材料成形过程模拟仿真优秀课件
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(完整版)材料成形过程模拟仿真
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。
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。
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。
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
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)
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。
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。
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。
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
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)
第3章材料的连接成形优秀课件
为了保证焊缝质量，要从以下两方面采取措施：
(1) 减少有害元素进入熔池。 (2) 清除已进入熔池中的有害元素，增添合金元素。
焊接接头的组织和性能
熔化焊是局部加热 过程，焊缝及其附近的 母材都经历一个加热和 冷却的过程。
在焊接加热和冷却 过程中，焊接接头上不 同位置的点所经历的最 高加热温度不同，加热 速度和冷却速度也不相 同。都相当于受到一次 不同规范的热处理。
使用直流弧焊电源时，当焊件厚度较大，要求较大热量， 迅速熔化时，宜将焊件接电源正极，焊条接负极，这种接法 称为正接法，当要求熔深较小，焊接薄钢板及有色金属时， 宜采用反接法，即将焊条接正极、焊件接负极。当使用交流 弧焊电源焊接时，由于极性是交替变化的，因此，两个极区 的温度和热量分布基本相等。
焊接的冶金过程特点: 进行电弧焊时，母材和焊条受到电弧高温作用而熔化形
成熔池。金属熔池可看作一个微型冶金炉，其内要进行熔化、 氧化、还原、造渣、精炼及合金化等一系列物理化学过程。 由于大多数熔焊是在大气空间进行，金属熔池中的液态金属 与周围的熔渣及空气接触，产生复杂、激烈的化学反应，这 就是焊接冶金过程。
焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼的过程，它与炼钢和铸 造冶金过程比较，有以下特点 ： (1) 金属熔池体积很小(约2～3cm2)，被冷金属包围，故熔池处于液 态的时间很短(10s左右)，各种冶金反应进行得不充分(例如冶金 反应产生的气体来不及析出)。 (2) 熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发。同时，熔池周围又 被冷的金属包围，常使焊件产生应力和变形，甚至开裂。
3)焊接热影响区
(1) 过热区 过热区紧靠着熔合区，该区加热温度达固相线至1100℃， 宽度约1～3mm。因受高温影响，晶粒急剧长大，甚至产生 过热组织，因而其塑性和冲击韧性降低，特别是对于容易 淬火硬化的钢材，其危害性更大。
(1) 减少有害元素进入熔池。 (2) 清除已进入熔池中的有害元素，增添合金元素。
焊接接头的组织和性能
熔化焊是局部加热 过程，焊缝及其附近的 母材都经历一个加热和 冷却的过程。
在焊接加热和冷却 过程中，焊接接头上不 同位置的点所经历的最 高加热温度不同，加热 速度和冷却速度也不相 同。都相当于受到一次 不同规范的热处理。
使用直流弧焊电源时，当焊件厚度较大，要求较大热量， 迅速熔化时，宜将焊件接电源正极，焊条接负极，这种接法 称为正接法，当要求熔深较小，焊接薄钢板及有色金属时， 宜采用反接法，即将焊条接正极、焊件接负极。当使用交流 弧焊电源焊接时，由于极性是交替变化的，因此，两个极区 的温度和热量分布基本相等。
焊接的冶金过程特点: 进行电弧焊时，母材和焊条受到电弧高温作用而熔化形
成熔池。金属熔池可看作一个微型冶金炉，其内要进行熔化、 氧化、还原、造渣、精炼及合金化等一系列物理化学过程。 由于大多数熔焊是在大气空间进行，金属熔池中的液态金属 与周围的熔渣及空气接触，产生复杂、激烈的化学反应，这 就是焊接冶金过程。
焊缝的形成，实质是一次金属再熔炼的过程，它与炼钢和铸 造冶金过程比较，有以下特点 ： (1) 金属熔池体积很小(约2～3cm2)，被冷金属包围，故熔池处于液 态的时间很短(10s左右)，各种冶金反应进行得不充分(例如冶金 反应产生的气体来不及析出)。 (2) 熔池温度高，使金属元素强烈的烧损和蒸发。同时，熔池周围又 被冷的金属包围，常使焊件产生应力和变形，甚至开裂。
3)焊接热影响区
(1) 过热区 过热区紧靠着熔合区，该区加热温度达固相线至1100℃， 宽度约1～3mm。因受高温影响，晶粒急剧长大，甚至产生 过热组织，因而其塑性和冲击韧性降低，特别是对于容易 淬火硬化的钢材，其危害性更大。
材料成型计算机模拟分析(各种仿真软件介绍)课件
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• 现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、 高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发 展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。 20 多年来，随着计算机技术和数值仿真技
• 术的发展，出现了计算机辅助工程分析 (Computer Aided Engineering)这一新兴的技术， 该技术在成形加工和模具行业中的应用，即模 具CAE。模具CAE 是广义模具CAD/CAM 中的一 个主要内容，现已在实际中体现出了越来越重 要的作用，也得到越来越广泛的应用。
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有限元法分析的基本
过程
• 根据有限元法的基本概念，其分析过程概括起来有如下 内容，现以连续结构的应力应变分析为例，逐
• 步加以说明。
•
有限元分析的第一步是结构的离散化，这也是有
限元法的基础。简单来说，离散化就是将结构划分成
• 为有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，将相 邻单元体通过节点连接起来组成单元的集合体，并
优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模 块、DMAP 用户开发工具模块及高级对称分析 模块。
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• 结构动力学分析是MSC.NASTRAN 的主要强项 之一，其主要功能包括：正则模态及复特征值 分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随 机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度 分析等。
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• 从数学角度理解，是将图7-1 所示的求解区域 剖分成许多三角形子区域，子域内的位移可以 由相应各节点的待定位移合理插值来表示。根 据原问题的控制方程（如最小势能原理）和约 束条件，可以求解出各节点的待定位移，进而 求得其它场量。推广到其它连续域问题，节点 未知量也可以是压力、温度、速度等
材料成形过程模拟仿真
MSC.Mvision
MSC.Mvision 是一个全面商品化的材料数据信息系统，包括 大量应用于航空航天和汽车行业的 材料数据，可以为用户提供 最丰富、最广泛的材料数据信息，如材料的构成图象(含金相)， 材料的成分含量，材料的各种特性数据，材料数据的测试环境 信息，生产厂家及材料出厂牌号数据等，并可将材料特性作为 设计变量用于设计、分析阶段的整个过程。Mvision的材料构 造器和评估器可帮助用户建立和评估自己的材料数据信息系统。
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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塑性成型过程数值模拟的必要性
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。 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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材料成形过程模拟
2. 机器造型：填砂、紧实、起模等操作由机器来完成。
其生产率高，铸型质量好。但投资大，准备生产周期长， 主要用于成批大量生产。
二、砂型铸造常见缺陷
1.内部缺陷：气孔、缩孔、缩松、砂眼； 2.表面缺陷：粘砂、夹砂； 3.应力裂纹：热裂、冷裂等； 4.其他：浇不足、冷隔、错箱等。
第三节 特种铸造
特种铸造是指除砂型铸造以外的铸造方法。
发展出各种新的铸造方法。
一、金属型铸造（permanent mould casting）
又称永久型铸造。其为将液体金属浇入金
属铸型，获得铸件的一种铸造方法。铸型是
用金属制成，可以反复使用多次。
★
（一）金属型铸造的生产特点：
1.可承受多次浇注，便于实现机械化； 2.铸件精度和表面质量高，节约材料； 3.铸件的结晶组织致密，力学性能高。 4.但金属型成本高，生产周期长； 5.铸造工艺严格，易出现浇不足、冷隔、裂纹等缺 陷；
6.铸件的形状和尺寸受一定的限制。
（二）金属型铸造的适用范围：
大批量生产的、形状简单的有色合金铸件。 如飞机、汽车、拖拉机、内燃机的铝活塞、气缸 体、缸盖、油泵壳体以及铜合金轴瓦、轴套等。
三、压力铸造（die casting）
并在压力下凝固，以获得铸件的方法。
（一）优点
其为将熔融的金属在高温、高压下，快速射入金属型，
材料成形过程模拟
第一章 金属液态成形过程
金属的液态成形和固态成形都是制造业获得产品
的主要手段。
液态金属 浇注 模具型腔 凝固 固态产品
第一节 金属铸造工艺简介
金属铸造（foundry,casting）
1. 定义：将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状尺
寸相适应的铸型型腔（mold cavity）内,待其冷却凝固
材料成型数值模拟课件
体
模
型
炉 内 流 场
工 件 内 部 温 度 场
轮毂轴承套圈轧制毛坯优化
3、数值模拟软件介绍
¾常用有限元模拟软件
z国外
)DEFORM )ABAQUS )ANSYS )FORGE )DYNAFORM )MSC.MARC
z国内
)SHEETFORM（北航） )CASFORM（山东大学） )MAFAP（北京机电研究所）
（2）热处理
¾模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程 ¾预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量 ¾专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散 ¾可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布 ¾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
DEFORM用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间 复杂的相互作用。拥有相应的模块以后，这些耦合效应将 包括：由于塑性变形功引起的升温、加热软化、相变控制 温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影 响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等
z体积成形技术是先进重大装备基础核心零部件制造关键
)轴承轧制、齿轮摆辗成形可节能20-30%，节材15-30%，降低成本20%
改善组织、提高性能
塑 优点 性 成 形 缺点
节约材料和切削加工工时 生产效率高
不能直接成形形状复杂零件
需重型机械设备和复杂工模具
生产现场劳动条件差
¾塑性成形工艺特点
z加工工艺的多样性
代价低、效率高、通用性好 基于简化和假设 精度差、适用简单变形问题
可靠性好 代价高、效率低 影响因素多、重复性差
兼顾精度和效率 代价低 直观显示变形过程 求解复杂变形问题
¾材料成型数值模拟
--精密成形技术研究开发不可缺少的关键主流技术
材料成形过程模拟仿真ppt课件
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性成型过程数值模拟的必要性
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。
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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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
.
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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塑性加工过程的 有限元法
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
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。
塑性成型过程数值模拟的必要性
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。
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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
.
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
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
塑性加工过程的 有限元法
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
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。
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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。
著名有限元分析软件
ABAQUS：大型有限元软件,广泛模拟性能,杰出的非线性分析 能力
ALGOR：大型通用有限元分析、机械动力仿真软件 ADINA：大型通用有限元分析 HyperWorks：世界领先、功能强大的CAE应用软件包 COMSOL Multiphysics(原FEMLAB) ：功能强大的专业多物
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。
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。
理场耦合CAE分析软件 Deform MSC系列：Nastran、ADAMS、Marc、Autoforge等 Ansys
材料加工模拟实 验室简介
材料模拟仿真实验室
地点:创业楼314（材料学院实验测试中心） “211工程”实验室 实验室由一台惠普小型机服务器、两台IBM工
作站及36台PC机构成局域网。 大型软件：Marc、Ansys、 Patran、
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。
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。
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。
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。
塑性成型过程数值模拟的必要性
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。
材料成形过程模拟仿 真
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
塑性加工过程的 有限元法
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。
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。
Autoforge、 Mvision、Tarc是功能齐全的高级非线性有限元 求解器，提供了丰富的单元库，多种 复杂特性的材料模型，可以进行复杂 边界条件下的结构、温度场、电场、 磁场分析，还可以进行流-热-固、土壤 渗流、声-结构、电-磁、电-热以及热结构等多场耦合模拟；Marc支持多 CPU分析和大规模并行处理，提供了 开放式用户环境，各种子程序接口使 用户能方便地访问并修改程序设置， 极大地扩展了Marc的分析能力。
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。
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。
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
的对形视应量增状累之的同于节等量又力间性过热硬度研本非应流有轧步于量为力量态加计步上时小点问可应的去法和限加化具究牛的动制构长大较刚应变，变算进进考塑位题以变相弹分非元工效有热顿有的等关不多小塑变形下形方可行虑性移。分及互塑析稳法（应较加不限热工系能数，性增来一几法取的弹变，对析回作性。态常再不大工可元力艺。太体 可 体 量 说 步 何 来得，性形适于卸弹用有既问用结显的问压列耦过把大积以。进，计形处大因变所用大载、。限可题来晶著敏题缩式合程热，成忽这行材算状理一此形求于塑过以可元以，分温，感时流，计加计。形略种求料是和大些，和的结性程及以法分其析度材性要体可算工算问，方解仍在硬变，可塑未构变，模处主析缺拉以料，采，以，时工题即法，处材化形但以性知失形计具理要加点拔上对因用建进刚金作，可不计于料特问对用变量稳，算和几适载是、）变此粘立行粘属量弹将需算小以性题于小形是，采残工何用过所挤应形，塑了稳塑视繁性材要时变前基，每变，单屈用余件非于程取压变速在性相态性为重变料用增形的础并次形对元服增应之线分，是、。 且计析算板模料型成较形简、单弯。曲刚等塑工性序有。限元 法常用于一些金属的冷加工问题。
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。
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。
塑性成形的数值模拟方法