DEFORM实验报告——镦粗

铜陵学院课程实验报告实验名称圆柱体压缩过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师张金标专业班级09材控（1）.姓名万伟学号09101210592012年04月29日1实验一圆柱体压缩过程模拟1实验目的与内容1.1实验目的进一步熟悉AUTOCAD或PRO/E实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM软件分析压缩变形的变形力学问题。1.2实验内容运用DEFORM模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。（一）压缩条件与参数锤头与砧板：尺寸200×200×20mm，材质DIN-D5-1U,COLD，温度室温。工件：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，温度室温。表1实验参数序号圆柱体直径，mm圆柱体高度，mm摩擦系数，滑动摩擦锤头运动速度，mm/s压缩程度，%1100150012021001500.21203100250012041002500.2120（二）实验要求砧板工件锤头图1圆柱体压缩过程模拟2（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；（2）设计模拟控制参数；（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；（5）比较方案1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，说明原因；（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。2实验过程2.1工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出STL格式。2.2压缩过程模拟2.2.1前处理建立新问题：程序DEFORM-3DVer6.1FileNewProblemNext在ProblemName栏中填写“Forging”Finish进入前前处理界面；单位制度选择：点击SimulationControl按钮Main按钮在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“topdie”、“bottomdie”。定义对象的材料模型：在对象树上选择workpiece点击General按钮选中Plastic选项（塑性）点击AssignTemperature按钮填入20点击OK按钮；在对象树上选择topdie点击General按钮选中Rigid选项（刚性）点击OK按钮勾选PrimaryDie选项如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选PrimaryDie选项）。实体网格化：在对象树上选择workpiece点击Mesh（采用绝对划分）点击DetailSettings选择Absolute将MinElementSize中数据改为3点击SurfaceMeshSolidMesh，工件网格生成；工件体积补偿：在对象树上选择workpiece点击Property在TargetVolume卡上选中Active选项点击CalculateVolume按钮点击Yes按钮。设置对象材料属性：在对象树上选择workpiece点击Material右边；Loadmaterialfromlibrary点击other选择DIN-CuZn40Pb2点击了Load完成材料属性的添加；同理应用于topdie，bottomdie材料的添加。设置主动工具运行速度：在对象树上选择topdie点击Movement在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项在Direction选中主动工具运行，选择-Z在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constantvalue，填入速度值，1mm/s；3步数和步长的设定：在工具栏上点击SimulationControl按钮点击Step，在NumberofSimulationSteps右格中填入30StepIncrementtoSave格中输入3点击WithdieDisplacement，输入1mm。（后面三个实验根据实际设定步数及步长）边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮在对话框上选择workpiece—topdie点击Edit按钮点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数0（一般默认是0）点击Close按钮点击ApplytootherRelations，点击Generateall按钮点击OK按钮完成边界条件设置；2.2.2生成库文件在工具栏上点击Databasegeneration按钮点击Check按钮没有错误信息则点击Generate按钮完成模拟数据库的生成。2.2.3退出前处理程序在工具栏上点击Quit按钮，退出前处理程序界面。2.2.4模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的forging.DB文件单击Run按钮，进入运算对话框。2.3后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击forging.DB文件在PostProcessor栏中单击DEFORM-3DPost按钮，进入后处理界面。1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；2）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择MaxStress，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况；4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择MaxStrain，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况；5）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；6）成型过程载荷：点击LoadStroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png；7）点跟踪分析：点击PointTracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。3实验结果与分析以下实验（a）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0；（b）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0.2；（c）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0；（d）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0.2；43.1圆柱体压缩变形大致过程（b）高度为150mm、摩擦系数为0.2压缩变形过程（c）高度为250mm、摩擦系数为0压缩变形过程（d）高度为250mm、摩擦系数为0.2压缩变形过程图2（a）、（b）（c）（d）四种方案的压缩变形过程（a）高度为150mm、摩擦系数为0压缩变形过程5从上图2中对比可以明显看出方案（a）与方案（c）在压缩过程中都是均匀变形，未出现鼓形轮廓，而方案（b）与方案（d）在压缩过程中出现不均匀变形，圆柱体四周出现鼓形轮廓。由此可知圆柱体在镦粗时除受变形工具的压缩力外，在与工具接触的端部还受接触摩擦力的作用，由于接触摩擦力阻碍金属质点横向流动，使圆柱体在镦粗时产生鼓形。对比方案（c）、（d），即在有摩擦条件下（摩擦系数相等），当H/d2比H/d2出现的单鼓形较为明显。3.2最大应力比较(c)高度为250mm、摩擦系数为0（a）高度为150mm、摩擦系数为0（b）高度为150mm、摩擦系数为0.26观察下图3（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应力分布（1）高度相同，接触摩擦系数不同：①由上图3中对比方案（a）和方案（b），圆柱体表面及内部最大应力分布截然不同。方案（a）中最大应力2.24Mpa（最大拉应力），最小应力为-2.48Mpa（最大压应力），而最大应力主要分布在圆柱体的表面以及接触面的边缘处，内部应力分布比较均匀，主要为压应力，分布比较均匀。方案（b）中最大应力为9.42Mpa，最小应力为-99.6Mpa，最大应力主要位于圆柱体的表面以及靠近表面处，此区由于环向（切向）出现附加拉应力使其应力发生变化，环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小。最大压应力位于圆柱体上下断面的圆心处，压应力延径向逐渐减小，在应力图中呈现出同心圆；延轴线向内呈锥形逐渐减小。由于圆柱体端部的接触面附近，受接触摩擦的影响较大，在原理与垂直面的作用力轴线呈大致45度交角的易产生划一的，在此区域产生塑性变形较为困难，具有强烈的三向压应力状态。②比较方案（c）和方案（d），方案（c）中最大应力为1.37Mpa，最小应力为1.53Mpa，最大拉应力主要分布在圆柱体的表面，最小应力即最大压应力一小点区域分布在圆柱体表面，应力分布比较均匀。方案（b）中最大应力为5.22Mpa，最小应力为-58.3Mpa，其分布及形成原因与方案（b）类似。（2）接触摩擦系数相同，高度不同：①比较方案（a）和方案（c），摩擦系数均为0时，压下量越大，产生的附加应力拉应力和附加压应力就越小，最大拉应力和最大压应力均分布在圆柱体表面上。②比较方案（b）和方案（d），摩擦系数均为0.2时，压下量越大，圆柱体压缩(d)高度为250mm、摩擦系数为0.2图3（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应力分布7变形过程中最大压应力越小，最大拉应力越小，且应力分布区域大致相同。综上所述，接触摩擦系数以及高度对圆柱体镦粗时变形均有影响。3.3最大应变比较观察下图4中（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应变分布（1）高度一样，接触摩擦系数不一样：①比较方案（a）和方案（b），从表面及内部的应变状态图可以得出，无摩擦镦粗时，应变分布比较均匀，圆柱体的四周处于拉伸状态，轴向处于压缩状态，属于典型的一向压缩，两向拉伸状态，为自由变形；而方案（b）有摩擦镦粗时，圆柱体应变分布不均匀：位于圆柱体端部接触面附近，由于受接触面摩擦影响较大，且远离与垂直作用力轴线呈大致45度交角的最有利滑移区域，在此区域内产生塑性变形较为困难，为难变形区；处于与垂直作用力大致为45度交角的最有利变形区域，且受摩擦影响较小，因此在此区域内最易发生塑性变形，为易变形区。处于易变形区四周的区域，其变形量介于难变形区与易变形区之间，为自由变形区。观察变形前后的圆柱体的形状，便可以发现其形状在变形后呈单鼓形（不够明显）。②比较方案（c）和方案（d）的应变分布及其分析原因于①中大致相同。由此可以得出，接触摩擦系数对应变的分布有影响。（2）接触摩擦系数相同，高度不同：①比较方案（a）和方案（c），圆柱体接触摩擦系数均为0时，其表面应变分布和内部应变分布都比价均匀，符合压缩过程中均匀变形；②比较方案（b）和方案（d），圆柱体接触摩擦系数均为0.2时，其表面应变分布和内部应变分布都不均匀，各部分最大应变存在的明显的差异。综上可以得出，圆柱体在压缩变形过程中，接触摩擦系数和圆柱体高度对对最大应变均有不同程度的影响。（a）高度为150mm、摩擦系数为08（c）高度为250mm、摩擦系数为0（d）高度为250mm、摩擦系数为0.2图4（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应变分布(b)高度为150mm、摩擦系数为0.293.4温度变化比较从图5中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后温度基本上无明显变化，原因都是在室温20°环境下模拟的，圆柱体与锤头和砧板无热交换。从理论上分析，金属在进行塑性变形时，由于金属流动而产生些许热量，应有温度变化，但未出现温度变化，可能的原因是压缩变形的时间过长（30s、50s），变形产生的热散失了。而且，有接触摩擦的在压缩变形过程中产生的变形热更多，都未能表现出来。3.5压缩变形后破坏系数的比较从图6中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后破坏系数均未发生变化，即损伤系数均为0。从理论上分析可以得出，方案（a）和方案（c）压缩变（a）（b）图5（a）、（b）、（c）、（