DEFORM综述

DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM)，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，有关成形过程中的材料和温度流动。

DEFORM. -3D强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。

系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。

典型的DEFORM-3D应用包括锻造、挤压、镦头、轧制,自由锻、弯曲和其他成形加工手段。

在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。

DEFORM-3D 图形界面，既强大又灵活。

为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效工具。

DEFORM系统简介: DEFORM(Design environment for forming) 是由美国Battelle Columbus 实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件。

早期的DEFORM - 2D 软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。

随着有限元技术的日益成熟,DEFORM 软件也在不断发展完善,目
前,DEFORM软件已经能够成功用于分析考虑热力耦和的非等温变形问题和三维变形(DE2FORM- 3D) ,此外,DEFORM软件可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术,都使DEFORM这一商业化软件在现代工业生产中变得愈来愈实用而可靠。

DEFORM 软件的模块结构: DEFORM- 2D 和DEFORM- 3D 的模块结构基本相同,都由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成,不同的是DEFORM - 2D 自身可以制作简易的线框模具,DEFORM - 3D 不具备实体造型能力,但它提供一些通用的CAD 数据接口,如IGES 和STL 接口。

前处理器包括三个子模块(1) 数据输入模块,便于数据的交互式输入,如:初始速度场、温
度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。

(2) 网格的自动划分与自动再划分模块。

(3) 数据传递模块,当网格重划分后,能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等
数据的传递,从而保证计算的连续性。

真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的,DEFORM运行时,首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组,然后通过直接迭代法和Newton -Raphson 法进行求解,求解的结果以二进制的形式进行保存,用户可在后处理器中获取所需要的结果。

后处理器用于显示计算结果,结果可以是图形形式,也可以是数字、文字混编的形式。

可
获取的结果可为每一步的(1) 有限元网格; (2) 等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等
色图; (3) 速度场; (4) 温度场; (5) 压力行程曲线等。

此外用户还可以列点进行跟踪,对个别点
的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察,并可根据需要抽取数据。

利用类似DEFORM等有限元软件,模拟分析金属的流动规律,有利于帮助设计人员优化工艺参数和模具设计,减少模具的前期开发费用,其健壮而有效的有限元代码,方便而可行的前后模拟处理器,以及现在愈来愈快的工作站都大大减少了设计人员的工作量,从而有利于缩短模具的设计开发周期。

但是,对于一些复杂的工艺过程进行模拟时,模拟过程的计算量会很大,可达几个星期甚至几个月,有时这种模拟是很不经济的,为此, 可根据实际需要对模拟过程做适当的简化,以期在较短的时间内获取所需的主要信息。

下面一些假设是在有限元模拟中常用的一些简化方法。

(1) 用等温变形代替非等温变形。

这种假设能够获取基本数据,常用于变形过程对温度变化不非常敏感的材料,如碳素钢等;另外,也适用于变形速度比较快,模具冷却效果不明显的场合,如机械压力机锻造或者螺旋压力机锻造等。

(2) 忽略模具上一些次要的几何特征。

例如,忽略零件上定位槽的几何形状,不会对金属的流动产生明显的影响,但是,这种简化却能大大减少计算时间以及网格重划分的次数。

(3) 确定适当的网格数目,合理的分配网格密度。

网格数目过多或者过少都不利于有限元的模拟计算,可根据零件变形情况,适当的预设定网格数目,并对变形剧烈的区域预先实行细划分,可大大减少计算时间。

显而易见,为了保证模拟过程的不间断性,网格的自动划分与再划分技术,网格密度分布的自动优化技术,以及新旧网格间数据的自动传递技术在有限元代码中是必需的。

对于体积成形工艺(如锻压), 金属材料产生较大的塑性变形, 而弹性变形相对较小, 可忽略不计。

有限元法则是将求解域离散为一组有限个形状简单且仅在节点处相互连接的单元集合体, 在每个单元内用一个满足一定要求的插值函数描述其基本未知量在其中的分布, 随着单元尺寸的减少, 近似的数值解将越来越逼近精确解, 有限元法适应任意复杂和变动的边界[3]。

这种算法广泛应用于材料冷、热体积成形过程的模拟,成为了工程分析软件(CAE) 的核心算法,DEFORM-3D 软件便是其中之一。

DEFORM-3D 软件是在一个在集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析的软件。

适用于热、冷、温成形, 提供极有价值的工艺分析数据。

如: 材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。

DEFORM-3D 软件图形界面既强大又灵活。

为用户准备输入数据和观察结果数据提供了有效的工具; 并且其计算精度和结果可靠性, 被国际成形模拟领域公认为第一。

DEFORM 有限元分析系统是一套专为金属塑性成形设计的有限元仿真软件, 用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺, 帮助技术人员进行模具设计及工艺分析。

DEFORM诞生的历史背景：
1979 年, 美国Battelle Columbus 实验室在美国空军基金的资助下开发了有限元计算成形AL P ID (A nal2ysis of Large Plastic Incremental Deformation)。

该程序为刚塑性及刚粘塑性有限元法通用程序, 采用高阶单元, 模具及边界条件的人工描述, 自动产生初始速度场, 并附有绘图程序FEGRA 来自动显示中间变形过程的图形, 能处理常应力摩擦和Coulomb 摩擦。

但其只能分析平面问题和轴对称问题, 并且没有考虑非等温成形的热传导问题和加工设备形式, 也没有网格重划分功能。

随后几年中,AL P ID 的开发人员针对用户提出的种种要求, 逐渐将程序完善, 并采用Mo t if 界面设计工具, 将计算程序发展为商品化分析软件DEFORM (Design Enviroment for Form ng ) , 由美国SFTC 公司推广应用。

DEFORM的概况：DEFORM 是一套基于有限元的工艺仿真系统, 用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。

通过在计算机上模拟整个加工过程, 帮助工程师和设计人员: ①设计工具和产品工艺流程, 减少昂贵的现场试验成本; ②提高工模具设计效率, 降低生产和材料成本; ③缩短新产品的研究开发周期。

DEFORM 不同于一般的有限元程序, 它是专为金属成形而设计的。

它具有非常友好的图形用户界面, 可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。

这样, 工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上, 而不是去学习烦琐的计算机系统。

DEFORM 专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。

DEFORM 系统结构：
DEFORM 是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统, 它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。

前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入, 建立边界条件, 它还包括有限元网格自动生成器; 模拟器是集弹性、弹塑性、刚(粘) 塑性、热传导于一体的有限元求解器; 后处理器是将模拟结果可视化, 支持O PGL 图形模式, 并输出用户所需的模拟数据。

DEFORM 允许用户对其数据库进行操作, 对系统设置进行修改, 以及定义自己的材料模型等。

DEFORM 的功能：
( 1) 成形分析: ①冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析, 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; ②丰富的材料数据库, 包括各种钢、铝合金、钛合金等, 用户还可自行输入材料数据; ③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, 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; ④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;⑤温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了。

(2) 热处理: ①模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程; ②预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量;③可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布; ④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。

混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。

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, 各种现象之间相互耦合。

拥有相应的模块之后, 这些耦合将包括: 由于塑性变形引起的升温、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。

DEFORM--3D系统简介：DEFORM23D是美国Battelle Columbus实验室开发的一套有限元分析软件。

DEFORM23D在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析,适用于热、冷、温成形,并提供极有价值的工艺分析数据。

如:材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。

DEFORM-3D还具有以下特点:不需要人工干预,全自动网格再剖分;前处理中自动生成边界条件,确保数据准备快速可靠;单步模具应力分析方便快捷,适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析;材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型;实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解,也可以耦合在成形模拟中进行分析。

这些特点使DEFORM23D这一有限元分析软件在工业生产中显得实用而可靠。

2 DEFORM 23D的内部结构
DEFORM23D的结构由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。

2. 1 前处理器
前处理器包括三个子模块①数据输入模块,便于数据的交互式输入,如: 初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。

②网格的自动划分与自动再划分模块。

③数据传递模块,当网格重划分后,能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递,从而保证计算的连续性。

2. 2 模拟处理器
真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的,DEFORM 运行时,首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组, 然后通过直接迭代法和Newton2Raphson法进行求解,求解的结果以二进制的形式进行保存,用户可在后处理器中获取所需要的结果。

2. 3 后处理器
后处理器用于显示计算结果,结果可以是图形形式,也可以是数字、文字混编的形式。

可获取的结果可为每一步的①有限元网格; ②等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图;③速度场; ④温度场; ⑤行程载荷曲线等。

此外用户还可以列点进行定点跟踪,对个别点的轨迹、应力、应变、温度等进行跟踪观察,并可根据需要抽取数据。

模型的建立和导入：DEFORM23D软件支持多种CAD 系统,如PRO2ENGINEER、IDEAS、PATRAN以及STL /SLA 格式。

采用PRO - ENGINEER建模,另存为STL后导入DEFORM23D软件前处理器。

网格划分与重划分：DEFORM23D软件只能划分四面体网格。

DEFORM23D软件有强大的网格自动重划分功能,当初始网格过大或模拟步长过大时,都有可能导致模拟过程中出现网格畸变,这时为了保证模拟的
正确进行, DEFORM23D 软件便启动其网格自动重划分功能。

DEFORM23D软件不仅可以绘制工件的整体云图,还可以对工件进行剖分后绘制工件内部的云图。

热力耦合分析：在金属的变形过程中,大量的机械功经由塑性变形和工具—工件界面的摩擦力转化为热。

如果产生的这个热很显著,或者如果工件的初始温度与周围环境及工具有很大的差别,就势必要进行热力耦合分析了。

应用DEFORM23D软件进行热力耦合分析只需要在前处理器中设置工具与工件之间的热传导系数,指出工具和工件与环境的热交换面。

材料流动和定点追踪：可以很清晰地观察金属流动的过程和判断金属流动的历史,这有利于在金属塑性变形过程中观察缺陷的生成和分析缺陷的原因,也有利于控制金属的流动趋势。

追踪点功能还可以给出点在变形过程中的方向应力、最大主应力、方向应变、等效应变、方向应变速率、等效应变速率、温度等参数随变形时间或行程的变化情况。

DEFORM23D软件的前后模拟处理器方便而可行,它的特点决定了这一有限元分析软件在工业生产中实用而可靠。

利用DEFORM有限元软件对金属的塑性变形进行模拟,有利于帮助设计人员优化工艺参数,有利于缩短工艺的设计开发周期,以及现在愈来愈快的工作站都大大减少了设计人员的工作量,提高了社会生产效率。