数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用
9 金属塑性成形有限元软件应用介绍
金属塑性成形原理
进行单元分析时，需要把单元内的任一点的位移分量表示成坐标 的某种函数，该函数称为位移函数。
多项式形式的位移函数应用最为广泛。多项式的次数越高，计算结 果越精确。在实际中，取有限次多项式来获得近似解。
位移函数的次数对计算精度的影响
金属塑性成形原理
位移函数的多项式形式： 实际工程应用中，插值函数多项式一般取1~3次。
金属塑性成形原理
第九章 金属塑性成形有限元软件应用
内容提纲
一、有限元基本原理简介 二、 Ansys软件简介 三、Abaqus软件简介 四、Deform-3D软件简介 五、Dynaform软件简介
金属塑性成形原理
金属塑性成形原理
第一节 有限元基本原理简介
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。由 于采用类型广泛的边界条件，对工件的几何形状几乎没有什么限制和求解 精度高而得到广泛的应用。有限元法在40年代提出，通过不断完善，从 起源于结构理论、发展到连续体力学场问题，从静力分析到动力问题、稳 定问题和波动问题。随着计算机技术的发展与应用，为解决工程技术问题， 提供了极大的方便。
➢几何对称的变形体，利用其对称性，只选择对称部分进行网格划分。
金属塑性成形原理
二、位移函数的选择 ✓结构离散化后，要对单元进行力学特性分析。 ✓单元分析是有限元计算的核心，其任务是建立单元的结点力与结点 位移之间的关系，即建立单元的刚度矩阵。 ✓由弹性或塑性力学方程分析应力与应变，建立结点位移和内部应力 的关系，现借助虚功方程，导出单元结点力与结点位移的关系。
针对该问题研究者们提出了几种不同的处理方法， 典型的有拉格朗日（Lagrange）乘子法，罚函数法。
金属塑性成形原理
有限元模拟在金属塑性成形中的应用
! " " " # " 上海交通大学 摘要 关键词 翟福宝 林新波 张质良 夏萼辉 本文系统介绍了有限元法的发展现状和关键技术， 结合实例说明了有限元模拟技术在 有限元 金属塑性成形 模拟
塑性成形领域的具体应用， 并对其存在的问题和发展方向提出了自己的见解。 分类号 % & # " ’ ! # $ % & ’ $ ( )( *+ ,$ . / # & ’ $ ( ) $ ). 0 ’ & # * ( 1 . $ ) " " 2 ， ， ， $ )7 $ ) 5 (3 4 & ) 4 $ # $ & ) $ &, 4 / $ 3 4 & $ + / 5 & (6 23 27 ： ! 5 ’ 1 & % ’% ( ) * + , , ) . / ) 0 ) 1 2 4 ) . 5 6 . + 7 . 6 2 7 /8 ) . ) * ( 6 + ) 2 ; < = >( 7 5 ? ) ) 6 . , 2 / + * ) / * 2 4 @ 3 9 : ? 6 ) /A 6 . (3 , 7 * . 6 * 7 1 ) B 7 4 1 ) 5 2 ;4 ) . 7 1 ; 2 , 4 6 , 2 * ) 5 5 7 5A ) 1 1 7 5 7 ? , 6 ) ; * 2 4 4 ) . 2 ) B 6 5 . 6 , 2 ? 1 ) 4 5 3 C3 C3 7 / ; + . + , ) . ) / ) * D 9 ： ， 8 0 : ( 1 ; < =， > ) . 7 1 ; 2 , 4 6 E 6 4 + 1 7 . 6 2 C 9 < 引言 金属塑性加工的变形过程是一个非常复杂的弹 塑性大变形过程。这时既有材料非线性， 又有几何 非线性， 再加上复杂的边界接触条件的非线性， 这些 因素使其变形机理非常复杂， 难以用准确的数学关 系式来进行描述。 随着金属塑性成形技术的日益发展， 人们对其 在成形过程中的变形规律、 变形力学的分析越来越 重视。有限元法作为一种有效的数值计算方法已经 被广泛应用于金属成形过程的数值模拟方面。 = 有限元模拟在塑性成形领域的应用 = D < 关键技术综述 金属成形过程的有限元数值模拟被用于求解金 属变形过程的应力、 应变、 温度等的分布规律， 进行 模具受力分析， 及预测金属的成形缺陷。根据金属 材料的本构方程的不同， 可将其分为两大类。
数值模拟技术在金属成形过程中的应用
现代制 造业 的高速 发展对 塑性成 形 工艺 在精 度
方面也 提出 了更 高 的要 求． 了 防止 缺 陷的产生 ， 为 以
厂联 合组 成的板 材 成形 数 值 模拟 攻 关 小 组 ， 经
力 的 目的 ．
［ 关键 词 ］数值 模 拟 ； 属 成 形 ； 限元 法 金 有
［ 圈分 类 号 ］ＴＨ１ ４ 中 ６ ［ 献 标 识 码］Ａ 文
金属 成形技术 是现代 化制 造业 中金属加 工 的重 要方 法之 一． 是金 属材 料 在模 具 和 锻压 设 备 作用 它 下发 生变形 ， 获得所 需 的形 状 、 寸和性 能 的制 件 的 尺
［ 章 编 号 ］１ ０ － ４８ ｆ０ ７ ０—０ ４０ 文 ０ ３ ６ ４ ２ ０ ）４０ ６—３
数 值 模 拟技 术 在金 属 成 形 过程 中的应 用
陈 昆 ，陈定 方 ，张 博 ，陈 沛
（ 汉 理 工 大 学 智 能制 造 与 控 制 研 究所 ， 北 武 汉 ４０ ６ ） 武 湖 ３ ０ ３
２ ０世 纪 ８ 年 代开始 这方 面 的研 究 ， 自主 开发 ， ０ 或 或
现 明显 的缺陷 如起 皱 、 裂 、 破 颈缩 等 ， 需要 修 改 模 则
具 或 重 新 设 计 模 具 ， 而 前 期 花 费 和 时 间投 入 很 大 ， 因
与企 业联 合 ， 开展 了一 些工作 ． 吉林 大学 的胡平 教授
形速 度 的大小 、 具 的 形状 、 属 的 化学 成 分 、 织 模 金 组
近 年来 国 内外 也 开 始 了对 这 方 面 的计 算 机 仿 真 ， 得 了一定 的成绩 ， 取 比如金 属板 件 冲压 过程 的数 ・ 值模 拟 、 曲面零件 冲压成 型 等．
【精品】有限元数值模拟在锻造中的应用
有限元数值模拟在锻造中的应用有限元数值模拟技术在金属塑性成形工艺中的应用田菁菁（河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003）摘要：金属塑性成形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程，有限元法是用于金属成形过程模拟中一种有效的数值计算方法。
本文详细介绍了弹塑性、刚塑性、粘塑性3种有限元法，系统地讨论了有限元模拟中的关键技术，即几何模型的建立、单元类型的选择、网格的划分与重划分、接触和摩擦问题等技术，并结合实例说明了三维有限元模拟在金属塑性成形领域中的具体应用。
最后，基于现存问题提出了自己的见解。
关键词：计算机应用；有限元法；综述；塑性加工1引言金属塑性成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，影响因素众多，如模具形状、毛坯形状、材料性能、温度及工艺参数等，该过程涉及到几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列难题。
金属塑性成形工艺传统的研究方法主要采用“经验法”，这种基于经验的设计方法往往经历反复修正的过程，从而造成了大量的人力、物力及时间浪费。
21世纪的塑性加工产品向着轻量化、高强度、高精度、低消耗的方向发展。
塑性精密成形技术对于提高产品精度、缩短产品交货期、减少或免除切削加工、降低成本、节省原材料、降低能耗，当前的生产的发展，除了要求锻件具有较高的精度外，更迫切地是要解决复杂形状地成形问题，同时还要不断提高锻件地质量、减少原料的消耗、提高模具寿命，促使降低锻件成本、提高产品的竞争能力。
2有限元模拟在塑性成形领域的应用用于金属塑性成形过程数值模拟的有限元法根据本构方程的不同可以分为弹塑性有限元法、刚塑性有限元法和粘塑性有限元法，其中，刚塑性有限元法和弹塑性有限元法的应用比粘塑性有限元法更广泛。
2．1刚塑性有限元法刚塑性有限元法是1973年由小林史郎和C．H．李提出的。
由于金属塑性成形过程中大多数塑性变形量很大，相对来说弹性变形量很小，可以忽略，因此简化了有限元列式和计算过程。
刚塑性有限元法的理论基础是MarkOV变分原理，其表述是在所有满足运动学允许的速度场中，真实解使得以下泛函取极值：式中：为等效应力；为等效应变速率；为力面上给定的面力；为速度已知面上给定的速度；V为变形体的体积；S为表面积。
塑性成形过程的数值模拟
实验报告塑性成型过程的数值模拟班级：机自07姓名：欧阳罗辉学号：100111702012年12月一、实验目的：通过本实验的教学，使学生基本掌握有限元技术在板料塑性成形领域的应用情况，拓宽学生的知识面，开阔视野，使学生对塑性成形过程的数值模拟技术有深刻的理解，预测板料弯曲成形的性能。
二、教学基本要求：学会使用Dynaform数值模拟软件进行板料弯曲成形过程的仿真模拟，对模拟结果具有一定的分析和处理能力。
三、实验内容提要：掌握前处理的关键参数设置，如零件定义、网格划分、模型检查、工具定义、坯料定义、工具定位和移动、工具动画、运行分析。
了解后处理模块对模拟结果的分析，如读入d3plot 文件、动画显示变形和生成动画文件、成形极限图分析、坯料厚度变化分析等。
四、软件操作过程:1.导入压边圈、板料、下模板、上模板图形文件点击File —Import，出现Import File 对话框，找到“ L型弯曲零件图”选中binder.igs,点击Import，如此，依次导入四个模型文件，最后点击“确定”确认四个模型导入后，结果如图Fite- Parts- Pre§)rocE3B DFE 単E5eiLp SCF Toob Qplxxt UUM IH Yew Analyss FtosIProceH Het□fea 呦越超曲.i 制倒翅制则④朋叫面h 1回哦间谢佃创初斜划’•2. 重命名文件点击PartLEdit ，出现Edit Part 对话框，这里便要依次更改文件名。
cOOIvOOO 1 ”，在上面的 Name 对话框中输入 binder ,然后点击 Modify ，以此类推输入 banker 、die 、punch 。
Edit Part3. 对各图形文件划分有限元网格1. Binder 零件网格划分rshrtik rNEfmairHfldtnrFilCakw首先选用红色文件名“ rjgmeID ColorDeletePROCESSING OEPENDENT RECORDS 13PHOCES3r4G IM3EPEf<DENT RECORDS F Lfifrs P Suriacrs-匸Tfl/DYWAFDRnpimchigslSMPaHTED 引□点击 □图标，出现 Part Turn 。
金属板材塑性成形的极限分析
金属板材塑性成形的极限分析一、金属板材塑性成形的基本概念与重要性金属板材塑性成形是一种利用金属材料的塑性变形能力，通过外力作用使其发生形状变化的加工技术。
这种技术广泛应用于汽车、航空航天、家电制造等多个领域，对于提高材料利用率、降低成本、提升产品性能具有重要意义。
1.1 金属板材塑性成形的基本定义塑性成形是指在一定的温度和压力条件下，金属板材在塑性状态下发生形变，最终形成所需形状和尺寸的过程。
这一过程涉及到材料的力学行为、变形机理以及加工工艺等多个方面。
1.2 金属板材塑性成形的重要性金属板材塑性成形技术是现代制造业的基石之一。
它不仅能够提高材料的成形精度和生产效率，还能有效降低生产成本，满足现代工业对高性能、轻量化产品的需求。
二、金属板材塑性成形的关键技术与工艺金属板材塑性成形包含多种关键技术与工艺，这些技术与工艺直接影响成形质量、生产效率和成本。
2.1 金属板材的塑性变形机理金属板材的塑性变形机理是塑性成形的基础。
它涉及到材料内部的微观结构变化，如位错运动、晶粒变形等。
了解这些机理有助于优化成形工艺，提高成形质量。
2.2 塑性成形的主要工艺方法塑性成形的主要工艺方法包括轧制、拉伸、冲压、弯曲等。
每种方法都有其特定的应用场景和优势，选择合适的工艺方法对于保证成形效果至关重要。
2.3 塑性成形过程中的缺陷控制在塑性成形过程中，可能会出现裂纹、起皱、回弹等缺陷。
有效的缺陷控制技术可以显著提高成形件的质量和可靠性。
2.4 塑性成形工艺的数值模拟随着计算机技术的发展，数值模拟已成为塑性成形工艺设计的重要工具。
通过模拟可以预测成形过程中的应力、应变分布，优化工艺参数。
三、金属板材塑性成形的极限分析与应用极限分析是研究金属板材在塑性成形过程中达到极限状态的条件和行为，对于提高成形工艺的安全性和可靠性具有重要意义。
3.1 极限分析的理论基础极限分析的理论基础包括材料力学、塑性力学和断裂力学等。
这些理论为分析金属板材在成形过程中的应力、应变状态提供了科学依据。
数值模拟在冲压过程中的应用
数值模拟在冲压过程中的应用对材料加工进行成型是在重工业领域中的重要手段之一。
随着社会日新月异的发展和人们对生产生活要求的全面提高，塑性加工也不断发展。
在塑性加工过程中充分利用计算机的快速、精确计算等优点已得到广泛的应用。
利用计算机的数值模拟制造已成为了新研究方法，可以对产品性能、质量进行分析，降低消耗和成本，提高产品开发效率如汽车外形、冲压模具、坯料，揭示各种成型规律并且进行优化工艺过程预报组织性能。
塑性成型的数值模拟方法主要有三种：上限法、边界元法和有限元法。
上限法主要用于分析较为简单的准稳态变形问题，边界元法主要用于模具设计分析和温度计算，而有限元法（FEM）主要用于大变形的体积成形和板料成型，变形过程呈现非稳态，材料的几何形状、边界、材料的性质等都会发生很大的变化。
有限元法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。
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。
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[1]。
金属板料冲压成形是金属材料塑性成形的一种重要方法。
有限元法在板料成形领域的应用始于20世纪70年代，自此，在这一领域的研究逐渐发展起来[2]。
在机械制造业中有着广泛的应用，例如：汽车的车身、底盘、油箱、散热器片、锅炉的汽包、电动机等都是采用了板料冲压工艺加工成形。
金属材料成型工艺中的数值模拟方法与分析
金属材料成型工艺中的数值模拟方法与分析金属材料的成型工艺在制造业中具有重要的地位，它能够将金属材料通过塑性变形、热压等方式加工成所需的形状和尺寸。
然而，传统的试验方法对于成型工艺的研究和优化存在时间长、成本高、试错率高等问题，因此，数值模拟方法成为了预测和分析金属材料成型工艺的重要手段。
数值模拟方法在金属材料成型工艺中的应用主要包括有限元方法、计算流体力学方法和细观模拟方法等。
其中，有限元方法是最常用的一种数值模拟方法。
有限元方法通过将材料划分成很多个小单元，通过求解场方程和边界条件，可以获得材料的应力、应变、温度等信息。
有限元方法适用于各种类型的金属材料成型工艺，例如拉伸、压缩、弯曲、挤压等。
通过有限元模拟，可以预测金属材料在不同载荷下的变形情况、应力分布和应力集中等。
计算流体力学方法在金属材料成型工艺中的应用相对较少，主要用于模拟金属的液态成型过程，例如压铸、浇铸等。
计算流体力学方法通过求解连续介质的流体动力学方程，可以获得金属液态成型过程中的流动状态、温度分布和应力情况。
这对于优化金属液态成型工艺的参数和工艺条件具有重要的指导意义。
细观模拟方法是一种基于金属材料微观结构的数值模拟方法。
通过对金属材料微观结构的建模和仿真，可以预测金属材料在成型过程中的细观组织演化、相变行为和力学性能等。
细观模拟方法在金属材料成型工艺中的应用越来越广泛，可以用于研究金属材料的晶粒长大、析出相的形成和变化、位错运动等过程，以及金属材料在成型过程中的塑性行为和损伤行为等。
数值模拟方法在金属材料成型工艺中的应用有以下几个优点。
首先，数值模拟方法可以提供一种经济高效的预测和分析手段。
通过数值模拟，可以在工艺实施前对成型工艺进行优化，减少试错次数和成本。
其次，数值模拟方法可以提供一种可重复性强的研究手段。
通过改变模拟条件和参数，可以对成型工艺进行多种不同的预测和分析，帮助研究人员深入了解金属材料的成型机理和行为。
最后，数值模拟方法可以提供一种非常准确的预测和分析结果。
《基于有限元的铝合金管材挤压成形数值模拟》范文
《基于有限元的铝合金管材挤压成形数值模拟》篇一一、引言铝合金因其良好的塑性、可加工性及抗腐蚀性等特点，被广泛应用于各种工业领域。
铝合金管材的挤压成形技术是制造过程中不可或缺的一环。
随着计算机技术的飞速发展，有限元法在金属塑性成形领域的应用越来越广泛。
本文旨在通过基于有限元的数值模拟方法，对铝合金管材挤压成形过程进行深入研究，以期为实际生产提供理论依据和指导。
二、铝合金管材挤压成形技术概述铝合金管材挤压成形是一种利用挤压模具将加热的铝合金坯料通过模具型腔，从而得到所需形状和尺寸的管材的工艺方法。
此过程涉及金属的流动、应力应变、温度变化等多个物理场的变化，是一个复杂的热力耦合过程。
三、有限元法在铝合金管材挤压成形中的应用有限元法是一种高效的数值计算方法，能够模拟金属塑性成形过程中的复杂物理现象。
通过将连续的物体离散成有限个单元，并对其进行求解，可以获得整个物体的应力、应变、温度等分布情况。
在铝合金管材挤压成形过程中，有限元法可以有效地模拟金属的流动、模具与金属的相互作用、温度场的变化等，为实际生产提供有力的支持。
四、铝合金管材挤压成形的数值模拟1. 模型建立建立准确的数值模型是进行铝合金管材挤压成形数值模拟的关键。
模型应包括坯料、模具、接触条件、摩擦条件、温度场等多个部分。
其中，坯料的本构关系、模具的设计以及接触和摩擦条件的设定对模拟结果的准确性有着重要影响。
2. 材料属性及本构关系铝合金的材料属性及本构关系对数值模拟的准确性有着重要影响。
应准确获取铝合金的力学性能、热物理性能等参数，并建立合适的本构关系模型，如Johnson-Cook模型、Zerilli-Armstrong 模型等。
3. 数值模拟过程在建立好模型和设定好相关参数后，即可进行数值模拟。
模拟过程应包括坯料的加热、挤压、金属流动、模具与金属的相互作用等多个步骤。
通过模拟，可以获得整个过程的应力、应变、温度等分布情况。
五、结果分析与讨论通过对数值模拟结果的分析，可以得出以下结论：1. 金属流动规律：在铝合金管材挤压过程中，金属从模具入口处开始流动，逐渐充满整个模具型腔，并沿着模具型腔的形状流动。
塑性成形过程数值模拟的相关技术问题
F
22
33
2
G
33
11
2
H
11
22
2
三维问题一 般应力状态
2L
2 23
2M
2 31
2
N
2 12
1
0
2F
1 2
1 2
1
2
s2
s3
s1
2L
1
2
s 23
2G
1 2
1 2
1
2
s3
s1
s2
2M
1
2
s31
1
1
1
2H
2
2
2
s1
s2s31源自2N 2s12
s1, s2 , s3
s12 , s 23 , s31
网格重分的过程：旧网格畸变程度判别，新网格 系统的生成，新旧网格之间的信息传递。
网格重新划分一般由系统根据相关缺省设定自动 完成，无需人工设定和参与；也可人为增加设定某些 标准如：坯料边界点穿透工具表面情况、加载时间、 加载步长或加载步数等。有时根据需要，还可以对某 些位置进行人工网格重新划分。
九、非线性方程组的解法
在数值模拟软件中，摩擦条件设定一般只 需设定摩擦系数和选择摩擦模型即可。
常用摩擦模型
一、库仑摩擦模型
摩擦系数
摩擦力 n
正压力
该模型适用于相对滑动速度较慢的刚性接触区域，
求得的摩擦切应力应小于材料的剪切屈服强度k。
二、剪切摩擦模型
摩擦因子
mk
剪切屈服强度
该模型适用于塑性变形区部分， 0 m 1 。
的，每一步计算切线刚度；一般与N-R方法等迭代方 法结合适用；
塑性加工理论与应用于金属成形的数值模拟
塑性加工理论与应用于金属成形的数值模拟塑性加工是一种重要的金属成形方法，广泛应用于工业生产中。
为了提高塑性加工的效率和质量，并减少试验成本和时间，数值模拟在金属成形领域中得到了广泛的应用。
本文将探讨塑性加工理论以及如何将数值模拟应用于金属成形。
塑性加工理论是基于金属的塑性变形行为来描述和预测金属在形状改变过程中的力学行为。
塑性加工理论的基础是塑性流动的本构关系，即材料应力和应变之间的关系。
最常用的塑性加工理论是屈服准则理论，它描述了材料在达到屈服点之后的流变行为。
在金属成形的过程中，应用屈服准则理论可以预测材料的流动行为，从而设计出适当的成形工艺。
然而，仅仅依靠塑性加工理论无法准确地预测金属材料的成形过程，因为金属成形过程中涉及到复杂的变形、应力分布和热机能影响等因素。
这就需要使用数值模拟方法来辅助塑性加工理论的应用。
数值模拟是利用计算机数值方法对实际物理过程进行仿真和预测的一种方法。
在金属成形领域，数值模拟可以提供有关成形过程中金属的应力、应变、温度分布等重要信息。
数值模拟方法通常包括有限元法和有限差分法。
有限元法是一种将复杂的物理问题分解为小的离散单元的方法，通过求解大量离散方程组来模拟实际问题。
有限差分法则是用差分近似替代微分方程，将连续问题转化为离散问题。
在金属成形中，数值模拟可以帮助设计和优化金属成形工艺。
通过数值模拟，可以分析不同工艺参数对成形过程中的材料流动和应力分布的影响。
例如，在压力成形过程中，数值模拟可以确定适当的压力和速度，以避免材料的不均匀变形和破裂。
此外，数值模拟还可以预测在金属成形过程中可能出现的缺陷，如裂纹、疲劳等，从而提前采取适当的措施。
然而，数值模拟在应用中也存在一些问题和挑战。
首先，金属材料的塑性行为和流动规律非常复杂，需要建立准确的本构模型来描述材料的行为。
其次，数值模拟的计算精度和计算效率需要进行平衡，因为提高模拟的精度往往会增加计算的时间和成本。
最后，数值模拟结果的验证和验证也是一个重要的问题，需要与实际试验结果进行对比和分析，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
塑性力学在模拟仿真上的应用
塑性力学在模拟仿真上的应用一.引言塑性力学理论在金属塑性成形过程中应用广泛。
轧制，挤压，锻造等塑性成形工艺在如今的生产活动中随处可见。
随着社会对产品精度需求不断提升，产品结构越来越复杂，人们对生产工艺的要求也越来越高，在复杂成型过程中，影响成形的因素非常之多，这就导致了传统的成型理论已经不能满足目前的生产需要，而且传统的计算方法的计算效率也逐渐不能满足生产需要。
随着计算机技术的发展，有限元方法在金属塑性成型的领域发挥着越来越重要的作用，成为了解决金属成型问题的主要方法。
有限元方法可以对多种因素耦合的金属成型过程进行精确，快速地模拟，因此对比传统方法能够显著降低对材料时间的浪费和设备的损耗，大大降低生产成本，提高市场竞争力。
有限元方法的发展历史可以分为以下几个阶段：1969年，约翰·伯努利提出最速曲线问题。
该问题最初被雅克布·伯努利和洛必达注意到，后来欧拉首先对最速曲线问题做出了详细阐述，并于1733年发表《变分原理》，为变分法奠定了基础。
随后，拉格朗日在1786年确定了一种确定极值的方法，为变分法的完善做出了非常大的贡献。
1943年，Courant在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究St.Venant的扭转问题。
该成果奠定了将连续网络划分成有限单元的基本思路。
1960年，克拉夫第一次提出“有限元”的概念。
二.有限元基本原理2.1有限元的基本思路与步骤1）连续网络的离散：将连续结构离散为有限单元组成的计算模型，离散后单元与单元之间通过单元节点连接；单元节点的设置、性质、数目等参数应考虑实际问题的类型，描述变形形态的需要和计算精度而定，一般情况单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但与此同时，计算量与计算时间增长。
需要注意的是，有限元分析中已经离散后的结构并不是原本的物体，而是由大量有限个单元体连接成的离散结构。
所以用有限元分析计算所获得的结果只是近似的。
数值模拟技术在大型锻件生产中的应用
1950年代：有限元方 法被提出，成为数值 模拟技术的重要工具
1960年代：有限差分方 法被广泛应用，成为数 值模拟技术的重要方法
之一
1970年代：有限体积方 法被提出，成为数值模 拟技术的重，成为数值模拟
技术的重要方法之一
1990年代：无网格方法 被提出，成为数值模拟
拓展大型锻件生 产市场，提高市 场份额
加强与下游企业 的合作，提高产 品竞争力
研发新型数值模 拟技术，提高生 产效率和质量
加强宣传推广， 提高品牌知名度 和影响力
技术研发：加大研发投入，提高数值模拟技术的准确性和效率
应用推广：扩大数值模拟技术在大型锻件生产中的应用范围，提高生产效率
人才培养：加强人才培养，提高数值模拟技术应用人员的专业素质
数值模拟技术在大型 锻件生产中的应用
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数值模拟技术概述
大型锻件生产中的问题
数值模拟技术在大型 锻件生产中的应用
数值模拟技术在大型 锻件生产中的价值
数值模拟技术在大型锻 件生产中的未来发展
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数值模拟技术概述
数值模拟技术是一种通过计算机模拟来预测和优化物理、化学、生物等系统行为的技术。
合作发展：与其他企业、高校、研究机构等合作，共同推动数值模拟技术在大型锻件生产中 的发展
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汇报人：
数值模拟技术可以应用于各种领域，包括工程、科学、医学等。
数值模拟技术可以帮助我们更好地理解和预测复杂系统的行为，从而提高生产效率和产品质 量。
数值模拟技术在大型锻件生产中的应用可以预测锻件的变形、应力分布等，从而优化生产工 艺和降低生产成本。
1940年代：数值模拟技 术开始应用于流体力学
数值模拟在金属塑性成形质量控制的应用
数值模拟在枪机框锻件生产中质量控制的应用姚照云，胡治，王浩，喻翔（重庆建设工业（集团）有限责任公司，重庆400054）摘要：为了提高某机械产品质量、尺寸稳定性，通过对枪机框锻件成形过程的分析和研究，对改进后的锻件状态采用Deform 3D有限元模拟软件进行数值模拟成形分析，确定锻件成形的最佳材料规格大小，预测锻件是否生产缺陷，为生产中质量过程控制与合格率提供指导。
关键词：枪机框；数值模拟；缺陷中图分类号：文献标识码：A 文章编号：1674-6457（2012）05-Numerical Simulation On The Bolt Box For Production Quality Control ApplicationYAO Zhao-yun,HU Zhi,WANG Hao,YU Xiang（Chong Qing Jianshe Industry(Group)Co.,Ltd.,Chongqing 400054,China）Abstract:In order to improve the quality of mechanical products, dimensional stability, through to the bolt box forging forming process analysis and research, the improved forging condition by using Deform 3D finite element simulation software for numerical simulation and forming analysis, determine the best material for forging size specifications, prediction of forging is defective in the production, for the production of quality process control and conformity to provide guidance.Keyword:bolt box；numerical simulation；defect枪机框是某机械产品中的重要零部件，其质量对产品的整体性能影响非常大，由于工况较复杂，所以产品的综合机械性能要求较高。
关于金属塑性成形有限元模拟
关于金属塑性成形有限元模拟姓名：班级：学号：摘要在塑性成形中，材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化及其对制件质量的影响等，都是十分复杂的问题。
这使得塑性成形工艺和模具设计缺乏系统的、精确的理论分析手段，而主要是依据靠工程师长期积累的经验，对于复杂的成形工艺和模具，设计质量难以保证。
另外，一些关键参数要在模具设计制造后，通过反复地调试和修改才能确定，浪费了大量的人力、物力和时间。
借助于数值模拟的方法，能使工程师在工艺和模具设计阶段预测成形过程中工件的变形规律、可能出现的成形缺陷和模具的受力状况，以较小的代价、较短的时间找到最优的或可行的设计方案。
塑性成形过程的数位模拟技术是使模具设计实现智能化的的关键技术之一，它为模具的并行设计提供了必要的支撑，应用它能降低成本、提高质量、缩短产品交货期。
一、金属塑性成形过程的前提条件正确设计和控制金属塑性成形过程的前提条件是充分掌握金属流动、应力应变状态、热传导、润滑、加热与冷却及模具结构设计等方面的知识。
任何分析方法都是为工程技术人员服务的，其目的是帮助工程技术人员掌握金属流动过程中应力应变状态等方面知识，一个好的分析方法至少应包括以下几个功能：（1）、在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动学关系，预测金属塑性成形过程中的金属流动规律，其中包括应力应变场量变化、温度变化及热传导等。
（2）、计算金属塑性成形极限，即保证金属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。
（3）、预测金属塑性成形过程得以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。
当前，有限元法已成为分析和研究金属塑性成形问题的最重要的数值分析方法之一，它具有以下优点：（1）、由于单元形状具有多样性，有限元法使用与任何材料模型，任意的边界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生处理上的困难。
金属材料的塑性加工过程，均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。
数值模拟方法在材料成型中的应用
数值模拟方法在材料成型中的应用。
数值方法主要包括有限元法、边界元法和有限差分法。
这类方法能够模拟金属成形过程，直观描述材料的变形流动状况，定量地计算出工件内部的应力、应变和温度分布状态，适用于分析非常复杂的成形过程。
在各种数值模拟方法中，有限元法由于能够准确描述变形过程的物理特性，全面考虑各种初、边值条件的影响，对复杂边界具有较高的拟合精度，并且可以求出全部物理量，因此得到了最为广泛的应用。
根据金属成形过程中材料本构关系的不同，有限元法可分为两大类[78]：一类是固体型塑性有限元法，包括小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性有限元法，另一类是流动性塑性有限元法，包括刚塑性有限元法和刚(粘)塑性有限元法。
建立有限元时所采用的方法，及把问题表述为变分形式或加权残差形式，再把该表述进行有限元离散化，并有效的求解所导出的有限元方程，最终结果是在计算机上实现了一个完整的数值处理过程：有限元矩阵的表述，用来计算这些矩阵的数值积分，把单元矩阵集合成相应于整个有限元系统的矩阵，以及系统平衡方程组的数值求解。
弹塑性有限元法由Marcal和King于1967年首先提出[78],它同时考虑弹性变形和塑性变形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Prandtl.Reuss 方程和Mises屈服准则。
采用弹塑性有限元法分析金属塑性成过程，不仅能按照变形路径得到塑性区的变化、工件的应力、应变分布规律和大小以及几何形状的变化，而且还能有效地处理卸载问题、计算残余应力和残余应变，从而可以进行回弹预测及缺陷分析。
但是弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性，需要采用增量加载，在每一增量加载步中，都须作弹性计算来判断原来处于弹性区的单元是否已进入屈服，对进入屈服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变了单元刚度矩阵。
为了保证精度和解的收敛性，每次加载不能使很多单元同时屈服，这就使得每次计算时的变形增量不能太大。
对于大变形问题计算时间较长、效率较低。
塑性加工过程数值模拟(课程报告)
塑性加工过程数值模拟(课程报告)题目: 塑性加工过程数值模拟课程报告学院:班级：姓名：学号：塑性加工过程数值模拟课程报告1.塑性加工过程数值模拟概述1.1材料塑性加工的地位及分类从制造业的发展历史来看，主要有两类制造业：一个是加工制造业，一个是装备制造业。
制造业是为国民经济和国防建设提供生产技术零件、装备的行业，是国民经济发展特别是工业发展的基础。
建立起强大的制造业，是提高中国综合国力，实现工业化的根本保证。
金属塑性加工是利用金属的塑性，使金属材料在外力的作用下成形的一种工艺方法。
塑性加工按照工艺可分为轧制、挤压、拉拔、锻压、冲压等。
塑性加工方法按照变形特征可分为体积成形和板料成形，体积成形是变形过程中三个方向的几何尺寸基本处于相同量级，同时三个方向的应力状态需要同时考虑。
如：锻造、轧制、挤压等工艺方法都属于体积成形。
板料成形“宽厚比”较大，厚度方向的尺寸较其它两个方向小得多，变形过程中可简化为平面应力状态。
如冲压、水压胀形等等，板料成形时金属的塑性变形并不一定很大，但与模具的相对位移较大，一般在室温下完成。
1.2材料塑性加工过程中的数值模拟目前传统的研究方法仍旧主要处于经验和知识为依据，以“试错”为基本方法的工艺技术阶段。
现代市场经济要求实现塑性加工制件的内在质量和尺寸精度的稳定性需要提高，为实现该目标，必须提高塑性加工技术的科学化和可控化水平。
与传统的成形工艺相比，现代塑性加工技术对毛坯与模具设计以及材料塑性流动控制等方面要求更高，所以采用基于经验的试错设计方法已经不能满足实际需要，引入以计算机为工具的现代设计分析手段已经成为大家的共识。
用模拟来代替正式的材料加工过程或其中的物理现象进行研究有很多的优点，比如节省运输费用和消耗、不打乱正常生产过程、可以灵活的控制和调节影响因素及其变化、准确测量实验数据等。
模拟优化的目的有：（1）提高产品的性能、质量；（2）降低消耗，降低成本；（3）提高效率；（4）揭示规律。
第2章塑性成形过程数值模拟
• 2)定义工具。 • 在成形模拟中直接给定工件所受外力的 情况是很少见的。工件所受的外力主要 是通过工件与模具的接触施加的。建立 几何模型时定义了工具的几何形状，划 分网格时建立了工具表面的有限元模型。 为使工具的作用能正确施加到工件上， 还需定义工具如下三方面的性质。
第2章塑性成形过程数值模拟
【本章学习目标】
• ★ 了解DEFORM-3D软件的模块结构； • ★ 掌握有限元软件仿真求解的基本过程； • ★ 了解塑性成形模拟的特点； • ★ 了解有限元分析需要处理的基本问题。
【本章教学要点】
知识要点 能力要求 相关知识 DEFORM-3D软件的模块结构 了解DEFORM-3D软件的模块 塑性有限元软件的前处理、 结构；各个模块的功 求解器及后处理 能 掌握有限元软件仿真求解 的过程的工艺流程， 各个工序的功能 有限元仿真的实质及实现 步骤：划分网格、材 料分配、工具及边界 条件的设置等 塑性成形CAE分析材料的非 线性、几何的非线性 和接触的非线性 塑性成形分析的速度场、 收敛依据、摩擦条件、 刚性区等基本理论问 题
2.建立有限元分析模型
• 1)划分网格 • 划分网格是将问题的几何模塑转化成离 散化的有限元网格。 • 网格划分的方法主要可分为两类。一类 是映射法 , 另一类是自由的或非结构化的 方法。 • 分网后应检查网格质量，单元各边长应 尽可能相等。单元的内角应尽可能平均， 壳单元的各节点应尽可能共面。
2)选择材料模型
5.边界条件的处理
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《材加专业前沿讲座》前沿调研报告数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用学院：机械工程学院班级：xxxxx姓名：南京小诸葛学号：xxxxx目录一、摘要 (1)二、正文 (1)2.1数值模拟技术 (1)2.1.1数值模拟技术简介 (1)2.1.2数值模拟技术的优势 (1)2.1.3有限元法发展历史 (2)2.1.4有限元法的发展现状 (2)2.1.5有限元法在机械中的应用 (2)2.2数值模拟技术在金属塑性成形中的应用 (2)2.3数值模拟技术的应用举例 (3)三、参考文献 (4)一、摘要在本次材加专业学科前沿体验课金淼老师关于数值模拟技术及其在金属塑形成型中的应用，我学到了很多先进前沿的知识。
数值模拟技术是一项新型的求解数学模型的方法，尤其是数值法中的有限元法，在机械行业运用广泛，在金属塑性成形过程中更是有着很大的实用价值，是一项值得我们认真研究的科学处理方法。
关键字：数值模拟塑性成形有限元法二、正文在材加专业学科前沿体验课中，我们都听了很多老师在不同方面的专业知识的讲座，但让我留下最深印象的就是金淼老师讲授的“数值模拟技术及其在金属塑性成形中的应用”的讲座。
数值模拟技术是一种新型的模拟分析的技术，在现实生产应用十分广泛，对我们专业的未来生产生活中的应用也是颇有价值，所以我对数值模拟技术做了下面的前沿调研报告。
该调研报告分为三个部分来讲：首先讲什么是数值模拟技术，然后讲数值模拟技术在金属塑性成形中的应用，最后会列举一个数值模拟技术实际生产中的例子。
2.1数值模拟技术2.1.1数值模拟技术简介求解数学模型通常有两种方法：一种是解析法，它通过严格的数学推导求出问题的精确解，或称解析解；另一种是数值法，它通过一定的算法和程序，利用计算机计算出问题的近似解，又称数值解。
常见的数值法有差分法，变分法和有限元法等。
我们接下来主要讲解集成差分法和变分法二者数值模拟优点的有限元法。
有限元法是求解各种复杂数理方程的一种数值计算方法，是弹性/塑性理论、计算数学、计算机软硬件有机结合在一起的一种数值分析技术，是解决工程实际问题的一种有力的数值计算工具。
2.1.2数值模拟技术的优势近年来，在计算机技术和数值分析方法的支持下，数值模拟技术在国防、航空航天、交通运输、电力、机械、工程建筑等领域得到了广泛的应用，从结构合理性设计到结构承载能力和工件寿命预测、从结构的稳定性到工件开裂预测等，各个领域都渗透者数值模拟技术的身影。
例如，分析叶片成形过程，研究其缺陷产生原因，以期为实际锻造过程作知道，有效地改进叶片成型质量；模拟不同形状工件、不同变形条件下缺陷产生的过程，以便能更好地了解缺陷的成因及改进措施等。
数值模拟以其低成本、高价值的优势成为越来越普通的工程计算和科学研究的手段，被越来越多的科研人员所接受和使用。
因此，数值模拟技术也是降低制造成本、缩短研发周期、搞笑而实用地预测研究缺陷的方法和手段。
数值模拟技术已从一个单纯的分析工具转变为一种设计手段，成为快速发展的一个相对独立的科学领域，在理论和应用方面都具有学科的特色。
其优势主要体现在：①有效缩短新产品的开发研究周期，大幅度降低产品研发成本；②以精确的分析结果为知道，制造出高质量的产品；③快速进行方案设计和改进，增加产品和工程的可靠性；④精确预测产品性能；⑤实现优化设计，降低材料的消耗和成本；⑥预先发现产品制造或工程设施中可能潜在的问题，减少经济损失和时间消耗；⑦进行试过分析，查找事故发生的可能原因；⑧对实验方案进行仿真，选择最优方案及参数，同时缩短实验时间，减小财力消耗等。
2.1.3有限元法的发展历史1956年美国科学家Turner,Clough等人在分析飞机结构时，将刚架位移法推广到弹性力学平面问题，第一次给出用三角形单元求平面应力问题的正确解答。
1960年Clough进一步处理了平面问题，并第一次提出“有限单元法”的名称，并取得了一系列成果。
60-70年代，有限元的巨大成就引起了数学界的注意，对于有限元离散化误差，收敛性，稳定性等方面的研究巩固了有限元的数学基础。
70年代有限元发展异常迅速，从“位移法”开始已经发展成内容十分广泛的计算力学学科，仅分析方法而论，可分为：位移元，杂交元，混合元，边界元，样条元和半解析法等；就分析对象而言，已由固体力学分析，发展为流体，传导，塑性，粘弹性等，近年来，每年发表有关有限元的论文数以千计。
2.1.4有限元法的应用现状由于该法具有灵活、快速和有效的特点，使得其发展非常迅速，很快成为许多科学技术领域和实际工程问题中广泛应用的方法。
应用领域涉及机械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、汽车、石油以及生物工程等等任何涉及场的问题。
目前，国际上有90％的机械产品和装备都要采用有限元方法进行分析，进而进行设计修改和优化。
实际上有限元分析已成为替代大量实物实验的数值化“虚拟试验”，基于该方法的大量计算分析与典型的验证性试验相结合可以做到高效率和低成本。
2.1.5有限元法在机械中的应用（1）静力学分析，即求解所受的外载荷不随时间变化或随时间变化缓慢的机械系统平衡问题；（2）模态分析，即求解关于系统的某种特征值或稳定值的问题；振动领域（3）瞬态动力学分析，即求解所受的外载荷随时间变化的动力学响应问题；（4）非结构力学分析，主要有机械系统的热传导（温度场）、噪声分析与控制以及结构、热、噪声等多场耦合分析；在机械结构分析的软件方面，最早的是美国国家宇航局（NASA）在1965年委托美国计算科学公司和贝尔航空系统公司开发的NASTRAN有限元分析系统，该系统发展到现在已有几十个版本。
此外比较知名的有限元软件包括德国ASKA、英国PAFEC、法国SYSTUS、FORGE,美国ABAQUS、ADINA、ANSYS、COSMOS、MARC、DEFORM。
2.2数值模拟技术在金属塑性成形中的应用金属塑性加工成型是现代制造业中金属加工的重要方法之一，金属塑性加工的变形过程是一个非常复杂的弹塑性大变形过程。
这时既有材料非线性，又有几何非线性,再加上复杂的边界接触条件的非线性，这些因素使其变形机理非常复杂，难以用准确的数学关系式来进行描述。
随着金属塑性成形技术的日益发展，人们对其在成形过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。
数值模拟已经被广泛应用于金属成形过程。
产品质量的提高与成型过程的控制息息相关，二者也是塑性成形领域一直关注和面临的难题。
在生产过程中，由于工艺设计不合理常常会产生各种缺陷。
金属塑性成形过程中的缺陷主要分为表面缺陷和内部缺陷两大类，常见的有表面折叠、起皱、缩孔、裂纹、填充不足、外部开裂和内部开裂等。
缺陷的存在会严重影响到制件的后续加工和使用质量，甚至导致产品的报废、从而造成巨大的经济损失。
因此，通过数值模拟技术进行缺陷预测以制定缺陷防止措施，可节省大量人力、物力和财力，从而降低成本、缩短研发周围，对工业生产具有重要价值。
近年来，研究预测金属塑性成形过程缺陷的方法很多，主要有主应力法、上限法和有限元数值模拟方法。
主应力法和上限法需要进行大量的人工计算，而且无法考虑应力—应变历史。
有限元数值模拟方法克服了以上2中方法的缺点，可直观地从模拟结果看出产品表面缺陷，也可根据应力、应变和密度等场量的变化历史来分析产品内部和表面缺陷，是目前应用最广泛的一种缺陷预测方法。
2.3数值模拟技术的应用举例薄板冲压数值模拟技术在汽车覆盖件制造中的应用汽车覆盖件是汽车产品最重要的组成部件之一，一般是通过大型模具采用冲压工艺加工制造而成。
车身覆盖件要求表面平滑，不允许有皱纹、划伤、拉毛等表面缺陷，要求具有足够的刚性和尺寸稳定性。
这些都与加工过程中的板壳力学问题息息相关，而成形过程中的力学问题非常复杂，只有采用数值技术才能使问题得到简化。
汽车覆盖件成形加工生产目前主要依靠传统经验设计来制定冲压工艺、开发相关模具，具有相当大的随意性和不确定性。
然而板料成形的力学过程及成形影响因素非常复杂，是一个集几何非线性、材料非线性、接触非线性于一体的强非线性问题，用传统的解析方法很难求解。
塑性成形理论经过100多年的发展，已相当成熟。
随着计算机应用技术的普及，板料塑性成形过程用有限元方法进行数值模拟已成为一项有效解决该问题的高新技术。
汽车覆盖件包括覆盖汽车发动机、底盘、构成驾驶室及车身的所有厚度3mm 以下的薄钢板冲压而成的表面和内部零件，其重量占到汽车用钢材总量的50%以上。
汽车覆盖件具有材料薄、形状复杂、多为复杂的空间曲面、结构尺寸大和表面质量高等特点。
在冲压时毛坯的变形情况复杂，故不能按一般拉伸件那样用拉伸系数来判断和计算它的拉伸次数和拉伸可能性，且需要的拉延力和压料力都较大，各工序的模具依赖性大，模具的调整工作量也大。
汽车覆盖件成形过程中板料上的应力应变分布情况非常复杂，成形质量影响因素较多。
从变形方式看，板料的成形是拉延、翻边、胀形、弯曲等多种变形方式的组合过程。
对一个给定的零件来说，一套合理的模具和工艺方案的确定，不仅要靠实践经验和理论计算，还往往离不开反复地试模和修模。
因此汽车覆盖件模具设计的主要任务就是要解决好冲压过程中板料不同部位之间材料的协调变形问题，既要避免局部区域过分变薄甚至拉裂，又要避免起皱或在零件上留下滑移线，还要将零件的回弹量控制在允许的范围内。
目前，板料冲压过程的计算机分析与仿真技术（非线性有限元分析技术）已能在工程实际中帮助解决传统方法难以解决的模具设计和冲压工艺设计难题，如计算金属的流动、应力应变、板厚、模具受力、残余应力等，预测可能的缺陷及失效形式，如起皱、破裂、回弹等。
在汽车覆盖件的设计中采用数值模拟技术能从设计阶段准确预测各种工艺参数对成形过程的影响，进而优化工艺参数和模具结构，缩短模具的设计制造周期，降低产品生产成本，提高模具和冲压件产品品质。
三、参考文献[1]朱艳春，曾卫东，冯菲，孙宇，周义刚.[期刊论文]数值模拟技术及其在塑性成形缺陷预测中的作用.2010.12。