材料成型计算机模拟分析各种仿真软件介绍

CAE 所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、 以计算机软件的形式，为工程领域提供一种有效 的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、 工模具、以及制造成本等进行反复的评估、修改和优 化，直到获得最佳的结果。但由于所开发CAE 软件的 种类、功能都较有限，系列化与集成化都难以实现； 因此，CAE 应用还远未达到所定义范围。目前，模具 CAE 的主要内容还仅仅是利用CAD 生成的模型进行 成形工艺过程的数值模拟，以获得成形工件内不同时 刻任意位置的应力应变等多种场量的分布情况以及潜 在的问题等其它相关信息；并通过分析研究这些信息， 以达到以下几个方面的主要目的：
从数学角度理解，是将图7-1 所示的求解 区域剖分成许多三角形子区域，子域内 的位移可以由相应各节点的待定位移合 理插值来表示。根据原问题的控制方程 （如最小势能原理）和约束条件，可以 求解出各节点的待定位移，进而求得其 它场量。推广到其它连续域问题，节点 未知量也可以是压力、温度、速度等 物理量。这就是有限元方法的数学解释。
CAD/CAE在材料加工应用广泛
CAD CAE包括 体积成形分析 板料成形分析
流动成形分析
板料成形分析
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第一章绪论 第三章计算机辅助工程 第四章塑性变形基础 第五章材料成型CAE软件基础教程
绪论
长期以来，成形工艺和模具的设计以及工艺过 程分析主要是依据积累的实际经验、行业标准 和传统理论进行。但由于实际经验的非确定性、 行业标准的时效性、而传统理论对变形条件和 变形过程进行了简化； 因此，对复杂的成形工艺和模具设计往往不容 易获得满意的结果，使得调试模具的时间长、 次数多，甚至导致模具的报废。通常情况下， 为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保 守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺 寸的加大。

完成结构有限单元离散后，应对单元进行特性 分析。分析中，选择节点位移为基本未知量； 为了求得单元内的位移、应变和应力，就必需 使单元内各点位移能够用节点位移表示，通常 单元内位移分布难以精确描述；因此，为便于 分析，一般假定位移是坐标的某种简单函数， 这种函数称为位移模式或位移函数。 位移函数是否选择得当是有限元法分析中的关 键。

现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、 高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发 展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。 20 多年来，随着计算机技术和数值仿真技 术的发展，出现了计算机辅助工程分析 (Computer Aided Engineering)这一新兴的技术， 该技术在成形加工和模具行业中的应用，即模 具CAE。模具CAE 是广义模具CAD/CAM 中的 一个主要内容，现已在实际中体现出了越来越 重要的作用，也得到越来越广泛的应用。


成形过程数值模拟是模具CAE 中的基础， 目前所采用的数值模拟方法主要有两种： 有限元法和有限差分法；一般在空间上 采用有限元方法，而当涉及到时间时， 则运用有限差分法。以下简要介绍有关 数值模拟的基本内容和方法。
有限元法的基本概念

对于连续体的受力问题，既然作为一个整体获 得精确求解十分困难；于是，作为近似求解， 可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为 一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此 之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互 连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连 续体，如图7-1 弯曲凹模的受力分析所示；只 要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值 方法近似求得区域内的其它各场量的分布；这 就是有限元法的基本思想。

从物理的角度理解，即将一个连续的凹 模截面分割成图7-1 所示的有限数量的小 三角形单元，而单元之间只在节点处以 铰链相连接，由单元组合成的结构近似 代替原来的连续结构。如果能合理地求 得各单元的力学特性，也就可以求出组 合结构的力学特性。于是，该结构在一 定的约束条件下，在给定的载荷作用， 各节点的位移即可以求得，进而求出单 元内的其它物理场量。这就是有限元方 法直观的物理的解释。


从有限元法的解释可得，有限元法的实 质就是将一个无限的连续体，理想化为 有限个单元的组合体，使复杂问题简化 为适合于数值解法的结构型问题；且在 一定的条件下，问题简化后求得的近似 解能够趋近于真实解。
由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；因 此，有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也 便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元 越小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随 着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工 方式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储 量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整 体区域的有限元分析，都很适合于计算机的程序设计， 可由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展， 有限元分析才得以迅速的发展。

有限元法分析的基本过程 根据有限元法的基本概念，其分析过程概括起来有如 下内容，现以连续结构的应力应变分析为例，逐 步加以说明。 有限元分析的第一步是结构的离散化，这也是有 限元法的基础。简单来说，离散化就是将结构划分成 为有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，将 相邻单元体通过节点连接起来组成单元的集合体，并 替代原来的结构。对连续结构进行离散时，需保证离 散的结构能有效地逼近实际结构；且应能确保结构受 载荷变形时单元之间在边界上不裂开也不相互挤入， 即在变形过程中相邻单元的位移在边界上是相同的、 连续的；同时，为了提高计算精度，还需考虑进行离 散的合适单元形状、合理的单元数目和划分方案。
1、 对工件的可加工性能作出早期的判断， 预先发现成形中可能产生的质量缺陷， 并模拟各种工艺方案，以减少模具调试 次数和时间，缩短模具开发时间； 2、 对模具进行强度刚度校核，择优选取 模具材料，预测模具的破坏方式和模具 的寿命，提高模具的可靠性，降低模具 成本；

3、 通过仿真进行优化设计，以获得最佳 的工艺方案和工艺参数，增强工艺的稳 定性、降低材料消耗、提高生产效率和 产品的质量； 4、 查找工件质量缺陷或问题产生的原因， 以寻求合理的解决方案。