材料成形计算机模拟 第一章 绪论

材料成形计算机模拟主讲人：刘丹丹E-mail:[e-mail]:13972340150第一章绪论“材料成形计算机模拟”是利用计算机和数值计算方法研究材料成形过程基本规律的新兴技术和课程。教材《材料成形计算机模拟》第二版董湘怀著机械工业出版社参考书《金属塑性成形过程模拟》李尚健主编机械工业出版社《金属塑性成形原理》李尧著机械工业出版社§1-1本课程的目的和任务学习本课程需具备的基础知识是高等数学、线性代数、理论力学、金属塑性成形原理和有限元法基础方面的知识。成形过程数值模拟是模具CAE中的基础。一、本课程的目的掌握金属塑性成形过程模拟基本原理；掌握金属板料成形分析软件DYNAFORM的使用。二、本课程的任务：简明阐述线性弹性力学问题的有限元；阐述材料成形的刚塑性有限元模拟基础理论和实施方法；阐述材料成形的弹塑性有限元模拟基础理论和实施方法；阐述金属体积成形和板料成形的有限元模拟§1-2材料成形过程模拟方法概述一、材料加工的概念广义上的概念狭义上的概念二、材料成形模拟方法分类模拟是针对某个现象或过程原型，建立一个与该现象或过程具有相似性而又便于人们进行观测和控制的模型，通过研究模型在各种条件下的响应来推测原型在相应条件下的响应，从而获得对于原型规律性的认识。材料成形模拟方法分为物理模拟和数值模拟两大类。物理模拟及数值模拟是使材料科学研究由“经验”走向“科学”，由“定性”走向“定量”的桥梁。二、材料成形模拟方法分类物理模拟可以省时、省钱、高效地揭示新材料研制及其热加工过程中材料组织及性能的变化规律。数值模拟可以描述与设计许多无法用实验方法去展示的科学问题。三、计算机模拟的概念计算机模拟是通过数值计算得到微分方程边值问题来描述的具体材料成形问题中工件和模具的速度场(位移场)、应变场、应力场、温度场等,据此预测工件中组织性能变化以及可能出现的缺陷；利用计算机图形技术将这些分析结果直观地动态地呈现在研究设计人员面前,使他们能够通过这个虚拟的材料加工工程检验工件的最终形状尺寸性能等是否符合设计要求,正确选用机器设备和模具材料。§1-3材料成形过程的物理模拟={BDGE-BOOC-ADCC-BEDG}冲压工艺的新发展：材料、工艺、测控一体化体积成形过程物理模拟技术的研究及应用一、概述1、成形过程的物理模拟包括的内容：一是模拟研究成形过程的物理化学现象和性质，二是模拟研究成形过程中位移、应变和应力等力学数学内容。2、相似原理相似理论是模拟研究的基础，相似理论的基本内容包括在相似三定理中（相似第一定理、相似第二定理、相似第三定理）。确定相似准则的方法：分析方程式法和量纲分析法。3、塑性成形过程物理模拟准则在塑性模拟实验的模型与原型两个系统中，有关描述塑性变形现象的方程式，诸如平衡方程、几何方程、屈服条件、硬化条件和流动理论等单值条件应该相似。4、塑性成形的模拟材料常见的塑性成形的模拟材料有五类：软金属材料（铅、铝、铜、锡）、粘土类材料（塑泥）、蜡（熔点为54℃的石蜡）、高分子材料和同种实物材料。二、物理模拟分类1网格法网格法是用于塑性变形过程分析的经典方法之一，可用来确定试件内部的应力、应变、应变速度的分布规律，其方法是首先选定试样剖分面，该剖分面应能反映金属流动情况。制作网格的技术可用照像制版法、光刻法或电腐蚀法，精度可达0.2mm以下。测量网格尺寸可用测量显微镜、投影仪或专用检测装置等。2、云纹法在试件表面上制出一组栅线，称“试件栅”，它与试件一起变形，在其上重叠一块拷贝有栅线的玻璃版，由于光干涉就会产生云纹。这块玻璃栅版称为“基准栅”或“分析栅”。试件变形时，试件栅栅线的间距就会发生变化，云纹也随着增加、减少、倾斜或弯曲。因为云纹的分布和试件的变形情况有着定量的几何关系，从而可推算出试件各处的应变值。试件栅是用快干胶粘贴在试件上，或用光刻、腐蚀、镀膜和机械加工的方法做在试件上，随同试件变形的一组栅线。基准栅是叠合在试件栅上，产生云纹图象的一组栅线。基准栅可以用硬版（即玻璃栅版），也可以采用软版（即涤纶片栅版）。云纹图象可客观的揭示金属流动变形的特征。3、光塑性法光塑性法是用光测方法研究物体处于弹性或塑性状态下的应力、应变的一门学科。它采用透明的、具有双折射效应的光学敏感材料，制作成与原型构件相似的模型，使用偏振光透射塑性变形的透明模型，可在偏光镜屏幕上观察到一些相同颜色的条纹（等差线），这是最大剪切应力的几何点位置。同时也会出现斜度相同的条纹（等斜线）。据此计算出模型内的应力分布，最后根据相似理论，将模拟应力转换为原型应力。光塑性法分为模型光塑性法和实物光塑性法。模型光塑性法是将原结构按相似定理模拟成模型，应用光测方法研究模型受载后的弹塑性应变状态，然后再转换为原型结构的弹塑性应变状态。在模型光塑性法中，目前主要采用赛璐珞、聚碳酸酯聚合物制作模型进行实验。实物光塑性法是直接在金属结构表面上，粘贴双折射性质的材料制作的贴片进行实验以确定结构表面的弹塑性应力、应变状态。在实物光塑性法中，目前主要采用环氧树脂和聚碳酸酯作为贴片材料进行实验。§1-4材料成形过程的数值模拟一、数值模拟的定义数值模拟指采用一组数学方法（一般是微分方程）和定解条件将实际过程抽象成理论模型，采用电子计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条件下所发生的实际过程。数值模拟方法是建立在塑性成形过程力学分析的基础之上的。分析金属塑性成形过程的目的在于：（1）预测工件的几何形状是否满足产品的精度要求，是否会产生表面缺陷；（2）预测工件的内部质量，是否会发生破裂等；（3）预测模具的受力和磨损；（4）据此选择适当的材料和工艺及模具参数。二、数值模拟的基本特点使一个连续的、无限自由度问题变成离散的、有限自由度问题。三、数值模拟的分类1、有限元为代表2、有限差分法为代表四、常用的数值模拟软件板料成形模拟：美国DYNAFORM、德国AUTOFORM、法国PAM系列软件；体积成形模拟：美国DEFORM、MSC.SUPERFORGE，法国FORGE3等。国内板料成形：吉林金网格模具工程公司的KMAS、北航的SHEETFORM、华中科技大学的VFORM等，体积成形方面有北京机电研究所的MAFAP东风模具有限公司采用的是AUTOFORM。思考题1、什么是金属成形工艺数值模拟?材料成形工艺数值模拟是人们使用专用的计算机软件让计算机对整个成形过程的各种物理量的变化进行数值计算，预测出成形过程中工程师们所关心的各种有用的技术信息，并将最终的计算结果以各种图形或动画的形式直观生动地显示在计算机的屏幕上。从屏幕上人们可以看到工件的详细变形过程，以及各种物理量随空间和时间的变化。如果其工艺、模具或坯料设计不当，还可以看到由此所产生的各种成形缺陷，如开裂、折叠、过烧与回弹等等。做一次工艺数值模拟，就相当于在计算机上做了一次虚拟的工艺试验。与实际工艺试验相比，它的优势是成本低、周期短，所得到的技术信息更多更全、而且全是定量化的数据。如果发现模拟出的工件具有某些缺陷，可以根据自己的经验找出产生缺陷的原因，然后对工艺、模具和坯料进行修改。将修改后的数据进行第二次工艺模拟。如此反复直到工艺成功。目前金属成形工艺数值模拟技术已经基本成熟，并在工业中发挥了巨大的作用，给公司带来了丰厚的利润。在世界上很多著名的公司中，金属成形工艺数值模拟已经成为生产中一个不可缺少的的工序。讨论题2、数值模拟的基本原理是什么？金属成形过程是工件的一个弹（粘）塑性变形过程，有时在这个过程中还伴有明显的温度和微观组织变化。从物理的角度看，无论这个过程多么复杂，这个过程总可以通过一组微分方程以及相应的边界条件和初始条件表示出来。这组微分方程以及边界条件和初始条件可以根据固体力学、热力学和材料科学的基础理论建立起来。通常，这组微分方程的基本未知量是工件各点的位移、温度和一些用于描述微观组织的物理量。例如，对于普通的冲压过程，由于温度的影响和微观组织的变化可以忽略，因此基本的未知量只是工件各点的位移；而对于热锻过程，温度也应该作为基本的未知量。如果我们可以得到这组微分方程的解，那么，我们可以根据相关学科的基础理论和基本规律，由所得到的基本未知量计算出其他物理量（例如应力、应变、载荷等）随空间和时间的变化。由于金属成形过程的复杂性，这组微分方程具有极强的物理的和几何的非线性，因此得到这组微分方程的理论解是非常困难的。直到七十年代，随着计算机技术和数值计算方法特别是有限元方法的迅速发展，才使得有可能通过数值计算的方法来求解这组微分方程，从而逐步建立了金属成形工艺数值模拟技术。用计算机语言编写的求解这组微分方程并由基本未知量计算其他物理量全部计算过程的文件就是我们常说金属成形工艺数值模拟软件。讨论题3、做金属成形工艺数值模拟需要客户准备哪些数据?客户需要提供数据包括：工艺参数，坯料、模具的形状尺寸数据和材料性能数据，压力机数据等。对于冲压工艺：材料性能数据只包括板料在室温条件下的力学性能数据，例如：应力应变曲线，n值（应变硬化指数）的测定与r值（厚向异性系数）,成形极限图等。对于锻造工艺：如果客户需要了解模具的变形和应力数据，则还需要提供模具的力学性能数据。如果是热锻，除了需要提供模具和坯料在锻造温度条件下的力学性能数据外，还需要提供模具和坯料在锻造温度条件下的热力学数据。如果客户希望预测坯料的微观组织变化，还需要提供与坯料与微观组织变化有关的数据。讨论题4、通过金属成形工艺数值模拟,可以得到什么结果?金属成形工艺数值模拟可以预测出工件变形的详细过程，并定量地给出工程师们所关心的与变形有关的各种物理量在工件或模具上的空间分布以及随时间的变化。通常这些物理量包括:工件与模具的几何外形、位移、速度、（弹性和塑性）应变、应变率、应力、载荷等。对于热锻，还包括温度以及微观组织（例如：再结晶体积分数和晶粒度）。如果工件为疏松材料，还另外包括材料密度。根据上述各物理量的计算结果，我们可以判断出工件是否存在成形缺陷。例如，对于冲压工艺，您可以从工件外形判断是否起皱，对比成形极限图您可以看到工件哪些位置可能开裂。回弹计算结果直接给出工件各处的相对回弹量。对于锻造工艺，您可以从工件外形判断是否有折叠，工件是否已经充满模具型腔。从温度分布您可以判断工件温升是否太高，甚至出现过烧。对比破裂准则您可以看到工件哪些位置可能开裂。根据晶粒度分布您可以判断锻件是否出现混晶缺陷等。如果发现成形后的工件出现某些缺陷，可能是模具/坯料或者工艺的某些参数有问题，可以根据经验对工艺参数以及模具和坯料进行修改，然后再进行工艺模拟，看那些缺陷是否已经去掉。如此反复修改工艺反复模拟直到工件没有缺陷为止。在计算机上进行了一次工艺优化。这就是说通过金属成形工艺数值模拟，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的成形工艺。5、做金属成形工艺数值模拟对企业有什么好处?通过金属成形工艺数值模拟，可以进行工艺设计并最终得到一个经过优化的成形工艺。由于这个工艺模拟的计算是根据固体力学、材料科学与数值计算的基础理论进行的，因此这种数值模拟过程原则上与进行工艺试验具有相同的效果。但是由于工艺模拟是在计算机上进行的，它不需要加工实际的模具和坯料，也不需要压力机，从而使您在工艺设计和优化上所花费的时间、成本大为降低。可见这是一项能够给企业带来巨大经济效益的技术。由于数值模拟技术可以使开发新产品的工艺试验次数大为减少，从而缩短了新产品的开发周期，降低了新产品的开发成本，提高了企业在市场上的竞争能力。长期应用这项高新技术将大幅度地提升企业的技术水平，使工艺设计逐步地从传统的“技艺”走向“科