材料成型的数值模拟

材料成型数值模拟第一讲材料成形数值模拟概述1.引言2.工程意义及应用现状3.发展趋势4.课程要求、进度安排第一讲材料成形数值模拟概述1.引言2.工程意义及应用现状3.发展趋势4.课程要求、进度安排塑性加工研究的两类方法•金属塑性成形•生产效率高•产品质量稳定•原材料消耗少•有效改善金属的组织和力学性能75％的钢材70％的汽车零部件优点：缺点：•以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法•虚拟制造将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过程虚拟仿真（模拟分析）最为重要。对成形过程的虚拟仿真，可以在模具加工之前，检验模具关键工作部分形状和尺寸设计的合理性，分析材料的流动规律，预测是否产生缺陷，此外还可以对其他工艺参数进行优化分析。这样就可以确保工艺、设计和模具制造一次成功，主要问题在设计阶段就完全解决，使塑性加工进入以模型化、最优化、和柔性化为特征的工程科学阶段，提高塑性加工行业的科学化水平。概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。塑性加工工艺特点•加工工艺的多样性•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锻造冲压轧制挤压拉拔塑性加工工艺模拟分析方法•解析法•实验/解析法相似理论法视塑性法•数值法有限元法有限差分法边界元法工程法（Slab法，主应力法）滑移线法（Slipline）上限法（Upperbound）（下限法）、上限单元法（UBET)有限单元法（FEM,FiniteElementMethod）什么是CAE？CAE是什么意思?计算机辅助工程（CAE）是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。–一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答。–另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用，同时CAE这一新兴的数值模拟分析技术在国外得到了迅猛发展，技术的发展又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。CAE技术的应用•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。CAE技术铸就“鲨鱼皮”•我们知道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，因此降低水的阻力自然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”泳衣却令人难以置信地比普通泳衣的阻力低38%!•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。•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。Felt赛车结构设计•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：7.58KgANSYS在国家体育场设计中的应用•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。CAE在焊接结构上的应用MSC.MARC本课程学习基础及方法应用CAE仿真分析软件是一项比较复杂、对使用者要求相对较高的技术。要求软件的使用者首先要具备以下的背景知识及一定的工程实践经验，基础包括：1.CAD/CAE/CAM的基础知识2.具有一定的有限元分析方法的理论知识3.锻造，冲压和焊接工艺基础及模具设计的理论4.具备能熟练使用某一三维CAD软件进行三维造型的能力（ProE、UG、Solidworks、CATIA）5.具备一定的专业外语阅读水平6.具备一定的计算机基本操作技能第一讲材料成形数值模拟概述1.引言2.工程意义及应用现状3.发展趋势4.课程要求、进度安排应用现状计算机模拟促进了热加工工艺改进——大型船用曲轴锻造数值模拟研究计算机模拟促进了热加工工艺改进——大型船用曲轴锻造数值模拟研究计算机模拟促进了热加工节能降耗——大型轴类锻件倒棱滚圆过程的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砧滚圆后形状计算机模拟促进了热加工节能降耗——大型轴类锻件倒棱滚圆过程的数值模拟研究不同型砧下的锻件倒棱、滚圆后的断面形状精度计算机模拟促进了热加工节能降耗——多工步成形中的空洞型缺陷演化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。计算机模拟促进了热加工节能降耗——汽车传动系统锻件的飞边余量计算机模拟促进了热加工节能降耗——汽车传动系统锻件的飞边余量50某汽车传动系统锻件的飞边余量原来占到总重量的约50%，经过计算机模拟，改进了锻造工25艺设计，使飞边余量降低到25%，通过节省原材料降低了能耗。飞边余量的降低百分比计算机模拟促进了热加工节能降耗，还保证了产品质量——大型合金钢模块P20大模块预冷→水淬→自回火→水淬→自回火处理后珠光体分布云图国家体育馆空间结构梁焊接变形隔板66第4段第3段外侧腹板隔板22a隔板38隔板39隔板41第2段上翼板内侧腹板下翼板隔板B1隔板37隔板编号示意图隔板焊缝G4第1段结构整体示意图隔板焊缝G1隔板焊缝G2隔板焊缝G3主焊缝Z1主焊缝Z2焊缝的空间分布及编号图主焊缝Z4主焊缝Z3注：隔板焊缝编号以一个隔板为例，其余隔板相同。perature(°C)Temp宁德项目2#反应堆压力容器接管段温度700应力600500400300200WELD2WELD1modifieddesignTemperatureinweldvicinity050100150200250300350400100Distance(mm)焊接残余应力与焊缝布置核电装备堆内构件应力槽计算isplacement(mDimm)斜接管交换器焊接变形预测0.50firstsecondthirdfourthb0.200.450.400.350.300.25内环2内环1内环30.100.050.15外环2a外环102004006008001000120014001600180020000.00Distanceinaxialdirection(mm)真空高压气淬炉流场温度场模拟真空炉实体真空炉模型炉内流场工件内部温度场第一讲材料成形数值模拟概述1.引言2.工程意义及应用现状3.发展趋势4.课程要求、进度安排宏观--微观多物理场耦合数值模拟在特种成成形中的应用范围不断拓宽基础性研究增大反向模拟技术模拟软件协同工作模拟结果与设备控制的关联第一讲材料成形数值模拟概述1.引言2.工程意义及应用现状3.发展趋势4.课程要求、进度安排1.教材：傅建主编.材料成形过程数值模拟.化学工业出版社，20092.参考书目：①刘劲松;张士宏;肖寒;李毅波.MSC.MARC在材料加工工程中的应用.中国水利水电出版社,2010②陈立亮主编．材料加工CAD/CAE/CAM技术基础．机械工业出版社，2006③董湘怀主编．材料成形计算机模拟．机械工业出版社出版社，2002④辛啟斌编著．材料成形计算机模拟．冶金工业出版社，2005⑤张凯锋主编．材料热加工过程的数值模拟．哈尔滨工业大学出版社，2001⑥牛济泰主编．材料和热加工领域的物理模拟技术．国防工业出版社，19993.教学软件：DeformDynaformMarc4.教学内容：基本内容包括：有限元与有限差分法基础、应用数值方法模拟材料成形的一般步骤，金属冲压成形中的数值模拟，金属锻压成形中的数值模拟，金属焊接成形中的数值模拟等。课程重点：金属冲压、锻压、焊接成型过程的数值模拟。课程难点：非线性有限单元法、刚（黏）塑性有限元法、数值解的解的收敛性与误差控制、热力耦合分析。40第二讲有限元与有限差分法基础•CAE的工具：•有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、边界元法（BEM）、有限体积法（FVM）、无网格法等等•在材料成形的CAE中主要使用的是有限元法、有限差分和有限体积法。41“有限元法”的基本思想早在20世纪40年代初期就有人提出，但真正用于工程中则是电子计算机出现以后。“有限元法”这一名称是1960年美国的克拉夫（Clough，R.W.）在一篇题为“平面应力分析的有限元法”论文中首先使用。此后，有限元法的应用得到蓬勃发展。到20世纪80年代初期国际上较大型的结构分析有限元通用程序多达几百种，从而为工程应用提供了方便条件。由于有限元通用程序使用方便，计算精度高，其计算结果已成为各类工业产品设计和性能分析的可靠依据。42有限元法最初用于飞机结构的强度设计，由于它在理论上的通用性，因而它可用于解决工程中的许多问题。目前，它可以解决几乎所有的连续介质和场的问题，包括热传导、电磁场、流体动力学、地质力学、原子工程和生物医学等方面的问题。机械设计中，从齿轮、轴、轴承等通用零部件到机床、汽车、飞机等复杂结构的应力和变形分析（包括热应力和热变形分析）。有限元法不仅可以解决工程中的线性问题、非线性问题，而且对于各种不同性质的固体材料，如各向同性和各向异性材料，粘弹性和粘塑性材料以及流体均能求解；对于工程中最有普遍意义的非稳态问题也能求解。432.1有限元法基础基本思想：•※将一个连续求解域（对象）离散（剖分）成有限个形状简单的子域（单元）•※利用有限个节点将各子域连接起来•※在给定的初始条件和边界条件下进行综合计算求解，从而获得对复杂工程问题的近似数值解44为什么要离散？•1.无法得到复杂实际问题的解析解•2.将域划分成一些微小而形状规则的单元后，便于在一个单元内得到近似解•3.域中所有单元的解可视为该复杂问题的近似解45有限元分析的过程•1.连续体离散化•2.单元分析•3.整体分析•4.确定约束条件•5.方程求解•6.结果分析与讨论461.连续体离散化•连续体：是指所求解的对象（如物体或结构）。•离散化（划分网格或网络化）：是将所求解的对象划分为有限•个具有规则形状的微小块体，把每个微小块体称为单元，相邻两个•单元之间只通过若干点互相连接，每个连接点称为节点。•相邻单元只在节点处连接，载荷也只通过节点在各单元之间传•递，这些有限个单元的集合体，即原来的连续体。•*单元划分后，给每个单元及节点进行编号；•*选定坐标系，计算各个节点坐标；•*确定各个单元的形态和性态参数以及边界条件等。47单元的划分基本上是任意的，一个结构体可以有多种划分结果。但应遵循以下划分原则：(1)分析清楚所讨论对象的性质，例如，是桁架结构还是结构物，是平面问题还是空间问题等等。(2)单元的几何形状取决于结构特点和受力情况，单元的几何尺寸(大小)要按照要求确定。一般来说，单元几何形体各边的长度比不能相差太大。(3)有限元模型的网格划分越密，其计算结果越精确，但计算工作量就越大。因此，在