材料成形过程模拟仿真
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Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。 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
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
Ansys
Ansys软件是集结构、热、流 体、电磁、声学于一体的大型 通用有限元商用分析软件，可 广泛应用于核工业、铁道、石 油化工、航空航天、机械制造、 能源、电子、造船、汽车交通、 国防工业、土木工程、生物医 学、轻工、地矿、水利、日用 家电等一般工业及科学研究。
；
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的基本原理
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
Thermo-calc
Thermo-calc是世界上最好的 多元相图计算软件。 Thermo-calc基于热力学的基 本原理，对于各种合金的平衡 相图、各种温度下相的种类及 相对量均可进行定量分析计算。 Thermo-cal的热力学数据库涵 盖了广泛的材料系列，而且数 据准确可靠。
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。 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。 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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
模拟软件ANSYS 简介
简介内容
ANSYS公司 ANSYS的技术特点 ANSYS的产品家族 ANSYS功能概览 ANSYS其他分析实例 ANSYS的模块及其功能 ANSYS的基本操作
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
MSC.Marc
Marc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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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、 Autoforge、 Mvision、Thermal-calc
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
MSC.Patran
开放的工程分析框架结构 图形用户界面方便易用 CAD模型直接访问和几何建模 智能化模型处理：可把几何模型上的 载荷、边界条件、材料及单元特性转 化为有限元信息。 自动有限元建模 完全的分析集成：将多种分析软件技 术集成到Patran一个公共环境中，共 用一个模型。 数据库不同平台相互兼容 用户化技术：在Patran的框架系统中 直接嵌入自行开发的应用程序和功能 结果可视化处理 开放的软件开发环境:全功能的编程语 言——PCL
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
MSC.Marc/Mentat
•Mentat是非线性有限元分 析的前后处理图形交互界面， 具有一流实体造型功能，全 自动网格划分和建模能力， 可以直观灵活地定义多种材 料模型和边界条件，控制分 析过程、递交分析、自动检 查模型的完整性，实时监控 分析，可视化处理计算结果， 并可直接访问常用的 CAD/CAE系统。
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 理场耦合CAE分析软件 Deform MSC系列：Nastran、ADAMS、Marc、Autoforge等 Ansys
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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
同时考虑弹性变形和塑性变形，对 热加工（再结晶温度以上）应变 于小塑性变形所求的未知量是单元 对于大多数体积成形问题，弹性变 硬化效应不显著，材料对变形速 节点位移，适用于结构失稳，屈服 形量较小，可以忽略，即可将材料 度具有较大的敏感性，因此，在 等问题。对于大塑性变形，采用增 视为刚塑性体。这种方法不需要用 研究热加工问题时要采用粘塑性 量法分析。既可以分析加载过程， 应力应变增量进行求解，计算时增 本构关系。把热加工时金属视为 又可以分析卸载过程，计算残余应 量步进可取得大一些，但对于每次 非牛顿不可压缩流体，建立了相 力应变及回弹、以及模具和工件之 增量变形来说，材料仍处于小变形 应的有限元列式，可以进行稳态 间的相互作用。可以处理几何非线 状态，下一步计算是在材料以前的 流动的热力耦合计算，刚粘塑性 性和非稳态问题，其缺点是所取是 累加变形几何形状和硬化特性基础 有限元法常用来分析拉拔、挤压、 的步长不能太大，计算工作量繁重。 之上进行的，因此，可以用小变形 轧制等工艺过程 。 过去弹塑性有限元法主要适用于分 的计算方法来处理大变形问题，并 析板料成形、弯曲等工序。 且计算模型较简单。刚塑性有限元 法常用于一些金属的冷加工问题。 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
Dictra
Dictra主要用来模拟多 元系统中扩散控制的相 变。
可以计算扩散方程、热 动力学平衡方程、流量 平衡方程及相界面的移 动等。
DICTRA的基本结构
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
ANSYS的技术特点
能实现多场及多场耦合分析 实现前后处理、分析求解及多场分析统一的数据库。 融前后处理与分析求解于一身。 强大的非线性分析功能 快速求解器 最早采用并行计算技术 从PC、工作站、大型机到巨型机所有硬件平台的全部数据 文件兼容，用户界面统一。 智能网格划分 可与大多数CAD软件集成并有接口 多层次多框架的产品系列 良好的用户开发环境
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
ANSYS简介
Ansys公司是由美国 著名力学专家，匹兹 堡大学力学系教授 John Swanson博士 于1970年创建发展起 来的，是世界CAE行 业最大的公司。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
成型过程数值分析方法的功能
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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)
用于模具设计分析和温度计算
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。 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
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
Ansys
Ansys软件是集结构、热、流 体、电磁、声学于一体的大型 通用有限元商用分析软件，可 广泛应用于核工业、铁道、石 油化工、航空航天、机械制造、 能源、电子、造船、汽车交通、 国防工业、土木工程、生物医 学、轻工、地矿、水利、日用 家电等一般工业及科学研究。
；
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
有限元法的基本原理
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
Thermo-calc
Thermo-calc是世界上最好的 多元相图计算软件。 Thermo-calc基于热力学的基 本原理，对于各种合金的平衡 相图、各种温度下相的种类及 相对量均可进行定量分析计算。 Thermo-cal的热力学数据库涵 盖了广泛的材料系列，而且数 据准确可靠。
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。 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。 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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
模拟软件ANSYS 简介
简介内容
ANSYS公司 ANSYS的技术特点 ANSYS的产品家族 ANSYS功能概览 ANSYS其他分析实例 ANSYS的模块及其功能 ANSYS的基本操作
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
MSC.Marc
Marc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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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、 Autoforge、 Mvision、Thermal-calc
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
MSC.Patran
开放的工程分析框架结构 图形用户界面方便易用 CAD模型直接访问和几何建模 智能化模型处理：可把几何模型上的 载荷、边界条件、材料及单元特性转 化为有限元信息。 自动有限元建模 完全的分析集成：将多种分析软件技 术集成到Patran一个公共环境中，共 用一个模型。 数据库不同平台相互兼容 用户化技术：在Patran的框架系统中 直接嵌入自行开发的应用程序和功能 结果可视化处理 开放的软件开发环境:全功能的编程语 言——PCL
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
MSC.Marc/Mentat
•Mentat是非线性有限元分 析的前后处理图形交互界面， 具有一流实体造型功能，全 自动网格划分和建模能力， 可以直观灵活地定义多种材 料模型和边界条件，控制分 析过程、递交分析、自动检 查模型的完整性，实时监控 分析，可视化处理计算结果， 并可直接访问常用的 CAD/CAE系统。
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 理场耦合CAE分析软件 Deform MSC系列：Nastran、ADAMS、Marc、Autoforge等 Ansys
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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
同时考虑弹性变形和塑性变形，对 热加工（再结晶温度以上）应变 于小塑性变形所求的未知量是单元 对于大多数体积成形问题，弹性变 硬化效应不显著，材料对变形速 节点位移，适用于结构失稳，屈服 形量较小，可以忽略，即可将材料 度具有较大的敏感性，因此，在 等问题。对于大塑性变形，采用增 视为刚塑性体。这种方法不需要用 研究热加工问题时要采用粘塑性 量法分析。既可以分析加载过程， 应力应变增量进行求解，计算时增 本构关系。把热加工时金属视为 又可以分析卸载过程，计算残余应 量步进可取得大一些，但对于每次 非牛顿不可压缩流体，建立了相 力应变及回弹、以及模具和工件之 增量变形来说，材料仍处于小变形 应的有限元列式，可以进行稳态 间的相互作用。可以处理几何非线 状态，下一步计算是在材料以前的 流动的热力耦合计算，刚粘塑性 性和非稳态问题，其缺点是所取是 累加变形几何形状和硬化特性基础 有限元法常用来分析拉拔、挤压、 的步长不能太大，计算工作量繁重。 之上进行的，因此，可以用小变形 轧制等工艺过程 。 过去弹塑性有限元法主要适用于分 的计算方法来处理大变形问题，并 析板料成形、弯曲等工序。 且计算模型较简单。刚塑性有限元 法常用于一些金属的冷加工问题。 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
Dictra
Dictra主要用来模拟多 元系统中扩散控制的相 变。
可以计算扩散方程、热 动力学平衡方程、流量 平衡方程及相界面的移 动等。
DICTRA的基本结构
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
ANSYS的技术特点
能实现多场及多场耦合分析 实现前后处理、分析求解及多场分析统一的数据库。 融前后处理与分析求解于一身。 强大的非线性分析功能 快速求解器 最早采用并行计算技术 从PC、工作站、大型机到巨型机所有硬件平台的全部数据 文件兼容，用户界面统一。 智能网格划分 可与大多数CAD软件集成并有接口 多层次多框架的产品系列 良好的用户开发环境
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
ANSYS简介
Ansys公司是由美国 著名力学专家，匹兹 堡大学力学系教授 John Swanson博士 于1970年创建发展起 来的，是世界CAE行 业最大的公司。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
成型过程数值分析方法的功能
Βιβλιοθήκη Baidu
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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)
用于模具设计分析和温度计算