Transcript 第七章

第一节 Deform模拟软件功能介绍
1、 Deform－3D有限元分析软件介绍
• Deform（Design Enviroment for Forming）
有限元分析系统是美国SFTC公司开发的一
套专门用于金属塑性成形的软件。通过在
计算机上模拟整个加工过程，可减少昂贵
的现场试验成本，提高工模具设计效率，
降低生产和材料成本，缩短新产品的研究
开发周期。
2、 Deform有限元分析软件的功能
• 分析冷、温、热锻的成形和热传导耦合
• 液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机
械压力成形
• 温度、应力、应变等值线的绘制。
• 模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工
艺过程
• 预测硬度、晶粒组织成分、含碳量
3. Deform系统结构
• Deform软件是一个高度模块化、集成化的有限元
模拟系统，它主要包括前处理器、模拟器、后处
理器三大模块。
• 前处理器：
• 主要包括三个子模块（1）数据输入模块，便于数
据的交互式输入。如：初始速度场、温度场、边
界条件、冲头行程及摩擦系数等初始条件；（2）
网格的自动划分与自动再划分模块；（3）数据传
递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间
实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传
递，从而保证计算的连续性。
• 模拟器：
• 真正的有限元分析过程是在模拟处理器中
完成的，Deform运行时，首先通过有限元
离散化将平衡方程、本构关系和边界条件
转化为非线性方程组，然后通过直接迭代
法和Newton－Raphson法进行求解，求解
的结果以二进制的形式进行保存，用户可
在后处理器中获取所需要的结果。
• 后处理器：
• 后处理器用于显示计算结果，结果可以是
图形形式，也可以是数字、文字混编形式，
获取的结果可为每一步的有限元网格；等
效应力、等效应变；速度场、温度场及压
力行程曲线等。
4、前处理功能操作
5、后处理功能操作
第二节 锻压模拟
一、实验目的
•
熟悉模拟软件Deform的基本操作。
•
认识锻压过程中材料各部位的变形情况。
二、实验内容与步骤
•
实验内容
•
主要探讨不同锻压速度和摩擦条件对合
金锻压结果的影响。
• STL格式三维CAD文件的准备（如图 所
示），包括锻压工件、上模、下模三部分。
• 三维CAD文件的系统导入和网格划分
• 设置模具的运动
• 模拟控制设定
• 对象间关系设定
• 生成数据库文件
• 锻压模拟运算
• 后处理与结果分析
第三节 旋转对称形状零件镦粗模拟
一、实验目的
•
熟悉旋转对称零件锻粗模拟过程
•
认识锻压过程中材料各部位的变形情况。
•
•
实验内容
主要介绍如何利用问题的对称性简化模拟
过程。对于对称体来说，模拟其成形过程，
可以取整体的1/2、1/4、1/8或者更小的体
积来进行模拟，从而节省模拟的时间，提
高解题精度。
• STL格式三维CAD文件的准备
• 设定对称边界条件
• 对象间关系的设定
• 设定模拟控制参数
• 旋转对称零件镦粗后处理
第四节 工件与外界热传导模拟
一、实验目的
•
熟悉如何模拟热传导过程
•
认识模拟过程中材料各部位的温度变化
情况。
•
•
实验内容
主要介绍如何进行工件的热传导模拟，对
工件中各部分温度随时间的变化情况有所
认识。
• 设定模拟控制类型
• 设定模拟控制参数
• 三维CAD文件的系统导入和网格划分
• 由于是对称零件，因此只需导入上模和方
环的1/4模型。在Deform软件中，网格划分
方式有两种，一种是相对网格划分，即用
户指定固体单元数量，无论物体的形状多
么复杂，单元的数量必须恒定。一种是绝
对网格划分，由系统决定网格划分的总数，
随着物体形状的复杂，单元的数量会随之
增加。本例采用绝对网格划分方式。
• 定义工件的对称和传热边界条件
• 定义传热边界条件
• 工件与外界热传导后处理结果
第五节 热模锻成形模拟
一、实验目的
•
熟悉如何模拟变形过程中存在热传导的
过程。
•
认识模拟过程中材料各部位的变形和温
度变化情况。
•
•
实验内容
道钉成形过程属于热模锻成形，在变形过
程中存在热传导现象，本例中为了准确的
模拟其成形过程不仅要模拟其锻造过程，
还要模拟其热传导过程。
• 模拟控制设定
• 打开变形分析开关（Deformation）和热传
导开关（Heat Transfer），此时两种分析
均被激活，热力耦合分析被建立。
• 模拟总步数的确定与工件的最小网格和上
模压下量有关。在本例中模拟过程上模压
下量是0.75in，工件的最小网格平均尺寸为
0.06in，所以取0.25（最小网格尺寸的1/3
到1/2）作为计算步长，通过计算步长，用
上模总压下量除以计算步长得到总模拟步
数为30步。
• 三维CAD文件的系统导入和网格划分
• 对上模具和下模具进行温度设定和网格划
分及边界条件设定
• 对象间关系设定
• 定义工件和模具的变形及热传导边界条件
• 下模的对称面及热传导边界条件设置如图
所示，上模的设置方式与下模相同
• 定义上模运动并生成数据库文件
• 模具运动方向为－Z轴，运动速度为2in/s。
• 后处理结果
• 通过模拟可以分析模具所受载荷信息，下图为上
模Z向载荷预测图。竖直线代表序列步，交点就
是此序列步时上模具所受的载荷。
第六节 大型锻件连续加热模拟
•
•
实验内容
金属在锻前加热时，应尽快达到所规定的始锻
温度，但如果温度升得太快，由于温度应力过
大，可能造成坯料开裂，相反，升温速度过于
缓慢，会降低生产率，增加燃料消耗等。加热
规范是指金属坯料从装炉开始加热完了整个过
程，对炉子温度和坯料温度随时间变化的规定。
在实际生产的加热过程中，不能对大型锻件的
各个部位进行跟踪测温，因此应用Deform模拟
软件对大型钢锭的加热曲线进行模拟，根据模
拟的结果就可以了解加热过程中大型钢锭各个
部位温度的变化情况。
• 设定模拟控制类型，如图所示。由于本例
没有涉及到工件的变形，因此模拟类型只
选择热传导，操作序号选择1
• 参数设定
• 工件温度设定为30℃，对称面及与环境进
行热传导面的选择如图所示。在参数设定
中，工件与环境的换热系数的设定是非常
关键的，这关系到模拟结果的准确性。
• 模拟步数的确定
• 第一阶段模拟结果
• 第二阶段用3h升温到875℃模拟
• 模拟步数的确定
• 第二阶段模拟结果
• 第三阶段工件在875℃保温3h模拟
• 第四阶段模拟结果
• 第五阶段模拟结果
第七节 切削加工的模拟分析
一、实验目的
•
介绍利用Deform软件对切削加工过程进
行模拟
•
学会如何利用Deform建立切削加工模型
•
•
实验内容
模型如图所示。工件旋转，刀具径向和轴
向给进，达到层层切削工件表面的目的。
Deform－3D软件专门提供了一个模拟切
削、钻削的平台。
• 下图为该软件模拟中的切削模型，该模型
分别用进给量（Feed）、表面加工速度
（Surface speed）、背吃刀量（Depth of
Cut）三个主要参数来描述切削加工过程。
• 进入切削前处理界面，如图所示
• 设定工作条件
• 选择加工方式为旋转加工（Turning），选
择国际单位制（System International），
选择整体使用国际单位制。
• 给出加工参数：表面加工速度400mm/min，背
吃刀量0.5mm，进给率0.3mm/r。
• 刀具设定并进行网格划分
• 选定工件材料和网格
• 模拟条件设定
• 刀具特性分析设置
• 点击Die stress Analysis进入刀具特征分析
界面。
• 刀具网格和约束设置
• 后处理分析
• 刀具应力、变形量
• 选择Machining－1.DB文件进入后处理界面
（如图）。从刀具的等效应力分布图可以
看出，只有刀尖处切削金属，所以应力集
中在切削刀尖处 。选择Displacement下
Total Disp，通过刀具刀尖棱线位移变化大
小，来反映出刀具的塑性变化情况。从模
拟结果可以看出最大变化量为0.00299m 。
• 查看刀具磨损情况
• 工件的应力情况
• 选择Machining.DB文件进入后处理界面。可以
查看不同步数工件的等效应力图，可以看出距
离刀尖最近的金属应力值最大，最大值为
1300Mpa。
第八节 钢管热扩实例
•
•
•
实验目的
对钢管高温下扩大口径过程进行模拟。
正确认识制定大尺寸锻件锻前加热规范
的重要性。
•
•
•
实验内容
无缝钢管在工业生产中用途广泛，运输管道、
矿井等大口径无缝钢管的需求量很大，所以用
Deform软件模拟钢管的成形过程和状态参数，
对分析钢管成形性能及指导实际生产具有重要
的现实意义。
模型工作原理：工件加热到高温，模具在驱动
力的作用下沿着一定的方向进给，挡圈挡住工
件的另一端，工件在锥形模具的作用下把工件
的直径扩大
• 三维CAD文件的系统导入
• 工件划分单元网格
• 设定模拟控制参数，如图所示。
• 模拟步长数默认为100步，本例中模具前进
500mm，模具速度为30mm/s，每一步增量
为0.167。
• 设定驱动条件
• 该模型需要锥模沿轴向运动，由于斜面越
来越大从而把钢管口径扩大，所以要给出
锥模运动速度和运动方向。
• 设定接触条件
• 设定计算过程补偿量
• 后处理分析
• 查看等效应力
• 查看破坏和变形速度
第九节 大锻件初轧过程模拟
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•
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实验目的
熟悉如何模拟大锻件拔长过程
掌握初轧过程中工件、模具的工艺参数
设定步骤。
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实验内容
大型锻件锻造，不仅能够得到一定形状和
尺寸，更重要的是通过锻造可以改善钢锭
的铸态组织，提高锻件的力学性能。铸造
出来的钢坯内部存在许多缩孔和疏松，需
要通过锻造来提高材料内部的致密性，本
例利用Deform软件的初轧向导介绍方形坯
料初轧的模拟过程，从而对初轧再次加热
和变形过程参数的设置有更深刻的理解。
• 创建新项目，如图所示
• 设定公差
• 选择英制单位，弹出如图所示对话框，胎
具是初轧时，支撑工件的零件，如果用户
不使用此零件，可以加入自己的支撑件。
其余四项是模拟时的公差值。
• 设置材料及关键文件
• 模拟需要一个用户关键文件（USER－
HT.KEY），需要这个文件的目的在于方便
用户在文件中添加操作关键字，如果用户
没有特殊的操作关键字，可以提供一个命
名为USER－HT.KEY的空文档。
• 设置轧件几何形状、定义尺寸
• 轧件网格划分
• 设置模具几何形状、定义尺寸
• 模具网格划分
• 模具参数设定
• 设置胎具几何形状、定义尺寸
• 模具网格划分
• 胎具参数设定
• 初轧工艺操作流程设定
• 进入工艺操作流程设定后，用户可以根据
提示添加再次加热的操作。这是因为坯料
经过1道次轧制后，轧件温度降低很快，需
要再次加热。
• 设置1道次参数
• 进刀过程热交换参数设定
• 进刀过程变形参数设定
• 设置2道次参数
• 设置2道次进刀过程热交换及变形参数
• 设定方法和1道次类似
• 模拟预览及创建主文件
• 可以观测每一模拟步中模具的位置、胎具
的位置
• 初轧模拟后处理
第十节 高温压缩过程的再结晶模拟
•
•
•
实验目的
熟悉如何模拟高温压缩中再结晶过程
掌握再结晶过程中实验参数的设定步骤
•
•
•
实验内容
再结晶过程是材料成型过程中非常重要的一个
环节，它对组织控制起着至关重要的影响。又
因为一般再结晶过程发生时温度比较高，又影
响再结晶过程的实验参数比较多，它们之间的
相互关系比较复杂，所以实验时难以准确的得
知再结晶过程是如何产生及进行的。本例利用
Deform软件对高温硬质合金在高温压缩过程中
的再结晶现象进行模拟，从而对再结晶过程有
着更加深刻的理解。
本实验过程分为两个部分，第一部分为高温压
缩过程，第二部分为等温过程。
• 模型的建立以及网格的划分
• 模块的选择
• 因为要模拟高温压缩的再结晶过程，所以
在Mode设置中要勾选Heat Transfer，
Deformation，Grain三个选项，缺一不可。
• 模拟参数的设定
• 设定实验材料的原始状态，例如原始晶粒尺
寸，平均晶粒尺寸，原始的再结晶率是多少
等。
• 压头参数的设置
• 压头的温度设置与实验材料一致。然后选
中Movement选项卡，设定压头的运动方向，
运动速度等
• 接触条件的设置
• 等温过程的参数设定
• 按照原先做等温模拟的步骤，继续进行设
定即行，但是下面几点请注意：
– 在simulation Control的Mode中还是要选择
Heat Transfer,Deform ,Grain三个选项。
– 在simulation Control的Operation Number设定
为2以示与变形过程的1进行区分。
– 实验材料对外的传热系数要求设定。
– 压头的运动不要忘了取消。
• 高温压缩再结晶模拟结果
第十一节 钢板热轧过程中轧制
力的有限元模拟
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实验目的
1、熟悉钢厂热轧生产的过程
2、熟悉如何模拟钢板的热轧过程
3、掌握热轧模拟过程中工件、模具的工艺
参数设定
• 实验内容
• 轧制生产是钢厂生产环节一个十分重要的环节，轧制工艺
不仅关系到钢板尺寸的控制，而且还与钢板性能有着紧密
的关系。在轧制工艺中，轧制力是一个非常关键的因素，
在轧制过程中，由于钢板温度的降低，应变速率的增大，
应变量的增大都会使得轧机轧制力的增大，但是轧机的轧
制力是有范围的，不允许在轧制过程中超过轧机的轧制力，
所以通过轧制过程的计算机模拟，对轧机的轧制力进行预
告能够很好的指导轧制工艺的制订。本例利用Deform软
件对钢板热轧过程中轧制力进行了模拟计算，从而对钢厂
的热轧生产过程有着更进一步的了解。
• 模型的建立
• 模型边界的设定
• 接触面上的摩擦采用剪切摩擦模型,摩擦因
子取0.3。对于热边界条件,取环境温度为
25℃,带钢辐射率为0.7,轧件与轧辊热交换
系数为11kw/m2·k，轧件与空气对流换热系
数20 w/m2·k，为了更加真实的模拟现场，
设定轧件速度1m/s(从轧辊转速可得)
• 轧板塑性、温度、材料设置
• 轧棍刚性、温度、材料设置
• 轧板与轧辊摩擦系数及热传导设置
• 轧板环境、空气对流、热辐射设置
• 轧板速度设置
• 轧辊转速及转轴方向设置
• 轧制力模拟结果