圆柱体压缩过程模拟

铜陵学院课程实验报告实验名称圆柱体压缩过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师. 专业班级. 姓名. 学号.2012年04月23日实验一 圆柱体压缩过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉AUTOCAD 或PRO/E 实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM 软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM 软件分析压缩变形的变形力学问题。

1.2 实验内容运用DEFORM 模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。

（一）压缩条件与参数锤头与砧板：尺寸200×200×20mm ，材质DIN-D5-1U,COLD ，温度室温。

工件：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，温度室温。

表1 实验参数序号 圆柱体直径，mm 圆柱体高度，mm 摩擦系数，滑动摩擦 锤头运动速度，mm/s压缩程度，%1 100 150 0 1 202 100 150 0.2 1 203 100 250 0 1 20 41002500.2120（二）实验要求砧板工件锤头图1 圆柱体压缩过程模拟（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）比较方案1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。

2 实验过程2.1工模具及工件的三维造型根据实验给定的几何尺寸，运用PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出stl格式。

2.2 压缩过程模拟2.2.1 前处理建立新问题：程序→DEFORM6.1→File→New Problem→Next→在Problem Name栏中填写“Forging”→ Finish→进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulation Control按钮，点击Main，在Units栏中选中SI，并在Simulation Title栏中填入“Forging”，勾选“Defromation”。

添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“topdie”、“bottomdie”。

定义对象材料：在对象树上选择workpiece，点击General按钮设置物体类型为Plastic，填入温度20℃；点击Meterial，选择DIN-CuZn40Pb2完成材料属性的添加。

导入毛坯：导入已经画好的workpiece的几何实体；对几何实体进行几何检查，质量符合的图形才能进行网格划分并计算，检查质量合格。

实体网格化：在对象树上选择workpiece，点击Mesh，选择Detailed Settings 选项卡，将类型（Type）改为绝对的（Absolute），尺寸比（Size Ratio）改为2，最小单元尺寸（Min Element）改为3，然后生成实体网格。

工件体积补偿：在对象树上选择workpiece，点击Property，在Target V olume 卡上选中Active in FEM + meshing，自动生成体积补偿。

用样的方法定义上模topie，物体类型为Rigid，温度为20℃，勾选Primary Die。

设置上模参数，进入运动参数窗口，设置参数Directiont为-Z，Speed为1mm/s。

定义下模bottomdie，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。

模拟控制设置：点击Simulation Control按钮，点击Step按钮→在Number of Simulation Steps填入模拟步数为30（计算得出的）→Step Increment to Save设置存储增量为3→在Primary Die栏中选择topie→在With DieDisplacement栏中填入步长为1→点击OK按钮完成模拟设置。

调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框→改变X、Y、Z的数值来调整位置→点击OK按钮完成。

边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮→在对话框上选择workpiece—topdie→点击Edit按钮→点击Deformation卡Friction栏上选中Shear 和Constant选项，填入摩擦系数（方案1、3和3、4组实验的摩擦系数）→点击Close按钮→如此重复，依次设置其它接触关系→点击Generate all按钮点击tolerace 按钮→点击OK按钮完成边界条件设置。

保存k文件：在对象树上选择workpiece→点击Save按钮→点击保存按钮→保存工件的前处理信息→重复操作，依次保存各工模具的信息。

2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database generation按钮→在Type栏选中New选项→选择路径（英文）→填入数据库文件名（英文），如Forging →点击Check按钮→没有错误信息则点击Generate按钮→完成模拟数据库的生成。

2.2.3 退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。

2.2.4 模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的forging.DB文件→单击Run按钮，进入运算对话框→单击Start按钮开始运算→单击Stop按钮停止运算→单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。

2.3 后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击forging.DB文件→在Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。

1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；2）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况；4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况；5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；6）成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png；7）点跟踪分析：点击Point Tracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。

分别做方案1、2、3和4组实验，在后处理中提取必要的数据、曲线图等信息。

3 实验结果与分析根据以上实验过程模拟出来的数据和图形及相关分析如下： 3.1观察工件变形过程下面是四组方案的工件变形情况，分别取模拟步数为第1、9、18和30为研究对象，如下图1、2、3和4所示；坯料压缩后呈单鼓形，由于坯料上下端受到锤头和砧板的摩擦力的作用，横向流动小，而坯料中间部分是自由变形，所以压缩后呈单鼓形。

图1 方案1工件变形 坯料高度为150mm,摩擦力为0图2 方案2工件变形 坯料高度为150mm ，摩擦力为0.2图3 方案3工件变形 坯料高度为250mm ，摩擦力为03.2观察温度变化后处理中观察温度的变化云图如下图5所示,点击播放按钮选择第30步查看温度变化情况。

在整个挤压过程中，坯料整体的温度基本没有变化且均为室温，因为在室温（20℃）条件下且工件中心不与空气和挤压模具接触，散热和传热都也没有，故温度没有变化，即方案1、2、3和4温度变化为零。

3.3观察最大应力分布后处理中观察最大应力云图如下图6所示,点击播放按钮选择第30步查看最大应力分布情况。

比较方案1与2、3与4，无摩擦时最大应力分布均匀而有摩图4 方案4工件变形 坯料高度为250mm ，摩擦力为0.2方案1 温度变化方案2 温度变化方案3 温度变化方案4 温度变化图5 四组方案的温度变化云图对比擦时最大应力分层分布且最外层应力最大；这是因为有摩擦力时在圆柱表面出现附加拉应力使其应力发生变化，环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小。

比较1与3、2与4，得知高度较短的坯料，其最大应力较大，这是因为压下量相对越小，产生的附加应力拉应力和附加压应力就越小，应力越小。

3.4观察最大应变分布后处理中观察最大应变云图如下图7所示,点击播放按钮选择第30步查看最大应力分布情况。

比较方案1与2、3与4，无摩擦时的应变分布均匀而有摩擦时的应变呈分层分布且外层应变明显高于内层，这是因为无摩擦时，应变分布比较均匀，圆柱体处于一向压缩，两向拉伸状态，为自由变形应变分布均匀；又摩擦时圆柱分为三个变形区，为难变形区、自由变形区和易变形区，所以应变分层分布，其外层应力较大。

比较方案1与3、2与4，压缩量相对较小时其应变较大，因为压缩相对较小时其变形小，进而产生的最大应变较小。

方案1 最大应力方案2 最大应力方案3 最大应力 方案4 温度变化图6 四组方案的最大应力云图对比3.5观察破坏系数分布后处理中观察破坏系数云图如下图8所示,点击播放按钮选中第30步的破坏系数分布曲线，四组方案中的破坏洗漱基本为零，也就是说四组方案的坯料破坏很小；这是因为我们压缩量较小，变形小，坯料的不均匀变化小，变形抗力小。

所以几组方案的破坏情况基本相同。

方案1 最大应变方案2 最大应变方案3 最大应变 方案4 最大应变图7 四组方案的最大应变云图对比方案1 破坏系数 方案2 破坏系数3.6成型过程载荷曲线点击Load Stroke 按钮，生成变形工具加载曲线图，如下图9和载荷曲线和图10载荷曲线对比图所示。

在开始极短的时间内曲线呈垂直上升，此段属于弹性变形，变形均匀，载荷均匀增加；而后阶段呈缓慢的曲线上升，此段属于塑性变形，变形不均匀，载荷不均匀增加，随着挤压过程的进行，产生加工硬化，变形抗力增加，挤压力越来越大。

分析四组方案，比较方案1与2、3与4，得知在有摩擦力的情况下需要的负载大，则所需的挤压力大，这是因为有摩擦力时，金属流动越来越困难，所需的挤压力也越大；比较1与3、2与4，得知高度较短的坯料，需要的载荷大，则所需的挤压力大。

方案3 破坏系数 方案4 破坏系数图8 四组方案的破坏系数云图对比方案1 载荷曲线方案2 载荷曲线方案3 载荷曲线 方案4 载荷曲线图9 四组方案的载荷曲线对比根据上面四方案导出的相关成型过程载荷数值并制成相应图表如下：Time（sec）方案一方案二方案三方案四Load（N)0 0 0 0 01 162890.5 166324 95683.89 98617.362 164586.8 168491.2 96457.28 99364.913 167010.3 170824.3 97113.7 100224.74 169252.3 173189.2 98023.85 100984.95 171569.1 175602 98823.48 101829.66 173941.3 178067.6 99631.9 102695.77 176360.3 180585.5 102142.6 103538.58 178832 183157.8 102977.3 104406.49 181355.5 185785.7 103823.1 105276.810 183931.5 188470.7 104680.9 106154.611 186565.6 191214.1 105551.1 10705312 189255.4 194017.4 106433.9 10795913 192003.5 196883.1 107326.3 108875.914 194812.6 199812.9 108228.6 109804.715 197684.4 202808.9 109140.7 110745.516 200620.2 205873.1 108269.7 111698.717 203622 209006.6 109213.1 112664.218 206691.4 212212.2 110157.2 113642.219 209830.1 215492.6 111118 11463320 213041.1 218849.2 112098.9 115637.321 216325.8 222285 113087.3 116654.422 219688.1 225802.4 114088.9 117685.123 223128 229403.7 115103.7 118729.624 226651.2 233091.9 116132 119787.825 230257.6 236869.8 117173.9 120860.426 233950.4 240740.5 118229.9 121947.527 237732.7 244706.7 119298.8 123049.228 241606.8 248771.7 120383.6 124165.929 245578.5 253123.2 121483 125297.930 249648 257405.5 122591.7 126445.431 123721.3 127608.832 124866.6 128788.233 126027.5 129984.534 127201.3 131197.135 128402.5 132426.736129613 133673.7 37 130840.5 134938.4 38 132085.6 136220.6 39 133339.9 137521.6 40 134617 138841.4 41 135915.3 140180.3 42 137233.2 141538.6 43 138570.9 142916.8 44 139934.4 144315.2 45 141311.5 145734.3 46 142697.2 147174.4 47 144115.3 148636 48 145553.6 150119 49 147014.4 151624.8 50 148504.3 153153.23.7点追踪最大应力后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress ,生成最大应力变化曲线。