拟，金属锻压成形中的数值模拟，金属焊接成形中的数值模拟等。 课程重点：金属冲压、锻压、焊接成型过程的数值模拟。 课程难点：非线性有限单元法、刚（黏）塑性有限元法、数值解的解的收敛性与误差控制、 热力耦合分析。
协同工作
模拟结果与设备控制的关联
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
1.教材：
傅建主编. 材料成形过程数值模拟.化学工业出版社，2009
2.参考书目：
① 刘劲松;张士宏;肖寒;李毅波. MSC.MARC在材料加工工程中的应用.中国水利水电出版 社,2010
材料成型数值模拟
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
第一讲 材料成形数值模拟概述
1. 引言 2. 工程意义及应用现状 3. 发展趋势
4. 课程要求、进度安排
塑性加工研究的两类方法 • 金属塑性成形
优点： • 生产效率高 • 产品质量稳定 • 原材料消耗少 • 有效改善金属的组织和力学性能 75％的钢材 缺点： • 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法 70％的汽车零部件
多孔材料压制成型过程的仿真实验研究
４ 结
语
［ ６ ］ 李 尚健 ． 金属 塑性成 形过 程模 拟 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 机 械 工 业
出 版社 。 ２ ０ ０ ２ ．
１ ） 自由锻 压时 ， 大变形 区域 主要 集 中在 中ｎ ｔ ｏ ｆ Ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｇ Ｆｏ ｒ ｍｉ ｎｇ ｏ ｆ Ｐｏ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍ ａｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ
１ ０ ４
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０ ０４ ０８ １ ２ １ ６ ２０ ２４ ２ ８ ３２ ３ ． ６ ４０
０ ０ ． ４ ０． ８ １ ． ２ １ ． ６ ２０ ２４ ２ ８ ３ ． ２ ３ ， ６ ４０
所产 生 的压力 对于 凸 模 远没 有 达 到 屈 服 ， 满足 所 需
的 强度要 求 ， 故 设计 达标 ．
［ ５ ］Ｔ ｏ ｓ ｈ ｉ ｏ Ｓ ａ ｎ ｏ ． Ｋ ｅ ｎ ｓ ｕ ｋ ｅ ｋ ａ ｔ ｏ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｄ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｓ ｉ ｎ ｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ －
力． ） 代入 相关 参数 ， 计算 可得
：Ｚ ： ３ ７ ： ｒ ｏ ＝— — — — — — － ＝ ／ ． ３ ｊ Ｍ Ｐａ ＜２３ ＜ ５ ＭＰ ． Ｍ ａ ０． ０ ４ ８‘ １ 『
复合材料制造过程仿真技术综述
复合材料制造过程仿真技术综述元振毅;王永军;蔡豫晋;郭俊刚;苏霞;孙博【摘要】复合材料制造过程仿真技术的有效应用可以在复合材料构件设计之初对其制造过程中可能出现的缺陷,如分层、孔隙、温度不均、变形等问题进行预测,从而为优化构件结构、调整工艺参数或模具型面提供依据.对目前复合材料设计制造领域常用的一些软件进行简要介绍,并针对目前复合材料制造过程温度场分布和固化变形仿真技术中存在的问题进行了阐述与讨论.%Using the simulation technology for the manufacturing process of composites,many defects such as delamination,void,uneven temperature field distribution and curing deformation can be predicted effectively in the design stage to optimize the component structure,adjust the process parameters and the tool surface.Some common softwares used in designing and manufacturing field of composites materials are briefly introduced and some problems in the simulation about temperature field distribution and curing deformation are reviewed and discussed.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】7页(P47-53)【关键词】复合材料;制造仿真;温度场;固化变形【作者】元振毅;王永军;蔡豫晋;郭俊刚;苏霞;孙博【作者单位】西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心,西安710072;西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心,西安710072;西北工业大学陕西省数字化制造工程技术研究中心,西安710072;中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089;中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089;中航工业西安飞机工业(集团)有限责任公司,西安710089【正文语种】中文先进树脂基复合材料（Advanced Polymeric Composites， APC），如不特别说明，本文后续提到的复合材料就指代先进树脂基复合材料）具有比强度高、比模量大、耐高温、抗腐蚀、可设计性强以及隐身性好等系列优点，20世纪70年代初即开始应用在飞机结构上，目前在航空领域得到广泛应用，继铝、钢、钛之后，迅速发展成航空4大结构材料之一。
基于COMSOL的树脂基复合材料固化成型过程多场耦合仿真
一、课题研究背景、现状与思路
课题 研究 背景
树脂基复合材料以其高比强度和比刚度、可设计性强以 及便于大面积复杂制件整体成型等优良特性，在航空航天等 高科技领域得到了广泛应用；
热压罐由于罐内较均匀的温度场和压力场以及成型制件 孔隙率低、力学性能稳定等优点，目前已成为大型飞机复合 材料承力构件的主要成型工艺；
五、 基于实验验证的复合材料制件形性协同制造
实验结果分析-帽型制件几何成形精度(厚度超差)
帽型加筋结构制件厚度超差测量位置
厚 度 超 差 \mm
3.5
无孔实测
无孔仿真
3.0
6mm孔 实 测
6mm孔 仿 真
12mm孔 实 测 12mm孔 仿 真
仿真结果分析-帽型制件树脂体积分数
无孔
20 18 16 14 12 10
8 6 4 2 0
Φ6mm孔
树脂分布不均匀性\%
18 15 12
8
0
6
12
20
孔径\mm
帽型制件树脂分布不均匀性
当硅橡胶芯模预制 调型孔孔径为12mm时， 辅助成型的帽型加筋 结构制件树脂分布较 均匀，不均匀性为8%。
Φ12mm孔
Gm )Vf Gm )Vf
G23
Gm km (Gm G23 f ) 2G23 f Gm km (Gm G23f ) 2G23 f Gm (km
km (G23 f Gm )Vf 2Gm )(G23f Gm )Vf
12
13
12f V f
复合材料制件固化成型过程数值模拟研究现状
目前大多数针对复合材料制件固化成型过程的研究仍停留在模 块化建模分析，或仅针对某一模块开展研究，或简单将一个模块 的分析结果导入另一模块，弱化这些现象之间的交互作用。 已有的针对固化成型过程的研究往往以等厚度层合板为结合对 象，而对变截面制件以及变截面、带曲率的帽型加筋结构制件的 固化成型过程有限元仿真模拟研究较少。
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单以 其限同对屈采载计模计对变材需计但仍是状因来热变形此用时体可计来艺元处缺元时于服用过算具算于形料要算对处在和此处加硬速，粘金，以算分过节理点法考小等增程残和工大量视用时于于材硬，理工化度在塑属建进，析程点几是主虑塑问量，余工作多较为应增每小料化可大（效具研性视立行刚拉位何所要。弹性题法又应件量数小刚力量次变以特以变再应有究本为了稳粘拔移非取适性变。分可力之繁体，塑应步增形前性用形结不较热构非相态塑、，线是用变形对析以应间重积可性变进量状的基小问晶显大加关牛应流性挤适性的于形所于。分变的。成以体增可变态累础变题温著的工系顿的动有压用和步分和求大既析及相过形忽。量取形，加之形，度，敏问。不有的限、于非长析塑的塑可卸回互去问略这进得来下变上的并以材感题把可限热元轧结稳不板性未性以载弹作弹题，种行大说一形进计且上料性时热压元力法制构态能料变知变分过、用塑，即方求一，步几行算计）对，要加缩列耦常等失问太成形量形析程以。性弹可法解些材计何的方算应变因采工流式合用工稳题大形，是，加，及可有性将不，，料算形，法模，，，，、 型较简单弯。曲刚等塑工性序有。限元法常用
塑性成形的数值模拟方法
? 上限法（Upper Bound Method ） – 用于分析较为简单的准稳态变形问题；
? 边界元法(Boundary Element Method) – 用于模具设计分析和温度计算 ；
? 有限元法（Finite Element Method ） – 用于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈现非稳 态，材料的几何形状、边界、材料的性质等都会发生很大 的变化。
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有限元法的基本原理（二）
? 它对问题的性质、物体的形状和材料的性质几乎 没有特殊的要求，只要能构成与有限个离散点相 关的总体方程就可以按照有限元的方法求解。
? 有限元法能考虑多种外界因素对变形的影响，如 温度、摩擦、工具形状、材料性质不均匀等。除 边界条件和材料的热力学模型外，有限元的求解 精度从理论上看一般只取决于有限元网格的疏密 。
? 现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模 具设计方面提出了更高的要求 。
? 若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不 当，则会在成型过程中产生缺陷，造成大量的次品 和废品，增加了模具的设计制造时间和费用。
? 传统工艺分析和模具设计，主要依靠工程类比和设 计经验，反复试验修改，调整工艺参数以消除成形 过程中的失稳起皱、充填不满、局部破裂等产品缺 陷，生产成本高，效率低。
用。
? 对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量， 并依据一定的原理建立各物理量之间的关系。
? 最后将各个单元建立起来的关系式加以集成，就 可得到一个与有限个离散点相关的总体方程，由
此求得各个离散点上的未知量，得到整个问题的
解。
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? 虽然有限元法的计算精度与所选择的单元种类，单元的大小等有 关，但随着计算机技术的发展，有限元法将提供高精度的技术结 果。
? 用有限元法编制的计算机程序通用性强，可以用于求解大量复杂 的问题，只需修改少量的输入数据即可。
? 由于计算过程完全计算机化，既可以减少一定的试验工作，又可 直接与CAD/CAM 实现集成，使模具设计过程自动化。
塑性加工过程数值模 拟
上机实验
材料模拟仿真实验室 贠冰
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主要内容
? 数值模拟的有限元法简介 ? 实验室简介 ? 上机实验软件Ansys简介 ? 上机实验内容及操作步骤 ? 上机分组
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? 利用有限元进行数值分析可以获得成形过程多方 面的信息，如成形力、应力分布、应变分布、变 形速率、温度分布和金属的流动方向等。
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有限元法的优点
? 由于单元形状具有多样性，使用有限元法处理任何材料模型，任 意的边界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生困难。 材料的塑性加工过程，基本上可以利用有限元法进行分析，而其 它的数值方法往往会受到一些限制。
? 能够提供塑性成形过程中变形的详细信息（应力应变场、速度场 、温度场、网格畸变等），为优化成形工艺参数及模具结构设计 提供详细而可靠的依据。
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有限元法的基本原理
? 将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个 自由度的单元集合体。
? 单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处 引入等效相互作用以代替单元之间的实际相互作
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模拟塑性加工过程的有限元法
? 弹塑性有限元法 ? 刚塑性有限元法 ? 刚粘塑性有限元法
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? 预测塑性成形过程顺利进行所需的成形力及能量 ，为正确选择加工设备和进行模具设计提供依据 。
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塑性成型过程数值模拟的必要性
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塑性加工过程 的有限元法
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成型过程数值分析方法的功能
? 在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立 运动学关系，预测塑性成形过程中材料的流动规 律，包括应力场、应变场的变化、温度场变化及 热传导等。
? 计算材料的成形极限，即保证材料在塑性变形过 程中不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可 能性。
? 随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快 速发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程 ，分析各工艺参数对成型的影响，优化设计。
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