塑性加工模拟课程总结

第一章前言

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。按照工艺分为轧制、挤压、拉拔、锻造和冲压，按变形特征分为体积成形和板料成形。其中轧制就是金属发生连续塑性变形的过程，易于实现批量生产，因此生产效率高，是塑性加工中应用最为广泛的方法。利用轧制方法可以生产型材、板材和管材等，轧制产品占所有塑性加工产品的80%以上，钢铁、有色金属、某些稀有金属及其合金均可以采用轧制方法进行加工。由此可见，轧制在冶金工业及其国民经济生产中占有非常重要的地位。

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。塑性加工生产工艺过程一般是会根据市场需求，对制品进行加工工艺性分析，确定切实可行的工艺方案，同时进行模具及工艺的设计和制造，然后利用模具按照设计的工艺规程进行生产，其中最关键的环节是：模具的设计、制造及工艺设计。设计的合理与否，直接决定着能否生产处满足要求的产品。在传统的模具设计与制造和工艺设计过程是一个基于经验知识的跨行业工作过程，企业的各个部门之间相互独立，专业化程度较高，设计和制造作为两个独立的环节，两者之间往往缺乏有机的信息沟通和反馈。这样一来，整个设计与制造过程需要经过设计、试制、设计修改的多次：试模-修模-试模-修模，反复的过程，直到生产出合格的产品，这就导致设计周期长、成本高、可靠性不好。这种“反复试直到设计合理”的方法是传统塑性加工工艺的重要特征，它使得产品质量靠检验来保证，而不是融入设计制造的全过程。特别是在当前我国钢铁行业整体低迷，并且竞争日趋激烈的情况下，对加工技术提出了更高的要求，比如低成本、精度高和高效率。因此，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。

我们知道计算机数值模拟技术具有显著减少食盐量、缩短研发时间、提高命中率与信心和大幅度降低成本等优点。比如有限元分析技术，就是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，它只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解，它的迅速发展对材料加工技术的研究和发展起到了重要的促进作用。通过计算机数值模拟、过程仿真技术可极

大限度优化成形加工方法和工艺，实现对制备、成形与加工全过程的精确设计与精确控制。

图1

第二章有限元分析方法及应用

在数值模拟技术当中，有限元分析技术是最重要的工程分析技术。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。

2.1有限元分析方法的概念

有限元方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节点相互连接，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，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。

这种方法灵活性大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。对于一个应用工程师来说，他的目的是应用有限元方法去求解各种工程问题，目前市场上各种功能强大的有限元程序包很多，这些程序包使用方便，也不需要对有限元法进行很深入的了解，即可应用这些程序求解工程问题。因此，对于一般的工程技术人员来说，只需要花很少的时间了解一些有限元的基本知识即可，不需要对它的理论背景作更深入的研究。

有限元分析是一种模拟设计载荷条件，并且确定在载荷条件下的设计响应的方法。这种包含有限个未知量的有限元模型，只能近似具有无限未知量的实际系统的响应。

2.2有限元方法处理过程

有限元方法处理过程包括一下几个部分：

1)被研究问题的提出及被研究对象的确立；

2)选择合适的有限元求解器；

3)选择合适的前处理；

4)分析研究对象、物理参数、确定简化方案；

5)几何模型的建立；

6)单元模型、网格划分、材料定义；

7)载荷、约束及边界条件的加载；

8)有限元初始文件的输出及编辑；

9)调用求解器进行求解；

10)后处理。

2.3常见的有限元软件

目前在市场上常见的有限元软件包括：

1、前处理软件

常用的包含ANSYS/Pre,PATRAM,HyperMesh,VPG,DEFORM等。

2、求解器

NASTRAM,ANSYS,MARC,LS-DYNA等。

3、后处理

LS-POST,ETA/Post,PATRAM,DEFORM等。

评价一款有限元软件的好坏没有一个统一标准，但是随着市场经济的发展，对于购买软件并使用软件的企业或者个人来说：

1、计算的精确性

计算的结果能否真实的反映实际问题；

2、速度问题

能否及时的得到问题的计算结果；

3、达到熟练操作及所关心问题的学习过程的难易程度。

2.4有限元处理中需注意的问题

2.4.1单元位移模式及自由度的概念

单元位移模式的选择是为了通过单元节点位移描述单元内部任一点的位移变化的函数。

自由度就是在一个未约束的动力或其他系统中，为了完全确定该系统在给定时刻的状态所需要的独立变量的个数。一个质点在空间任意运动，需要三个独立坐标（x,y,z）确定其位置。所以自由质点有三个平动自由度i=3。

2.4.2刚体的概念及处理

1、刚体的概念

实际物体的理想化模型，即在受力后其大小、形状和内部各点相对位置都保持不变的物体。

一个刚体在空间任意运动时，可分解为质心的平动和通过质心轴的转动，它既有平动自由度还有转动自由度。确定刚体质心的位置，需三个独立坐标（x,y,z）--自由刚体有三个平动自由度i=3，确定刚体绕通过质心轴的转动，共有三个转动自由度r=3。一个任意运动的刚体，总共有6个自由度，即3个平动自由度和3个转动自由度。

2、刚体的处理

轧钢的轧辊，在不考虑轧辊变形的情况下，处理为刚体；冲压中的模具，在不考虑模具变形的情况下，处理为刚体；锻压中的模具，在不考虑模具变形的情况下，处理为刚体；挤压、拉拔中的模具，在不考虑模具变形的情况下，处理为刚体。通过处理与工件接触的部分（表面）的反力、接触面积、运动部件之间的干涉等等。

2.4.3网格描述

在有限元中采用两种坐标形式，一种为空间坐标，也称Eulerian坐标，特指一点在空间的位置；另一种为材料坐标，也称Lagrangian坐标，用以标记一个材料点。这样一来，针对相同的非独立变量，就可以采用不同的独立变量进行描述。其中采用采用Lagrangian坐标表示的称为Lagrangian描述，与之对应的为Eulerian描述。这样一来相应的也就存在两种不同的网格描述形式，一种为Lagrangian网格，另一种为Eulerian网格。针对Eulerian网格，节点与空间点重合；针对Lagrangian网格，节点与材料点重合。

图2网格

2.4.4等参单元相关概念

等参元的基本思想是：首先导出关于局部坐标系的规整形状的单元（母单元）的高阶位移模式的形函数，然后利用形函数进行坐标变换，得到关于整体坐标系的复杂形状的单元（子单元），如果子单元的位移函数插值结点数与其位置坐标变换节点数相等，其位移函数插值公式与位置坐标变换式都用相同的形函数与节点参数进行插值，则称其为等参元。其中母单元一般分为一维母单元，二维母单元和三维母单元。

2.4.5接触

“接触”指的是两个或多个物体（或一个物体的不同部分）挨上，碰到一起，这样以来就产生了接触界面。

图3接触

在有限元中，接触界面可以通过接触界面两侧的由任意节点及其组合的三角形和四边形面片构成的组元进行定义。接触界面一侧定义为从侧（接触面），相应的另一侧定义为主侧（目标面）。属于从侧的节点定义为从节点，相应的属于主侧的节点叫做主节点。

2.4.6壳单元的厚度偏置

壳单元是针对宽厚比较大的对象的一种简化计算方法，其有实际的物理厚度，在板成形数值模拟过程中，厚度不单纯是影响计算的重要因素，同时也是衡量计算结果及工艺好坏的重要参考。

针对宽厚比较大的对象，往往采用抽取中面的方法进行壳单元的网格划分，壳单元的厚度也就相应的采用中面法向映射的方法进行处理。这样以来计算过程中面壳单元偏执1/2厚度后形成实际对象的表面。

图4

厚度偏置主要有两种方式：基于节点的厚度映射方式和基于面片的厚度映射方式。

可以看出，节点映射厚度的方法可以得到连续的接触面，这一点在金属成形的计算过程中尤为重要。但是，由于节点映射厚度的方法需要单元法向连续，同时计算量也较大。

2.4.7隐式静力与显式动力分析方法比较

静力学隐式计算往往需要较少的时间步，但是每一个时间步都需要非常长的求解时间来达到收敛。收敛是必须的，但是却无法预知。特别是处理存在接触的大模型问题，收敛往往非常困难。

显式算法需要较多的时间步，但是每步计算时间短，计算的稳定性通过临界时间步长来控制，同时针对接触问题，显式求解解决起来就容易的多。

模型规模越大，显式求解的优越性也就越高，CPU时间随着单元量的增加隐式算法呈4次方增加，而显式算法呈3次方增加。当收敛困难的时候，显式的优越性就体现的更加明显。

表1

2.5有限元的应用

由于有限元分析具有显著减少实验量、缩短研发时间、提高命中率与信心和大幅度降低成本等优点，目前已广泛应用与塑性加工领域，研究材料的应力状态，变形程度等等。我也结合我所研究的冷弯成型课题，阅读了很多文献资料，看到了有限元分析方法在冷弯方面应用的独特优势。

图5

图6

第三章感想

随着科学技术的发展以及资源的日趋短缺，人们对产品的要求不仅仅停留在实现某些特定的功能和达到一定的安全系数上，而是要求在满足这两方面的前提下能够尽量节约能源，降低成本，达到更高的生产率和成形精度。

通过该课程的学习和研究，我了解到计算机数值模拟技术具有显著减少实验量、缩短研发时间、提高命中率与信心和大幅度降低成本等优点，它的发展对材料加工技术的研究与发展起到了重要的促进作用。目前我又结合我可能要研究的冷弯成形这方面的内容，阅读了相关的很多文献资料。我们知道连续辊式冷弯成形(roll forming) 是板带深加工的重要领域，是一项具有显著经济效益和社会效益的生产工艺。其产品冷弯型钢是一种用途极广的经济断面钢材，具有重量轻，成本低，工艺性能好等优点，拥有广阔的应用领域，已成为大批量生产最常用的板金属加工方法之一。

随着人们对数值方法的研究，尤其是有限元技术的利用，对冷弯成形过程的仿真无论准确性还是精度都将会进一步提高，更加符合于实际生产。前面所论述的两种方式中，编制专业的冷弯成形的仿真软件是将来的发展方向。但就更长远来看，随着各种成形设计及模拟软件的不断完善和发展，必然会将专门的数值模拟软件中强大的数值模拟功能移植到冷弯成形设计软件中去，使精确的数值模拟技术同高效的轧辊设计功能充分结合起来，形成功能强大的轧辊设计软件。然后再进一步发展，将设计人员的经验有效地收集起来，形成知识库，再加上合理的推理机，使冷弯成形的设计仿真软件成为智能的专家系统，这将对我们材料科学的发展带来极大的利好。