塑性成形过程中的有限元法

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第五章刚塑性有限元法基本理论与模拟方法

第五章刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
❖ 由于刚塑性模型假设,对一般的体积不可压缩材料,因为其静 水压力与体积应变率无关,如要计算应力张量,还必须进行应 力计算的处理。
塑性成形过程 计算机数值模拟
第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
❖ 从数学的角度来讲,有限元法是解微分方程的一种数值方法。它的 基本思想是:在整个求解区域内要解某一微分方程很困难(即求出 原函数)时,先用适当的单元将求解区域进行离散化,在单元内假 定一个满足微分方程的简单函数作为解,求出单元内各点的解;然 后,再考虑各单元间的相互影响,最后求出整个区域的场量。
两个或一个事先得到满足,而将其余的一个或两个,通过拉格朗日
乘子引入泛函中,组成新的泛函,真实解使泛函取驻值,这就是不
完全广义变分原理。
❖ 在选择速度场时应变速率与速度的关系(1)式和速度边界条(3)式容 易满足,而体积不可压缩条件(2)式难于满足。因此,可以把体积 不可压缩条件用拉格朗日乘子入引入到泛函中,得到新泛函:
够的工程精度的前提下,可提高计算效率。
塑性成形过程 计算机数值模拟
第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
❖ 由于刚塑性有限元法采用率方程表示,材料变形后的构形可通 过在离散空间对速度的积分而获得,从而避开了应变与位移之 间的几何非线性问题。
❖ 由于忽略了弹性变形,刚塑性有限元法仅适合于塑性变形区的 分析,不能直接分析弹性区的变形和应力状态,也无法处理卸 载和计算残余应力与变形。
在满足: (1) 速度-应变速率关系
ij
1 2
ui, j
u j,i
(2) 体积不可压缩条件 (3) 速度边界条件
V kk 0
ui ui
(在 Su 上)
的一切动可容场
ui*j

板料冲压成形的弹塑性有限元仿真分析方法

板料冲压成形的弹塑性有限元仿真分析方法
LIChe g c n n — he , PAN a — u , Xio h i H AN u q n Xi — i g
( . h o fM e ha r n c Eng n e i g,Ch n c u i e s t fTe h o o y,Ch n c u 3 0 2,Ch n 1 Sc o lo c t o i i e rn a g h n Un v r i y o c n l g a g h n1 0 1 ia 2 Sc o lo sc Sce e . h o fBa i inc ,Cha gc u n h n Uni e s t fTe h o o ,Ch n c u 3 0 2,Ch n ) v r iy o c n l gy a g h n1 0 1 ia
g ! !堕 ! !曼 璺 i ! ! 2 ! 2
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板 料 冲 压 成 形 的 弹 塑 性 有 限元 仿 真 分 析 方 法
厉 呈 臣 潘 晓 辉 韩 秀 清 , ,
( . 春 工业 大 学 机 电 工程 学 院 ,吉 林 长 春 1 0 1 ;2 长 春 工 业 大 学 基 础 科 学 学 院 , 林 长 春 1 0 1) 1长 302 . 吉 3 0 2
O 引 言
板 料 成 形 是 利 用 模 具 对 金 属 板 料 的 冲 压 加 工, 获得质 量轻 、 面光 滑 、 型美观 的冲压 件 , 表 造 具
现 使这 些 问 题 有 了 巨大 的改 善 。板 料 成 形 C AE
分 析 软件 , 以在 产 品原 型 设 计 阶 段进 行 工 件 坯 可 料 形状 预示 、 品可成 形性 分析 , 产 以及工 艺方 案优 化 , 而有 效地 缩短 模具 设 计周 期 , 从 大大 减少 试模

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形研究进展

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形研究进展

局部加载控制不均匀变形与精确塑性成形研究进展I. 内容综述局部加载控制技术是一种在材料塑性成形过程中,通过施加局部载荷来控制不均匀变形和精确塑性成形的方法。

近年来随着科学技术的不断发展,局部加载控制技术在金属、陶瓷等材料的塑性成形领域取得了显著的研究成果。

本文将对局部加载控制技术在不均匀变形与精确塑性成形研究方面的进展进行综述。

首先局部加载控制技术在金属材料的塑性成形中的应用,通过对金属材料施加局部载荷,可以有效控制材料的不均匀变形,提高成形质量。

研究表明局部加载控制技术可以显著降低金属材料的残余应力、提高材料的力学性能和疲劳寿命。

此外局部加载控制技术还可以实现对金属材料的精确塑性成形,如薄壁零件、空心零件等复杂形状的制造。

其次局部加载控制技术在陶瓷材料塑性成形中的应用,陶瓷材料具有高硬度、高强度、高耐磨性和低摩擦系数等优点,但其脆性较大,难以实现精确塑性成形。

局部加载控制技术可以通过施加适当的局部载荷,改变陶瓷材料的微观结构和晶粒尺寸,从而提高材料的强度和韧性,实现精确塑性成形。

同时局部加载控制技术还可以减少陶瓷材料在成形过程中的热损伤,提高成形效率。

再次局部加载控制技术在复合材料塑性成形中的应用,复合材料是由两种或多种不同性质的材料组成的新型材料,具有轻质、高强、高刚度等特点。

然而复合材料的加工难度较大,传统加工方法难以满足其精确塑性成形的要求。

局部加载控制技术可以通过施加适当的局部载荷,改变复合材料的微观结构和晶粒尺寸,实现精确塑性成形。

此外局部加载控制技术还可以减少复合材料在成形过程中的热损伤,提高成形效率。

随着科学技术的不断发展,局部加载控制技术在不均匀变形与精确塑性成形研究方面取得了显著的研究成果。

未来随着该技术的不断成熟和完善,将在更多领域发挥重要作用。

局部加载控制技术在不均匀变形和精确塑性成形中的应用背景和意义在现代工程领域,尤其是在航空航天、汽车制造和能源领域,不均匀变形和精确塑性成形技术的研究和应用具有重要的意义。

有限元法简介

有限元法简介

有限元法的孕育过程及诞生和发展 牛顿(Newton) 莱布尼茨(Leibniz G. W.)
大约在300年前,牛顿和莱布尼茨发明了积 分法,证明了该运算具有整体对局部的可加 性。虽然,积分运算与有限元技术对定义域 的划分是不同的,前者进行无限划分而后者 进行有限划分,但积分运算为实现有限元技 术准备好了一个理论基础。
思路:以计算机为工具,分析任意变形体以获得所有 力学信息,并使得该方法能够普及、简单、高效、方 便,一般人员可以使用。 实现办法:
技术路线:
发展过程: 如何处理 对象的离散化过程
常用单元的形状
.点 (质量)
面 (薄壳, 二维实体,
..
轴对称实体)
. .
...
. .
...
线性
二次
. . 线(弹簧,梁,杆,间隙)
有限元法介绍
有限元法的基本思想是将结构离散化,用 有限个容易分析的单元来表示复杂的对象, 单元之间通过有限个结点相互连接,然后 根据变形协调条件综合求解。由于单元的 数目是有限的,结点的数目也是有限的, 所以称为有限元法(FEM,Finite Element Method)。
有限元法是最重要的工程分析技术之一。 它广泛应用于弹塑性力学、断裂力学、流 体力学、热传导等领域。有限元法是60年 代以来发展起来的新的数值计算方法,是 计算机时代的产物。虽然有限元的概念早 在40年代就有人提出,但由于当时计算机 尚未出现,它并未受到人们的重视。
X
0.056
0.058
X
0.06
Y
Y
0 -0.02 -0.04 -0.06 -0.08
0
-0.001
-0.002
-0.003 0.054

有限元法概述

有限元法概述
但真正的应用实际问题是到1960年以后,随着电子数 值计算机的广泛应用和发展,有限单元法的发展速度才显 著加快。现代有限元法第一个成功的尝试,是将刚架位移 法推广应用于弹性力学平面问题,这是Turner,Clough 等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一 次给出了用三角形单元求得平面应力问题的正确解答。
(2)MSC/NASTRAN。 MSC/NASTRAN是在原NAST RAN基础上进行大量改进后的系统软件,主要包括MS C.Patran并行框架式有限元前后处理及分析系统、 MS C.GS-Mesher快速有限元网格、 MSC.MARC非线性有 限元软件等。其中MSC.MARC具有较强的结构分析能
.
5.在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题; 6. 模拟各种试验方案,减少试验时间和经费; 7. 进行机械事故分析,查找事故原因。
轴承强度分析
.
汽车碰撞实验
.
刹车制动时地盘的应力分析
.
钢板精轧机热轧制分析
.
三维椭圆封头开孔补强
.
水轮机叶轮的受力分析模拟
.
人体股骨端受力分析
.
半导体芯片温度场的数值仿真
知量时称为混合法。 位移法易于实现计算自动化,所以,在有限单元法
中位移法应用范围最广。
.
2、有限元法的发展
有限单元法基本思想的提出,可以追溯到Courantl在1 943年的工作,他第一次尝试应用定义在三角形区域上的 分片连续函数和最小位能原理相结合,来求解St·Venant 扭转问题。相继一些应用数学家、物理学家和工程师由于 各种原因都涉足过有限单元的概念。
.
4、有限元的特点
(1) 概念清楚,容易理解。可以在不同的专业背景和水平 上建立起对该方法的理解。从使用的观点来讲,每个人的 理论基础不同,理解的深度也可以不同,既可以通过直观的 物理意义来学习,也可以从严格的力学概念和数学概念推 导。

金属塑性成形解析方法

金属塑性成形解析方法

,同步略去二阶微量,则上式化简
所以按绝对值旳简化屈服方程,因
,故有
联解得 假设接触面满足常摩擦条件,对上式进行积分得
三 轴对称镦粗旳变形力
解得
为工件外端
处旳垂直压应力。
若该处为自由表面,


不然由相邻变形区提供旳边界条件拟定。
若τ= mK(K = Y/2),则可由上述公式求 出高度为h、直径为d 旳圆柱体自由镦粗 时接触面上旳压应力 和单位变形力p:
第十四章 金属塑性成形解析措施
第一节
塑性成形问题旳解与简化
一、塑性成形问题解旳概念
塑性成形力学旳基本任务之一就是拟定多种成形工序所 需旳变形力,这是合理选用加工设备、正确设计模具和 制定工艺规程所不可缺乏旳。 因为塑性成形时变形力是经过工具表面或毛坯旳弹性变 形区传递给变形金属旳,所觉得求变形力,需要拟定变 形体与工具旳接触表面或变形区别界面上旳应力分布。 塑性成形力学解析旳最精确旳措施,是联解塑性应力状 态和应变状态旳基本方程。
较复杂,影响原因诸多旳,常用旳摩擦模型有下列两种:
(1) 库仑摩擦模型 用库仑定律来描述变形体与工具接触表面之间
旳摩擦,即按接触表面上任意一点旳摩擦切应力与正压应力成正
比。其体现式为: f n
式 数中(该值 一f为般摩根擦据切经应验力拟;定,n为与接变触形面速上度旳无正关压。应当力接;触μ为表摩面擦温因度
ij
0
0
zr 0 z 则轴对称应力状态下旳应力平衡微分方程可写为
r
r
zr
z 0
r
r
0
rz z r z 0
r z r
二、塑性成形问题旳简化
Tresca屈服准则为
r

金属塑性成形力学课后答案

金属塑性成形力学课后答案

金属塑性成形力学课后答案【篇一:金属塑性成形原理习题】述提高金属塑性变形的主要途径有哪些?(1)提高材料成分和组织的均匀性(2)合理选择变形温度和应变速率(3)合理选择变形方式(4)减小变形的不均匀性2. 简答滑移和孪生变形的区别相同点:都是通过位错运动来实现, 都是切应变不同点:孪生使一部分晶体发生了均匀切变,而滑移只集中在一些滑移面上进行;孪生的晶体变形部分的位向发生了改变,而滑移后晶体各部分位向未改变。

3. 塑性成型时的润滑方法有哪些?(1) 特种流体润滑法。

(2) 表面磷化-皂化处理。

(3) 表面镀软金属。

4. 塑性变形时应力应变关系的特点?在塑性变形时,应力与应变之间的关系有如下特点(1)应力与应变之间的关系是非线性的,因此,全量应变主轴和应力主轴不一定重合。

(2)塑性变形时,可以认为体积不变,即应变球张量为零,泊松比??0.5。

、(3)对于应变硬化材料,卸载后再重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力,比初始屈服应力要高。

(4)塑性变形是不可逆的,与应变历史有关,即应力-应变关系不再保持单值关系。

5. levy-mises理论的基本假设是什么?(1)材料是刚塑性材料,级弹性应变增量为零,塑性应变增量就是总的应变增量。

(2)材料符合米塞斯屈服准则。

(3)每一加载瞬时,应力主轴和应变增量主轴重合。

(4)塑性变形上体积不变。

6. 细化晶粒的主要途径有哪些?(1)在原材料冶炼时加入一些合金元素及最终采用铝、钛等作脱氧剂。

(2)采用适当的变形程度和变形温度。

(3)采用锻后正火等相变重结晶的方法。

7. 试从变形机理上解释冷加工和超塑性变形的特点。

冷塑性变形的主要机理:滑移和孪生。

金属塑性变形的特点:不同时性、相互协调性和不均匀性。

由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织,称为变形织构。

随着变形程度的增加,金属的强度、硬度增加,而塑性韧性降低,这种现象称为加工硬化。

超塑性变形机理主要是晶界滑移和原子扩散(扩散蠕变)。

刚(粘)塑性有限元法

刚(粘)塑性有限元法

§1 刚(粘)塑性变分理论
一、刚塑性材料变形的边值问题
刚塑性边值问题由塑性方程和边界条件定义:
ij, j 0 V ijij 0
ij
1 2
ui, j u j,i
SP
刚性区 z
塑性区
ij
3 2
ij
y
f Y o
x Su
ij n j pi S S p
ui ui S Su
Y
s
g
与马尔可夫变分原理相同,可以采用拉格朗日 乘子法和罚函数法等方法引入体积不变条件
§2 刚塑性有限元的基本列式
以罚函数法为例
Π2
dV
V
V VV dV
Sp piuidS
0
形状函数矩阵
应变矩阵
位移 u~ N ue 应变 Bue
2 3
ijij
T D
ue T BT D Bue ue T Aue
造新的泛函式。
罚因子(如α=106)
dV
V
2
V V2dV
Sp piuidS
塑性变形功率 体积变形惩罚项 外力功率
极值条件
Π
dV
V
V VV dV
Sp pi uidS
0
3、体积可压缩法
认为塑性变形过程有体积的变化,屈服应力 也与平均应力有关。
*
3 2
ij
ij
g
2 m
*
第七章 刚(粘)塑性有限元法
金属 塑性 成形
金属 板料 成形
金属 体积 成形
金属板料成形中弹性变形影响 大,不能忽略,成形过程必须 采用弹塑性有限元法分析。
金属体积变形中弹性变形影响 小,可以忽略,成形过程可以 采用刚(粘)塑性有限元法分析。

金属塑性成形原理习题及答案

金属塑性成形原理习题及答案

《金属塑性成形原理》习题(2)答案一、填空题1. 设平面三角形单元内部任意点的位移采用如下的线性多项式来表示:,则单元内任一点外的应变可表示为=。

2. 塑性是指:在外力作用下使金属材料发生塑性变形而不破坏其完整性的能力。

3. 金属单晶体变形的两种主要方式有:滑移和孪生。

4. 等效应力表达式:。

5.一点的代数值最大的 __ 主应力 __ 的指向称为第一主方向,由第一主方向顺时针转所得滑移线即为线。

6. 平面变形问题中与变形平面垂直方向的应力σ z = 。

7.塑性成形中的三种摩擦状态分别是:干摩擦、边界摩擦、流体摩擦。

8.对数应变的特点是具有真实性、可靠性和可加性。

9.就大多数金属而言,其总的趋势是,随着温度的升高,塑性提高。

10.钢冷挤压前,需要对坯料表面进行磷化皂化润滑处理。

11.为了提高润滑剂的润滑、耐磨、防腐等性能常在润滑油中加入的少量活性物质的总称叫添加剂。

12.材料在一定的条件下,其拉伸变形的延伸率超过100%的现象叫超塑性。

13.韧性金属材料屈服时,密席斯(Mises)准则较符合实际的。

14.硫元素的存在使得碳钢易于产生热脆。

15.塑性变形时不产生硬化的材料叫做理想塑性材料。

16.应力状态中的压应力,能充分发挥材料的塑性。

17.平面应变时,其平均正应力m 等于中间主应力2。

18.钢材中磷使钢的强度、硬度提高,塑性、韧性降低。

19.材料经过连续两次拉伸变形,第一次的真实应变为1=0.1,第二次的真实应变为2=0.25,则总的真实应变=0.35 。

20.塑性指标的常用测量方法拉伸试验法与压缩试验法。

21.弹性变形机理原子间距的变化;塑性变形机理位错运动为主。

二、下列各小题均有多个答案,选择最适合的一个填于横线上1.塑性变形时,工具表面的粗糙度对摩擦系数的影响A工件表面的粗糙度对摩擦系数的影响。

A、大于;B、等于;C、小于;2.塑性变形时不产生硬化的材料叫做A。

A、理想塑性材料;B、理想弹性材料;C、硬化材料;3.用近似平衡微分方程和近似塑性条件求解塑性成形问题的方法称为B。

材料成形过程模拟仿真

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。
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10

金属塑性成形力学课后答案

金属塑性成形力学课后答案

金属塑性成形力学课后答案【篇一:金属塑性成形原理习题】述提高金属塑性变形的主要途径有哪些?(1)提高材料成分和组织的均匀性(2)合理选择变形温度和应变速率(3)合理选择变形方式(4)减小变形的不均匀性2. 简答滑移和孪生变形的区别相同点:都是通过位错运动来实现, 都是切应变不同点:孪生使一部分晶体发生了均匀切变,而滑移只集中在一些滑移面上进行;孪生的晶体变形部分的位向发生了改变,而滑移后晶体各部分位向未改变。

3. 塑性成型时的润滑方法有哪些?(1) 特种流体润滑法。

(2) 表面磷化-皂化处理。

(3) 表面镀软金属。

4. 塑性变形时应力应变关系的特点?在塑性变形时,应力与应变之间的关系有如下特点(1)应力与应变之间的关系是非线性的,因此,全量应变主轴和应力主轴不一定重合。

(2)塑性变形时,可以认为体积不变,即应变球张量为零,泊松比??0.5。

、(3)对于应变硬化材料,卸载后再重新加载时的屈服应力就是卸载时的屈服应力,比初始屈服应力要高。

(4)塑性变形是不可逆的,与应变历史有关,即应力-应变关系不再保持单值关系。

5. levy-mises理论的基本假设是什么?(1)材料是刚塑性材料,级弹性应变增量为零,塑性应变增量就是总的应变增量。

(2)材料符合米塞斯屈服准则。

(3)每一加载瞬时,应力主轴和应变增量主轴重合。

(4)塑性变形上体积不变。

6. 细化晶粒的主要途径有哪些?(1)在原材料冶炼时加入一些合金元素及最终采用铝、钛等作脱氧剂。

(2)采用适当的变形程度和变形温度。

(3)采用锻后正火等相变重结晶的方法。

7. 试从变形机理上解释冷加工和超塑性变形的特点。

冷塑性变形的主要机理:滑移和孪生。

金属塑性变形的特点:不同时性、相互协调性和不均匀性。

由于塑性变形而使晶粒具有择优取向的组织,称为变形织构。

随着变形程度的增加,金属的强度、硬度增加,而塑性韧性降低,这种现象称为加工硬化。

超塑性变形机理主要是晶界滑移和原子扩散(扩散蠕变)。

《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》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

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)

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。

第四章弹塑性有限元法基本理论与模拟方法

第四章弹塑性有限元法基本理论与模拟方法

第四章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
硬化法则
• 塑性硬化法则规定了材料进入塑性变形后的后继屈 服函数(又称加载函数或加载曲面) – 各向同性硬化 – 运动硬化 – 混合硬化
第二十九页,编辑于星期五:十九点 二十二分。
第四章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
各向同性硬化:材料进入塑性变形以后,屈服面在各方向均匀地向外扩张,其 形状、中心及其在应力空间的方位均保持不变。
• 非线性问题通常采用增量法求解(追踪加载过程中 应力和变形的演变历史。)
– 每个增量步采用Newton-Raphson迭代法
第六页,编辑于星期五:十九点 二十二分。
第四章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
非线性方程的迭代求解方法
f (x) 0
直接迭代法 x g(x) xk1 g(xk )
Newton-Raphson迭代
• 分类:
–不依赖时间的弹、塑性问题
• 非线性弹性——橡胶 • 弹塑性——冲压成形
–依赖于时间的粘(弹、塑)性问题
• 蠕变——载荷不变,变形随时间继续变化 • 松弛——变形不变,应力随时间衰减
第十四页,编辑于星期五:十九点 二十二分。
第四章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
非线性弹性材料行为
橡胶应力应变关系曲线
第八章 几种典型材料成形过程计算机模拟分析实例
第一页,编辑于星期五:十九点 二十二分。
第四章 弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
4.1 非线性问题及分类
• 在分析线性弹性问题时,假定:
– 应力应变线性关系
– 结构位移很小(变形远小于物体的几何尺寸)
– 加载时边界条件的性质不变
Kq P
如果不满足上述条件之一,就称为非线性问题

金属塑性成形原理---第九章_刚塑性有限元法及其应用

金属塑性成形原理---第九章_刚塑性有限元法及其应用

将9 2a、 9 2b代入式9 1得 1 u ( x, y ) (ai bi x ci y )ui (a j b j x c j y )u j (am bm x cm y )um 2 1 v ( x, y ) (ai bi x ci y )vi (a j b j x c j y )v j (am bm x cm y )vm 2 9 5a 即为单元节点位移与单 元内任一点位移的关系 式 1 N i 2 (ai bi x ci y ) 1 令 N j (a j b j x c j y ) 9 6 2 N m 1 (am bm x cm y ) 2 u ( x, y ) N i ui N j u j N m u m 9 5b v( x, y ) N i vi N j v j N m vm
轴对称问题的单元是其子午面有一定的几何 形状的环形旋转体。其节点应理解为圆形。
在三维空间问题中,常见的单元体形式为四 面体和六面体,也采用曲边四面体和曲边六 面体,如图示
9.3 单元的几何特性
9.3.1位移模式和形状函数������
1)位移模式必须包含单元的刚体位移������ 2)位移模式必须包含有单元的常应变项������ 3)位移模式必须满足位移的连续性 位移模式多采用多项式,它便于微分和积分,且增 加多项式的次数能提高计算精度
1 2 1 1
xi xj xm
yi y j (9 3) ym
, (9 4)将式中的下标循环变换 即得a j、b j、c j、am、bm、cm xj yj ai xm y m 1 yj bi 1 ym 1 xj ci 1 xm 同理可求得 1 a 4 2 ( ai vi a j v j am vm ) 1 a (bi vi b j v j bm vm ) (9 2b) 5 2 a6 1 (ci vi c j v j cm vm ) 2
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塑性成形过程中的有限元法
金属塑性成形技术是现代化制造业中金属加工的重要方法之一。

它是金属材料在模具和锻压设备作用下发生变形,获得所需要求的形状、尺寸和性能的制件的加工过程。

金属成形件在汽车、飞机仪表、机械设备等产品的零部件中占有相当大的比例。

由于其具有生产效率高,生产费用低的特点,适合于大批量生产,是现代高速发展的制造业的重要成形工艺。

据统计,在发达国家中,金属塑性成形件的产值在国民经济中的比重居行业之首,在我国也占有相当大的比例。

随着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,则会造成产品达不到质量要求,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。

为了防止缺陷的产生,以提高产品质量,降低产品成本,国内外许多大公司企业及大专院校和研究机构对塑性成形件的性能、成形过程中的应力应变分布及变化规律进行了大量的理论分析、实验研究与数值计算,力图发现各种制件、产品成形工艺所遵循的共同规律以及力学失效所反映的共同特征。

由于塑性成形工艺影响因素甚多,有些因素如摩擦与润滑、变形过程中材料的本构关系等机理尚未被人们完全认识和掌握,因而到目前为止还未能对各种材料各种形状的制件成形过程作出准确的定量判定。

正因为大变形机理非常复杂,使得塑性成形研究领域一直成为一个充满挑战和机遇的领域。

一般来说,产品研究与开发的目标之一就是确定生产高质量产品的优化准则,而不同的产品要求不同的优化准则,建立适当的优化准则需要对产品制造过程的全面了解。

如果不掌握诸如摩擦条件、材料性能、工件几何形状、成形力等工艺参数对成形过程的影响,就不可能正确地设计模具和选择加工设备,更无法预测和防止缺陷的生成。

在传统工艺分析和模具设计中,主要还是依靠工程类比和设计经验,经过反复试模修模,调整工艺参数以期望消除成形过程中的产品缺陷如失稳起皱、充填不满、局部破裂等。

仅仅依靠类比和传统的经验工艺分析和模具设计方法已无法满足高速发展的现代金属加工工业的要求。

因此,现代金属成形工艺分析过程中,建立适当的“过程模拟”非常重要。

随着计算机技术的发展,人们已经认识到数值模拟在金属成形工程中的重要价值,这一领域已成为现代国内外学者的研究热点。

应用塑性成形的数值模拟方法主要有上限法(Upper Bound Method)、边界元法(Boundary Element Method)和有限元法(Finite Element Method)。

上限元法常用于分析较为简单的准稳态变形问题;而边界元法主要用于模具设计分析和温度计算。

对于大变形的体积成形和板料成形,变形过程常呈非稳态,形状、边界、材料性质等都会发生很大的变化,有限元法可由实验和理论方法给出的本构关系、边界条件、摩擦关系式,按变分原理推导出场方程,根据离散技术建立计算模型,从而实现对复杂成形问题进行数值模拟。

分析成形过程中的应力应变分布及其变化规律,由此提供较为可靠的主要成形工艺参数。

因此基于有限元法的塑性成形数值模拟技术是当前国际上极具发展潜力的成形技术前沿研究课题之一。

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。

(2)能够提供金属塑性成形过程中变形力学的详细信息(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。

(3)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。

(4)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。

(5)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。

就金属塑性成形领域而言,有限元法大致可分为两类,一种是固体形塑性有限元法(Solid Formulation)—弹塑性有限元法,这类有限元同时考虑弹性变形和塑性变形,弹性区采用虎克定律,塑性区采用Prandte-Reuss方程和Mises屈服准则,对于小塑性变形所求的未知量是单元节点位移,适用于分析结构的失稳,屈服等工程问题。

对于大塑性变形,采用增量法分析。

这类有限元法的特点是考虑弹性区与塑性区的相互关系,既可以分析加载过程,又可以分析卸载过程,包括计算残余应力应变及回弹、以及模具和工件之间的相互作用,可以处理几何非线性和非稳态问题,其缺点是所取是的步长不能太大,计算工作量繁重,对于非线性硬化材料计算复杂。

过去弹塑性有限元法主要适用于分析板料成形、弯曲等工序。

但近年来随着计算机硬件技术的发展,这种方法正在朝着更广的应用范围扩展。

对于大多数体积成形问题,弹性变形量较小,可以忽略,即可将材料视为刚塑性体,同时为了克服上述弹塑性有限元方法的不足,C.H.Lee和S.Kobayashi于1973年首次提出了基于变分原理的流动型有限元法—刚塑性有限元法,用Lagrange乘子技术施加体积不变条件,由于这种方法不象弹塑性有限元法那样用应力应变增量进行求解,因此,计算时增量步进可取得较大一些,但对于每次增量变形来说,材料仍处于小变形状态,下一步计算是在材料以前的累加变形几何形状和硬化特性基础之上进行的,因此,可以用小变形的计算方法来处理大变形问题,并且计算模型较简单,这一方法已广泛的应用于二维轴对称问题的各种塑性工步分析。

1979年,O.C.Zienkiewicz 等又给出了采用罚函数法的体积不可压缩的刚塑性有限元法。

刚塑性有限元法通常只是用于一些金属的冷加工问题。

对于热加工(再结晶温度以上)应变硬化效应不显著,材料对变形速度具有较大的敏感性,因此,在研究热加工问题时要采用粘塑性本构关系,相应地发展了另一种流动型有限元法—刚粘塑性有限元法。

O.C.Zienkiewicz 等把热加工时金属视为非牛顿不可压缩流体,建立了相应的有限元列式,并进行了稳态流动的热力耦合计算,分析了拉拔、挤压、轧制等工艺过程。

Reblo等人进行了非稳态过程的热力耦合计算分析。

Mori和Osakada提出了刚塑性有限元中的可压缩方法,对多种轧制和挤压工艺以及粉末成形工艺进行了模拟。

Park、Oh、Rebelo、Kudo等用刚粘塑性有限元法对速率敏感材料成形过程进行了热力耦合计算。

Hartley和Stugess对塑性成形摩擦进行了研究,并用此分析了挤压轧制等成形问题。

另外,S.Kobayashi等人还提出刚塑性有限元反向模拟技术,并用此对一些简单的成形问题进行预成形设计,目前刚(粘)塑性有限元法是国内外公认的分析金属成形问题最先进的方法之一。

尽管塑性加工中的有限元理论及技术都有很大的发展,国内外的学者在一些方面已取得丰硕的成果,但由于塑性成形自身的特点,使得有限元在这个领域中的应用还存在许多具体的难题,如:如何建立一个能真实反映材料在成形过程中变形规律的本构关系、摩擦接触问题的处理、如何在分析过程中自动生成高质量的三维有限元网格及网格重划问题,宏观模拟和微观组织预测等,这些问题都急待解决,都是值得进一步开发研究的重要课题。

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