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塑性成形数值模拟讲稿-1
金属塑性成形过程数值模拟
2005年5月
一、金属塑性成形理论分析方法
• 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
70％的汽车零部件
缺点：
• 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方 法
• 虚拟制造
概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生 产过程的模拟。
• 塑性加工工艺特点
• 加工工艺的多样性 锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔
• 变形行为的复杂性 变形机理的复杂性 变形金属材料性能的可变性 接触界面与摩擦作用
• 塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法 主应力法 滑移线法 上限法
• 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
• 常用的有限元模拟软件
国外： DEFORM、AUTOFORGE、DYNAFORM、ANSYS、 ABAQUS、MARC
国内： S-FORM、CASFORM、MAFAP
二、塑性加工中的有限元法
功能最强、精度最高、解决问题的范围最广
• 塑性有限元法的分类
• 刚塑性有限元法 不计弹性变形，采用列维－米席斯（Levy-Mises）方程 和米席斯（Mises）区分准则，求解的未知量为节点速度。
• 弹塑性有限元法
弹性区采用虎克定律，塑性区采用普朗特－劳斯 （Prandtl-Reuss）方程和米席斯（Mises）区分准则，求 解的未知量为节点位移。
将虚Байду номын сангаас制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过 程虚拟仿真（模拟分析）最为重要。
对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模 具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动 规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行 优化分析。
2005年5月
一、金属塑性成形理论分析方法
• 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
70％的汽车零部件
缺点：
• 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方 法
• 虚拟制造
概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生 产过程的模拟。
• 塑性加工工艺特点
• 加工工艺的多样性 锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔
• 变形行为的复杂性 变形机理的复杂性 变形金属材料性能的可变性 接触界面与摩擦作用
• 塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法 主应力法 滑移线法 上限法
• 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
• 常用的有限元模拟软件
国外： DEFORM、AUTOFORGE、DYNAFORM、ANSYS、 ABAQUS、MARC
国内： S-FORM、CASFORM、MAFAP
二、塑性加工中的有限元法
功能最强、精度最高、解决问题的范围最广
• 塑性有限元法的分类
• 刚塑性有限元法 不计弹性变形，采用列维－米席斯（Levy-Mises）方程 和米席斯（Mises）区分准则，求解的未知量为节点速度。
• 弹塑性有限元法
弹性区采用虎克定律，塑性区采用普朗特－劳斯 （Prandtl-Reuss）方程和米席斯（Mises）区分准则，求 解的未知量为节点位移。
将虚Байду номын сангаас制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过 程虚拟仿真（模拟分析）最为重要。
对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模 具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动 规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行 优化分析。
《金属塑性成形》PPT课件
2 . 影响可锻性的因素 1）金属的化学成分及组织 ①化学成分： 含碳量低，则塑性较好，可锻性就好，一般 纯金属的可锻性好于合金；含有形成碳化物的元素(如W、 Cr等)，则可锻性就差。 ②组织状态：单相固溶体具有良好的可锻性。
16
2）工艺条件
①变形温度： T温越高，材料的可锻性越好。
②变形速度： V变越小，材料的可锻性越好。
39
5）在可能条件下，应采用锻—焊组合工 艺，以简化锻造工艺 和降低制造成本。
40
第三节、板料冲压
板料冲压是借助于常规或 专用设备，对坯料施加外 力，并使其在模具内分离 或变形，从而获得一定形 状、尺寸的零件或毛坯的 加工方法。冲压一般在冷
态下进行，故又称冷冲压。
板料冲压加工概述
41
• 冲压生产中常用的板料有 各种牌号的钢板与有色金 属(铜、铝及其合金)板料。 这里的板料泛指板、带、 条和箔材。
τ
τ
9
2）孪生： 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。
2. 多晶体的塑性变形
晶内变形
滑移 孪生
滑动 晶间变形
转动
多晶体塑性变形的实质：
晶粒内部发生滑移和孪生；同时晶 粒之间发生滑移和转动。
10
二、塑性变形后金属的组织和性能
• 金属塑性变形时，在改变其形状和尺寸的同时，其内部组织结构以及各种性 能均发生变化。塑性变形时的温度不同，金属变形后的组织和性能也有所不 同。因此，金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。冷变形是指金属在再 结晶温度以下进行的塑性变形；热变形是指金属在再结晶温度以上进行的塑 性变形。
纤维组织的稳定性很高，
靠通常的热处理无法消除。
只有经过锻压使金属变形，
才能变其方向和形状。因
16
2）工艺条件
①变形温度： T温越高，材料的可锻性越好。
②变形速度： V变越小，材料的可锻性越好。
39
5）在可能条件下，应采用锻—焊组合工 艺，以简化锻造工艺 和降低制造成本。
40
第三节、板料冲压
板料冲压是借助于常规或 专用设备，对坯料施加外 力，并使其在模具内分离 或变形，从而获得一定形 状、尺寸的零件或毛坯的 加工方法。冲压一般在冷
态下进行，故又称冷冲压。
板料冲压加工概述
41
• 冲压生产中常用的板料有 各种牌号的钢板与有色金 属(铜、铝及其合金)板料。 这里的板料泛指板、带、 条和箔材。
τ
τ
9
2）孪生： 晶体的一部分相对一部分沿一定的晶面发生相对转动。
2. 多晶体的塑性变形
晶内变形
滑移 孪生
滑动 晶间变形
转动
多晶体塑性变形的实质：
晶粒内部发生滑移和孪生；同时晶 粒之间发生滑移和转动。
10
二、塑性变形后金属的组织和性能
• 金属塑性变形时，在改变其形状和尺寸的同时，其内部组织结构以及各种性 能均发生变化。塑性变形时的温度不同，金属变形后的组织和性能也有所不 同。因此，金属的塑性变形分为冷变形和热变形两种。冷变形是指金属在再 结晶温度以下进行的塑性变形；热变形是指金属在再结晶温度以上进行的塑 性变形。
纤维组织的稳定性很高，
靠通常的热处理无法消除。
只有经过锻压使金属变形，
才能变其方向和形状。因
塑性成型数值模拟理论绪论
2. 几何方程：（6个方程，9个未知量）
γ xy = γ yx = (
γ yz = γ zy γ zx = γ xz
1 ∂u ∂v + ) 2 ∂y ∂x 1 ∂v ∂w = ( + ) 2 ∂z ∂y 1 ∂w ∂u = ( + ) 2 ∂x ∂z
塑性成形基本方程2 塑性成形基本方程
3. 本构方程：（6个方程，5个独立）
1 [σ x − (σ y + σ z )] σ 2 dε 1 dε y = [σ y − (σ z + σ x )] σ 2 dε 1 dε z = [σ z − (σ x + σ y )] σ 2 3 dε τ xy dγ xy = 2σ 3 dε τ yz dγ yz = 2σ 3 dε dγ zx = τ zx 2σ dε x = dε
数值模拟发展趋势2 数值模拟发展趋势
1. 耦合分析
–
与损伤演变耦合
塑性加工可能产生内部缺陷，可能影响工件的寿命，提出损 伤（微裂纹）概念。 损伤D由物理场变量引起，如何建立D与场变量之间的定量 关系是一个难点。
2. 精度控制
–
成形工件多样化，影响塑性成形因素复杂化（摩擦、 材料内部的不均匀性），控制模拟精度比较困难，特 别是三维仿真和大型钣料成形。
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有限元发展概况
1. 有限元的起源 – 50年代末最早应用于分析飞机结构件受力分析 2. 常用于分析塑性加工问题的FEM FEM – 弹性有限元法：利用广义Hook定理建立应力应变关系，适用于 结构分析。 – 弹塑性有限元：1967年Marcal和King提出，采用Prantl-Ruess 方程，应用弹性有限元思路，建立增量之间的定量关系。应用 于小变形和求解残余应力和变形问题。 – 刚塑性有限元：1973年Kobayashi提出，认为材料是理想刚塑 性材料，采用变分原理求解大变形问题。目前应用最广。
塑性成形技术基础.ppt
' ij
（2-21）
d 3 dt 2
4）全量理论 （1）基本假设条件 ①理想刚塑性材料的假设； ②塑性变形和弹性变形属同一量级； ③加载过程符合简单加载条件，则应力偏 张量的各个分量与应变偏张量的各个分量
成正比。
（2）伊留申理论
3 式中： 2
1 时， 、 1； 当
0 、 2 / 3。 由 时， 2
2 3
( )/2 2 1 3
1 变化至
3
时，相应的 值变化范围为 1～ 2 / 3。现以 为纵坐标， 为横坐标 ,得 随 变化的几 何图形，如图所示。
图2-14 三向同号和异号应力状态下的屈服准则
根据屈服准则可知，为了使该单元体发 生塑性变形，对于三向压力状态时应满足：
即：
1 3 s
s 1 3
对于而两压一拉应力状态时应满足： 即：
1 3 s s 3 1
显然，第一种情况下 1 的绝对值（即变形抗力） 要比第二种情况下的大。
（2-13）
（3）塑性方程
2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 6 ( ) 2 x y y z z x x y y z z x s 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 1 2 2 3 3 1 s
2
1
2.4 塑性变形时应力应变关系 分析塑性变形问题，需要知道塑性 变形时，应力状态和应变状态之间的关 系。这种关系的数学表达式叫做本构方
程，也称物理方程。
1）塑性变形时应力应变关系的特点 弹性变形时，应力与应变成线性关系。 弹性变形是可逆的，应变由应力状态唯一确 定，和应力状态如何达到的历史无关。应力 应变之间的这种线性关系，可由广义虎克定
（2-21）
d 3 dt 2
4）全量理论 （1）基本假设条件 ①理想刚塑性材料的假设； ②塑性变形和弹性变形属同一量级； ③加载过程符合简单加载条件，则应力偏 张量的各个分量与应变偏张量的各个分量
成正比。
（2）伊留申理论
3 式中： 2
1 时， 、 1； 当
0 、 2 / 3。 由 时， 2
2 3
( )/2 2 1 3
1 变化至
3
时，相应的 值变化范围为 1～ 2 / 3。现以 为纵坐标， 为横坐标 ,得 随 变化的几 何图形，如图所示。
图2-14 三向同号和异号应力状态下的屈服准则
根据屈服准则可知，为了使该单元体发 生塑性变形，对于三向压力状态时应满足：
即：
1 3 s
s 1 3
对于而两压一拉应力状态时应满足： 即：
1 3 s s 3 1
显然，第一种情况下 1 的绝对值（即变形抗力） 要比第二种情况下的大。
（2-13）
（3）塑性方程
2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 6 ( ) 2 x y y z z x x y y z z x s 2 2 2 2 ( ) ( ) ( ) 2 1 2 2 3 3 1 s
2
1
2.4 塑性变形时应力应变关系 分析塑性变形问题，需要知道塑性 变形时，应力状态和应变状态之间的关 系。这种关系的数学表达式叫做本构方
程，也称物理方程。
1）塑性变形时应力应变关系的特点 弹性变形时，应力与应变成线性关系。 弹性变形是可逆的，应变由应力状态唯一确 定，和应力状态如何达到的历史无关。应力 应变之间的这种线性关系，可由广义虎克定
《塑性成形工艺》PPT课件
轴类锻件结构
第二节 自由锻
2、尽量减少辅助结构 不设计加强筋、凸台
（a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构
盘类锻件结构
第二节 自由锻
3、不能有空间曲线
（a）工艺性差的结构 （b）工艺性好的结构
杆类锻件结构
第二节 自由锻
4、复杂零件可设计成简单零件的组合
（a）工艺性差的结构
（b）工艺性好的结构
加工余量。 （2）锻造公差 在实际生产中，由于各种因素的影响，锻件的实
际尺寸不可能达到锻件的公称尺寸，允许有一定限度的误差，叫做锻 造公差。
（3）余块 为了简化锻件外形或根据锻造工艺需要，在零件的某 些地方添加一部分大于余量的金属，这部分附加的金属叫做锻造余块， 简称余块。
第二节 自由锻
第二节 自由锻
材料 钢材 工业纯铜
再结晶温度 480~600 200~270
热锻温度 1250~800 800~600
第一节 压力加工基本原理
锻造比
在塑性成形时，常用锻造比(Y)来表示变形程度 。锻造比的计算公式与变形方式有关，通常用变形 前后的截面比、长度比或高度比来表示：
❖
拔长
y拔=A0/A1=L1/L0
❖
第十三章 压力加工
第一节 压力加工基本原理 第二节 自由锻 第三节 模锻 第四节 板料冲压
第十三章 压力加工
压力加工：使金属坯料在外力作用下产生 塑性变形，以
获得所需形状、尺寸和机械性能的原材料、毛坯和零件的加 工方法。
机械性能高
特点 节省金属
易实现机械化和自动化，生产效率 高
第一节 压力加工基本原理
第一节 压力加工基本原理
三、金属的变形规律
1、体积不变定律： • 由于塑性变形时金属密度的变化很小，可认为
最新第1章塑性成形CAE技术PPT课件
1.3.3DEFORM功能
• （1)成形分析 • 冷、温、热锻的成形和热传导耦合分析。
• 丰富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钛 合金和超合金。
• 用户自定义材料数据库允许用户自行输入材料 数据库中没有的材料。提供材料流动、模具充 填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形 成和韧性破裂等信息。
• 刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别 适用于大变形成形分析。
• （3）生产效率高。
• （4）尺寸精度高。
1.3DEFORM-3D软件
• DEFORM-3D是针对复杂金属成形过程的 三维金属流动分析的功能强大的过程模 拟分析软件。是一套基于工艺模拟系统 的有限元系统，专门设计用于分析各种 金属成形过程中的三维（3D）流动，提 供极有价值的工艺分析数据及有关成形 过程中的材料和温度流动，典型的 DEFORM-3D应用包括锻造、摆碾、轧制、 旋压、拉拔和其他成形加工手段。 DEFORM-3D是模拟3D材料流动的理想 工具。
1.3.3DEFORM功能
• （2)热处理 • 模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程。
• 预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量。
• 专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散。
• 可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度 分布。
• 可以分析各种材料晶相，每种晶相都有自己的 弹性、塑性、热和硬度属性。 。
1.3.3DEFORM功能
• 弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问 题。
• 烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形。
• 完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上 成形、螺旋压力成形和机械压力成形。
• 用户自定义子函数允许用户定义自己的材料模 型、压力模型、破裂准则和其他函数。
塑性成型中的数值模拟
一、塑性成型数值模拟概述：塑性加工过程的有限元数值模拟，可以获得金属变形的详细规律，如网格变形、速度场、应力和应变场得分布规律，以及载荷-行程曲线。
通过对模拟结果的可视化分析，可以在现有模具设计上预测金属的流动规律，包括缺陷的产生。
利用得到的力边界条件对模具进行结构分析，从而改进模具设计，提高模具设计的合理性和模具的使用寿命，减少对模具重新设置的次数。
复杂横截面铝型材挤压模具的设计与数值模拟分析1．铝合金型材应用背景铝合金型材广泛用于建筑建材、交通运输、航空、航天、电子电器等领域。
铝合金型材产品成形的质量取决于对模具结构的合理设计及各种尺寸因素是否得当。
而目前, 国内行业存在的普遍现状仍是通过经验类比的方法设计模具, 模具的一次试模成功率大概只有50% ~ 6 0% 。
采用数值模拟的手段对设计进行验证和反馈, 提高设计的成功率, 有着很大的发展前景。
2．设计分析方案本文选取一个特定的复杂横截面型材, 分析其模具的设计方案; 建立了挤压过程的有限元模型, 利用基于任意拉格朗日欧拉法( A L E) 的Hyperxtrude 专用模块,对铝合金型材的挤压过程进行模拟分析。
通过对模具设计方案的数值模拟, 重点对坯料在模具中不同位置的速度分布结果进行分析, 并对比实际试模情况, 对模具的设计方案进行了修正, 探讨了在挤压工艺中通过模具结构的调整, 实现对金属流动进行控制, 以改善模腔内的材料流动, 获得合格的型材产品。
3．针对问题图2 为某型材厂生产的具有复杂横截面尺寸的产品。
由于型材断面的外接圆直径达到Φ236.3mm,比挤压棒料的直径尺寸大了约20 % , 因此需要对材料进行比较大的宽展成形。
为减轻模具上模分流桥部位的压力, 以及尽量减少上模的宽展角度, 需要做一块导流板以保护上模和引导金属向两边流动如图3所示a、导流板b、上模c、下模图 4 所示为导流板端面向下50mm 处截取平面的金属流动速度分布图, 由图可见, 导流板上由于中间位置的分流孔往右边倾斜向下供料,导致金属较多的被拖向右边的分流孔, 导致金属在右边的分流孔中流动比左边的分流孔流动快。
塑性成形工艺基础ppt课件
组织；
ψ
σb
δ
A
A+F
A+L
E
A+Fe3CII
400
温度 °C
P+F
P+Fe3CII
26
锻造温度范围
始锻温度和终锻温度间的温度范围
始锻温度过高，容易产生氧化、脱碳、过热、
过烧等缺陷
(自由锻造录像)
过热：晶粒过分粗大
过烧：晶界氧化或熔化
27
碳钢的锻造温度范围：
破碎并分散碳化物和非金属夹杂物的分布；
锻合内部孔隙和缩松
强度和抗疲劳性能得以提高，特别是塑性、韧性提 高较大。
17
变形程度的表示方法
• 锻造比：拔长时，S前/S后； 镦粗时：H前/H后
• 相对弯曲半径 • 拉深系数 • 翻边系数
18
（2)纤维组织的影响
在塑性变形过程中，晶粒和晶间杂质都沿着变
形最大方向伸长；再结晶后，晶ຫໍສະໝຸດ 恢复成等轴晶，而12% 30%
ZG45与轧制45的性能比较
580 610
320 360
ZG45 轧制45
性能
12 16
1
2
3
11
塑性成形工艺特点
（2）材料利用率高；
仅依靠形状变化和体积转移来实现。
（3）生产效率高；
生产自动化、机械化
（4）尺寸精度高。
少、无切削加工，向近净成形发展
12
塑性成形工艺不足
产品的形状（特别是内腔）不能太复杂。
1.塑性成形工艺方法及分类
塑性成形
一次塑性加工
二次塑性加工
轧制 挤压 拉拔 自由锻造 模型锻造 冲压
3
二次塑性加工
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• 常用的有限元模拟软件
国外： DEFORM、AUTOFORGE、DYNAFORM、ANSYS、 ABAQUS、MARC
国内： S-FORM、CASFORM、MAFAP
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。20. 9.2320.9.23Wednesday, September 23, 2020
二、塑性加工中的有限元法
功能最强、精度最高、解决问题的范围最广
• 塑性有限元法的分类
• 刚塑性有限元法 不计弹性变形，采用列维－米席斯（Levy-Mises）方程 和米席斯（Mises）区分准则，求解的未知量为节点速度。
• 弹塑性有限元法
弹性区采用虎克定律，塑性区采用普朗特－劳斯 （Prandtl-Reuss）方程和米席斯（Mises）区分准则，求 解的未知量为节点位移。
• 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。下午4时33分39秒下午4时33分16:33:3920.9.23
谢谢观看
• 10、人的志向通常和他们的能力成正比例。16:33:3916:33:3916:339/23/2020 4:33:39 PM
• 11、夫学须志也，才须学也，非学无以广才，非志无以成学。20.9.2316:33:3916:33Sep-2023-Sep-20
• 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。16:33:3916:33:3916:33Wednesday, September 23, 2020
金属塑性成形过程数值模拟
2005年5月
一、金属塑性成形理论分析方法
• 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
70％的汽车零部件
缺点：
• 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方 法
• 虚拟制造
概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生 产过程的模拟。
• 塑性加工工艺特点
• 加工工艺的多样性 锻造 冲压 轧制 挤压 拉拔
• 变形行为的复杂性 变形机理的复杂性 变形金属材料性能的可变性 接触界面与摩擦作用
• 塑性加工工艺模拟分析方法
• 解析法 主应力法 滑移线法 上限法
• 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
• 13、志不立，天下无可成之事。20.9.2320.9.2316:33:3916:33:39September 23, 2020
• 14、Thank you very much for taking me with you on that splendid outing to London. It was the first time that I had seen the Tower or any of the other famous sights. If I'd gone alone, I couldn't have seen nearly as much, because I wouldn't have known my way about.
将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过 程虚拟仿真（模拟分析）最为重要。
对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模 具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动 规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行 优化分析。
这样就可以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要 问题在设计阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化、最 优化、和柔性化为特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业 的科学化水平。
。2020年9月23日星期三下午4时33分39秒16:33:3920.9.23
• •
T H E E N D 15、会当凌绝顶，一览众山小。2020年9月下午4时33分20.9.2316:33September 2ห้องสมุดไป่ตู้, 2020
16、如果一个人不知道他要驶向哪头，那么任何风都不是顺风。2020年9月23日星期三4时33分39秒16:33:3923 September 2020