材料成型数值模拟课件

（2）热处理
¾模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程 ¾预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量 ¾专门的材料模型用于蠕变、相变、硬度和扩散 ¾可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布 ¾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
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。拥有相应的模块以后，这些耦合效应将 包括：由于塑性变形功引起的升温、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
2015-11-4
材料成型与控制专业选修武课汉理工大学材料学院
材料成型数值模拟
主讲：钱东升 副教授
材料大楼407 , qiands@whut.edu.cn
内容提纲
一、绪论 二、DEFORM-2D成形数值模拟 三、DEFORM-3D成形数值模拟 四、ABAQUS成形数值模拟
一、绪论
1、引言 2、工程意义与应用 3、常用软件介绍
1
2015-11-4
铸造
液态金属材料等量成形
锻压
固态金属材料等量成形
焊接
固态金属材料增量成形
热处理
固态金属材料等量成形
¾国民经济和社会发展作用
z95%，75%，65%
)95%以上零部件制造过程中经历了凝固过程 )75%钢材要进行塑性加工 )65%钢材要用焊接才得以成形
z第一，第一，第一
)我国是铸造、塑性加工、焊接和热处理第一大国 )2010年全国钢产量超过6亿吨，居世界第一 )2010年汽车产量超过1500万辆，居世界第一
9
2015-11-4
zDEFORM-Design Environment for Forming
由位于美国Ohio Clumbus的SFTC（Science Forming Technology Corporation)开发的。该系列软件主要应用于金 属塑性加工、热处理等工艺数值模拟。它的前身是美国空军 Battelle 实验室1979年开发的ALPID程序。在1991年成立的 SFTC公司将其商业化。目前，DEFOEM软件已成为国际上流行 的金属加工数值模拟软件之一。主要产品有： •DEFORM-2D •DEFORM-3D •DEFORM-PC •DEFORM-HT •DEFORM-TOOLS
且赢得了一系列世界重大赛事。
型号：B2-pro 材料：碳纤维 重量：7.58Kg
5
¾ANSYS在国家体育场设计中的应用
z 国家体育场是2008年第29届奥运会的主体育场，承担奥运会 开、闭幕式与田径比赛，总建筑面积约为25万m2。建筑的设 计使用年限为100年，其“鸟巢”结构将成为北京市的重要 标志性建筑。该建筑地面以上平面呈椭圆型，长轴为332.3m， 短轴为296.4m。主体结构由钢筋混凝土看台与带有可开合屋 盖的大跨度钢屋盖两部分构成。屋盖的主结构由48榀桁架与 中间环梁构成，支承在周边24根组合柱之上。屋盖的顶面呈 鞍形，最高点高度为68.5m，最低点高度为42.8m。主桁架围 绕屋盖中部的环梁放射形布置，与屋面及立面的次结构一起 形成了“鸟巢”的特殊建筑造型，主场看台部分采用钢筋混 凝土框架－剪力墙结构体系，与大跨度钢结构完全脱开。
什么是CAE？
¾计算机辅助工程(Computer Aided Engineering)
用计算机辅助求解复杂工程和产品结构力学性能的分析 计算以及结构性能优化设计等问题的一种数值分析技术
以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机 仿真分析 z使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算 z机数值模拟得到满意解答 z使大量繁杂工程分析问题简单化，使复杂过程层次化， z节省大量时间，避免低水平重复工作，使工程分析更快、 z更准确，在产品的设计、分析、开发方面发挥重要作用
国家体育馆空间结构梁焊接变形
第4 段 第3 段
第2 段
上翼板
第1段
结构整体示意图
隔板焊缝 G1 隔板焊缝 G4
外侧腹板
隔板 39 隔板 38
隔板 22a 隔板 37
隔板 B1
内侧腹板 下翼板
隔板编号示意图
隔板 41
主焊缝 Z4
隔板焊缝 G2 隔板焊缝 G3
主焊缝 Z1
主焊缝 Z3
主焊缝 Z2 焊缝的空间分布及编号图
¾CAE技术铸就“鲨鱼皮”
z 水的阻力是运动员提高游泳速度的最大障碍，它的 流动方式是决定泳速的关键因素，降低水的阻力成 为帮助游泳运动员提高成绩的最有效途径，它同时 也是最具难度的一项工作。而应用CAE仿真技术的 “鲨鱼皮”泳衣比普通泳衣的阻力低38%!
z CAE技术帮助研究人员获取关于泳衣表面和形体阻力的理想方 案。运动员要求理想的泳衣实现水中运动过程尽可能平滑和不 受到干扰，通过采用FLUENT数值分析，研究人员得到泳衣各部 位的阻力特性，并在高阻力区域布置低磨擦材料，从而使运动 员在水中尽可能地产生减少阻力的流体动力。
飞机、导弹、汽车产品设计与制造 ，零构件结构形状设计与成形过程 优化、零件精度、性能和寿命预测
z内容
)宏观模拟：预测形状、尺寸、轮廓 )微观模拟：预测组织、结构、性能
z目的
)))使 的确 主提塑 工保 要高性 程工 问零加 科艺 题件工 学成、 在进 阶设形设入 段计质计以 ，阶量和模提，段模型高完节具化塑全约制、性时解造最加一间决优工次和化行成成、业功本柔的科性学化为化特水征平
2、工程意义与应用
¾数值模拟促进了工艺改进
—大型船用曲轴锻造数值模拟研究
2015-11-4
6
2015-11-4
¾数值模拟促进了节能降耗
—大型轴类锻件倒棱滚圆过程数值模拟研究
初始坯料形状、不同型砧（平砧、 90°V砧和120ºV砧） 倒棱后锻件形状、以及120ºV砧滚圆后形状
不同型砧下的锻件倒棱、滚圆后的 断面形状精度
zDEFORM-基于工艺过程模拟的有限元系统
是一个模块化、集成化的有限元模拟系统，它包括前处理 器、后处理器、有限元模拟器和用户处理器4个功能模块。 有一个较完整的CAE集成环境，使用户能有效地进行前、后 置处理，可用于分析各种塑性体积成形过程中的金属流动以 及应变、应力、温度等物理场的分布，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、韧性破 裂和金属微结构等信息，并提供模具仿真及其他相关的工艺 分析数据。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：
10
2015-11-4
zDYNAFORM
科学研究和技术开发的先进重要支撑
CAE分析师
国外
因行业而异CAE分析师的年薪工资平均在8～10万美元， 网格划分师在10万美元以上。
国内
平均在年薪8万
4
2015-11-4
CAE技术应用
8月17日，北京奥运会游泳比赛项目在“水立方” 落下帷幕，9天内，我们见证了19项新的世界纪 录和7项新的奥运会纪录的诞生，见证了泳坛巨 星菲尔普斯身着“鲨鱼皮”泳衣勇夺8金的奥运传奇
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 ¾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 ¾用户自定义子函数允许用户定义自己的材料模型、压力模型破裂准则和 其他函数 ¾网格划线和质点跟踪可以分析材料内部的流动信息及各种场量分布 ¾温度、应变、应力、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了 ¾自我接触条件及完美的网格再划分使得在成形过程中即便形成了缺陷， 模拟也可以进行到底 ¾基于损伤因子的裂纹萌生及扩展模型可以分析剪切、冲裁和机加工过程
z最为量大面广的材料成型技术
)75%钢材、65%汽车零部件
冷成形 温成形 热成形
按温度 塑性 按坯料 板料成形
成形
体积成形
整体加载 局部加载
z制造业钢材60%为板材，都要通过板料成形为零部件
)汽车车身覆盖件、车体框架、底盘和排气管件 )飞机蒙皮、机翼和不同种类小型曲面铝合金薄壁件 )航空发动机火焰筒、密封环等高温合金和钛合金构件 )火箭和导弹等钛合金和高强铝合金异形管件 汽车轻量化关键--轻质高强板材复杂件精密成形技术
未来制造业 发展重点
精密成形技术
国家与国防中 长期科技发展
新能源 生物医学 电子产品 微小武器装备
关键基础零件 大型复杂构件
大飞机 载人航天与探月工程 航空母舰 高档数控机床
国民经济与国防建设健康绿色发展
2
2015-11-4
¾塑性成形（俗称锻压）
z利用材料塑性，在工具及模具外力作用下加工制件
)改变尺寸、形状 )改善组织、性能
z体积成形技术是先进重大装备基础核心零部件制造关键
)轴承轧制、齿轮摆辗成形可节能20-30%，节材15-30%，降低成本20%
改善组织、提高性能
塑 优点 性 成 形 缺点
节约材料和切削加工工时 生产效率高
不能直接成形形状复杂零件
需重型机械设备和复杂工模具
生产现场劳动条件差
¾塑性成形工艺特点
z加工工艺的多样性
代价低、效率高、通用性好 基于简化和假设 精度差、适用简单变形问题
可靠性好 代价高、效率低 影响因素多、重复性差
兼顾精度和效率 代价低 直观显示变形过程 求解复杂变形问题
¾材料成型数值模拟
--精密成形技术研究开发不可缺少的关键主流技术
z作用
)检验模具设计合理性
)分析材料流动规律 )预测成形缺陷 )优化工艺参数
z 研究人员使用FLUENT软件分析的仿真数据，精确定位运动员在水 中身体的高磨擦区，通过CAE技术寻找游泳运动员在水中身体最 大阻力的位置，然后在该部位采用低磨擦材料进行设计。
¾Felt赛车结构设计
z Felt赛车公司借助CFdesign设计出的自行车称为
“从未见过的最具空气动力学特性的自行车”，并
1、引言
¾材料成型
通过力场或温度场，或两者耦合作用，或再辅助以其他场作 用，改变材料的形状与尺寸，并控制改善零件的组织与性能
—国家自然科学基金委《机械工程学科发展战略报告》
材料
材料成型
产品
Βιβλιοθήκη Baidu传统材料 新材料
传统工艺 新工艺
传统产品 新产品
材料学 力学 机械学 信息学
目标：低耗、高效、高性能、轻量化、绿色
z支撑国民经济发展与国防建设的主要技术之一
)衡量国家制造技术与工业发展水平以及重大、核心关键 技术自主创新能力的主要标志之一
z促进零部件轻量化制造、节能减排、发展低碳经济 z和建设创新型国家的关键因素
)为航空航天、汽车、重大装备、兵器、能源、造船、信 息工业发展作出重要贡献
未来20年是我国航空航天与汽车制造 产业发展的战略机遇期，迫切需要 材料成型技术的全面提升与支撑！
① 设计工具和产品工艺流程，降低昂贵的现场试验成本 ② 提高工模具设计效率，减少生产费用和材料消耗 ③ 缩短新产品的研究开发周期
zDEFORM的主要功能
（1）成形分析
¾冷、温、热锻的成形过程和热传导耦合分析 ¾丰富的材料数据库，包括各种钢材、铝合金、钛合金等 ¾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
真
空 炉 实
空 炉
体
模
型
炉 内 流 场
工 件 内 部 温 度 场
轮毂轴承套圈轧制毛坯优化
3、数值模拟软件介绍
¾常用有限元模拟软件
z国外
)DEFORM )ABAQUS )ANSYS )FORGE )DYNAFORM )MSC.MARC
z国内
)SHEETFORM（北航） )CASFORM（山东大学） )MAFAP（北京机电研究所）
7
2015-11-4
¾数值模拟保障了产品质量
—多工步成形中的空洞型缺陷演化
—大型合金钢模块
大型长方体钢锭平砧拔长后的空洞闭合情况（外观图和剖面图）
基于空洞演化的体胞模型， 通过数值模拟可以为锻件 “控性”提供理论分析基 础，也为新工艺的创成提 供了依据
P20大模块预冷→水淬→自回火→水淬→自回火处理 珠光体分布云图
注：隔板焊缝编号以一个隔板 为例，其余隔板相同。
宁德项目2#反应堆压力容器接管段
温
700
modified design
Temperature in weld vicinity
Distance (mm)
焊接残余应力与焊缝布置
8
2015-11-4
核电装备堆内构件应力槽计算
真空高压气淬炉流场温度场模拟
真
)锻造 )冲压 )轧制 )挤压 )拉拔
z变形行为的复杂性
)变形机理的复杂性 )变形金属材料性能的可变性 )接触界面与摩擦作用
3
2015-11-4
¾塑性成形分析方法
z解析法
)工程法（主应力法） )滑移线法 )上限法(下限法）、上限单元法 )有限单元法
z实验法
)相似理论法 )视塑性法
z数值法
)有限元法 )有限差分法 )边界元法