材料成型计算机模拟分析(各种仿真软件介绍)

材料工程系CAD/CAE在材料加工应用广泛CADCAE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。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(ComputerAidedEngineering)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。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：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。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。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。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。通用有限元软件简介有限元法自1960年代提出后，由于其强大的功能，获得了迅速的发展。但有限元法的应用离不开计算机和有限元应用软件；因此，随着有限单元法理论的发展和完善，国内外先后开发出了MSC.NASTRAN、ANSYS、ASKA、ADINA、SAP等诸多大型通用有限元软件，ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC等非线形分析有限元软件，及其它各种功能的有限元应用软件。这些软件一般都具有结构静动力分析、大变形和稳定分析、各种非线形、以及热分析、流体分析和多物理场耦合分析等功能，有比较成熟、齐全的单元库，并提供二次开发的接口。以下对MSC.NASTRAN和ANSYS作一些简要介绍。作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软件之一，MSC.NASTRAN的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项。主要分析功能模块有：基本分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP用户开发工具模块及高级对称分析模块。结构动力学分析是MSC.NASTRAN的主要强项之一，其主要功能包括：正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。MSC.NASTRAN有强大的非线性分析功能，包括：几何非线性分析、材料非线性分析、非线性边界(接触问题)分析，以及非线性瞬态分析。有限元软件ANSYSANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，是集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS的前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。ANSYSWorkbenchEnvironment（AWE）是ANSYS公司新近开发的新一代前后处理环境，AWE通过独特的插件构架与CAD系统中的实体及面模型双向相关，具有很高的CAD几何导入成功率，当CAD模型变化时，不需对所施加的载荷和支撑重新施加；AWE与CAD系统的双向相关性还意味着可通过AWE的参数管理器可方便地控制CAD模型的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合于求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。除以上功能之外，ANSYS具有非常强大的热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等分析功能。所有ANSYS的分析类型均以经典工程概念为基础，使用当前成熟的数值求解技术。ANSYS提供了两个直接求解器，五个选代求解器，求解器和一个显示求解器，能顺利求解各种矩阵方程。ANSYS软件的后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。后处理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1和时间历程后处理模块POST26。通过友好的用户界面，可方便获得求解过程的计算结果并对其进行显示。结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等。金属塑性成形模拟塑性有限元的基本概念金属塑性变形过程非常复杂，是一种典型的非线性问题，不单包含材料非线性，也有几何非线性和接触非线性。因此，塑性有限元与线弹性有限元相比也就复杂得多，这主要体现为：1）由于塑性变形区中的应力与应变关系为非线性的，为了便于求解非线性问题，必需用适当的方法将问题进行线性化处理；一般采用增量法（或称逐步加载法），即将物体屈服后所需加的载荷分成若干步施加，在每个加载步的每个迭代计算步中，把问题看作是线性的。2）塑性问题的应力与应变关系不一定是一一对应的；塑性变形的大小，不仅取决于当时的应力状态，而且还决定于加载历史；而卸载与加载的路线不同，应变关系也不一样；因此，在每一加载步计算时，一般都应检查塑性区内各单元是处于加载状态，还是处于卸载状态。3）塑性变形中，金属与工模具的接触面不断变化；因此，必需考虑非线性接触与动态摩擦问题。4）塑性理论中关于塑性应力应变关系与硬化模型有多种理论，材料属性有的与时间无关，有的则是随时间变化的粘塑性问题；于是，采用不同的理论本构关系不同，所得到的有限元计算公式也不一样。5）对于一些大变形弹塑性问题，一般包含材料和几何两个方面的非线性，进行有限元计算时必需同时单元的形状和位置的变化，即需采用有限变形理论。而对于一些弹性变形很小可以忽略的情况，则必需考虑塑性变形体积不变条件，采用刚塑性理论。弹塑性有限元在塑性变形过程中，如果弹性变形不能忽略并对成形过程有较大的影响时，则为弹塑性变形问题，如典型的板料成形。在弹塑性变形中，变形体内质点的位移和转动较小，应变与位移基本成线性关系时，可认为是小变形弹塑性问题；而当质点的位移或转动较大，应变与位移为非线性关系时，则属于大变形弹塑性问题；相应地有小变形弹塑性有限元或大变形（有限变形）弹塑性有限元。由于在弹塑性变形中，应力应变关系为非线性的，变形体的最终形状变化通常不能如线弹性问题一样能够一次计算得到；因此，在有限元分析时，一般只能按增量理论进行求解，即将整个载荷分解成为若干增量步，逐渐施加在变形体上。刚（粘）塑性有限元在塑性加工的体积成形工艺中，变形体产生了较大的塑性变形，而弹性变形相对很小，可以忽略不计，此时可认为是刚塑性问题，如锻造、挤压等；相应地则可以用刚塑性有限元法分析。刚塑性有限元法是在马尔可夫（Markov