金属塑性成形三维有限元数值模拟技术的应用
摘要:文章阐述了三维有限元数值模拟技术在金属塑性成形中的应用和发展趋势,通过实例介绍了DEFORM3D数值模拟软件的应用及模拟中的注意事项,有助于更深入地研究、推广和应用三维有限元数值模拟技术。
关键词:金属塑性成形;三维有限元;数值模拟技术;有限元法;DEFORM3D
中图分类号:TG376文献标识码:A
文章编号:1009-2374 (2010)21-0082-02
近年来,随着计算科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟,数值模拟技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的应用,不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期,降低了生产成本,提高了企业的市场竞争能力,而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来,从而推动现代制造业的快速发展。在锻造成形中,大多数变形过程由于不能简化成二维变形过程进行处理,所以有限元法数值模拟在锻造成形中的应用以三维模拟分析为主。
1三维有限元数值模拟技术的应用
有限元法数值模拟在锻造成形中的应用最早是进行二维的模拟分析。二维模拟分析技术发展比较成熟,经过适当简化,能够模拟普通的平面应变、应力和轴对称成形等较简单问题。但生产中,大多数零件形状比较复杂,影响因素多,如果仍
然作为平面或轴对称问题来处理,所得结果与实际相比会有较大差距,进行三维有限元模拟是解决此类问题的有效途径。
数值模拟技术在金属塑性成形中的应用主要基于20世纪80年代发展起来的有限单元数值计算方法。20世纪80年代早期,美国Battelle研究室在美国空军的资助下开发的有限元程序ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)是塑性成形数值模拟技术的开始。当时该技术只能分析平面问题和轴对称问题,不能划分网格,也没有考虑非线性问题。但到1985年,美国已经有6家大公司使用该软件。随后几年,开发人员将程序逐渐完善,发展成为商品化分析软件DEFORM。后来许多分析软件如:ANSYS、ABAQUS和MARC/Auto Forge等也如雨后春笋般出现,数值模拟软件进入了快速发展时期。
当前塑性成形过程模拟在工业发达国家已经进入实用阶段。正是由于计算机数值模拟技术已经走向实用阶段,经典的塑性加工理论真正达到了实际使用,使得塑性成形成为一门真正的科学。通过数值模拟,可以回答经验设计时无法回答的问题,了解金属塑性成形的全过程,包括金属成形过程中各阶段材料的填充情况、材料变形的趋势、材料内部的应力、应变、应变速率、成形载荷及速度矢量场。这对金属塑性成形工艺设计、模具设计、金属毛坯的设计、压力机的选择以及成形质量的控制等具有很大的现实意义。因此,国际国内许多学者都对塑性成形过程的数值模拟进行了大量的研究,并取得了许多研究成果。
国内具有代表性的有:江雄心等人对空心直齿圆柱齿轮的精锻成形过程进行三维刚塑性有限元模拟和实验研究,得出了直齿圆柱齿轮精锻过程的金属流动规律和变形力学特征,揭示了直齿圆柱齿轮精锻过程的变形机理;肖红生和吴希林等人探索了温锻精密成形数值模拟的方法和实现途径,运用三维有限元分析了棘爪零件的温锻成形工步,并用模拟结果指导了该零件的成形工艺和模具设计;陈泽中进行了直齿圆柱齿轮镦挤精锻模拟;寇冠清对直齿圆柱齿轮冷精锻成形过程进行了三维大变形弹塑性有限元数值模拟,对闭式模锻预锻及以闭式模锻、孔分流及约束分流为终锻的两步成形过程的金属流动情况进行了数值分析,为此类工件的锻造提供了参考。
2DEFORM3D数值模拟软件简介
目前,在塑性体积成形有限元分析领域,DEFORM
(Design Environment for Forming)系统是世界上较流行的实用商业软件,它包括二维有限元分析软件DEFORM-2D与三维有限元分析软件DEFORM-3D。它是美国
SFTC公司(Scientific Forming Technologies Corporation)在
S.Kobayashi等人的研究工作以及由S.I.Oh等开发的ALPID软件的基础上开发出来的,已在美国、日本、德国等国的实际生产和科研中得到大量成功的应用,并得到世界同行的公认。采用DEFORM软件进行成形过程仿真分析,可获得大量工艺设计所需要的信息,如:材料流动状况的跟踪、成形缺陷的预测、应变、应变速率和应力分布、温度场的分布情况以及成形载荷与模具行程的关系等。
DEFORM有别于其它通用的有限元软件,是专为金属成形而设计、为工艺工程师和模具设计工程师量身定做的软件。DEFORM主旨在于帮助设计人员在制造周期的早期能够检查、了解和修正潜在的问题或缺陷。它具有良好的用户界面、数据准备和处理简便,从而使设计者能够撇开复杂的计算机系统而专心研究成形工艺,该软件最大的特点是具有分析大变形问题基于变量密度的自适应网格自动划分功能,实用性强。
由于二维和三维图形系统功能的差异,DEFORM分为DEFORM-2D和DEFORM-3D两个相对独立的模块。DEFDRM-2D用于轴对称和平面变形问题的分析,其图形建模系统包括XYR和直线圆弧两种数据输入模式,也有IGES, DXF等标准图形输入接口;DEFORM-3D则只有STL、PATRAN、IDEAS等图形输入接口,但其它功能基本相同。DEFORM-2D/3D主要由前处理(Preprocessor)、有限元分析(Simulation)、后处理(Postprocessor)三大模块组成。
3应用实例
3.1以弧面凸轮等温挤压成形为例
本实例使用DEFORM3D软件,采用三维刚塑性有限元模拟技术,研究了弧面凸轮等温挤压成形机理。弧面凸轮是弧面凸轮分度机构的重要零件,为了验证弧面凸轮等温挤压工艺的可行性,建立了如图1所示的有限元分析模型:
模拟初始条件设定如下:
成形材料:40Cr;初始坯料尺寸:Φ49 mm×152mm加热温度:750℃;模具加热温度为750℃左右;摩擦系数为0.25;冲头移动速度为10mm/s。
采用DEFORM3D软件基于刚粘塑性有限元法进行模拟,得到了如图2所示的模拟结果:
可见,采用三维有限元模拟技术,能得到等温挤压的应力应变分布、挤压件表面变形形状和模具的受力情况及材料流动状况等重要信息,有助于认识挤压件缺陷的产生机理,有助于深入探讨等温挤压工艺的成形机理等。
3.2数值模拟中的注意事项
使用DEFORM3D进行数值模拟时,需注意以下几点:
(1)成形材料的材质选择是整个模拟的关键,直接影响到模拟的精度,因此在DEFORM中建立属于企业自己产品的材质库则是关键中的关键。对于我国的加工制造企业一定要根据自身的情况建立产品材质库。
(2)DEFORM3D的模拟过程是在绝对理想环境下的进行,而实际生产情况下则存在各种各样的干扰因素,所以模拟结果存在偏离。在模拟过程中工艺人员要根据自己的知识和经验不断调整模拟中的一些相关参数纠正此类干扰。
(3)使用DEFORM3DM对大型件、复杂件进行辅助模拟时,耗时比较严重,此时可以采用化复杂为简单的方法。如利用等温变形代替非等温变形、略模具或坯料中一些次要的几何形状、减小并使用合理的网格分配、尽量去除增加网格重新划分的因素等。在取得合适的工艺方法后,再针对其进行高精度模拟。
4技术展望
目前,三维有限元模拟技术在金属塑性加工中的应用正朝着扩大适应性,提高实用性和精确性的方向发展,以下的工作将会成为研究的重点并有望取得一定突破。
4.1探讨有效的网格划分与重划分算法
在金属塑性成形过程的三维有限元模拟中,常出现网格畸变、计算精度降低、迭代结果不能收敛等现象,为了能完整、准确地模拟大变形金属塑性成形过程,需进行网格划分与重划分。由于三维网格具有空间几何实体描述的复杂性,使得三维网格的划分和重划分严重制约着有限元模拟技术的发展,所以探讨行之有效的网格划分和重划分算法是亟待解决的问题。
4.2金属塑性加工中的接触和摩擦问题有待于进一步研究
到目前为止,人们对摩擦的本质机理认识还不够,摩擦理论描述还不准确,没有一种理想的物理模型或数学模型能全面、准确地描述金属塑性加工中的摩擦效应。
4.3增强几何模型建造功能
目前的有限元模拟软件大都仅具有简单几何造型功能,对于复杂几何模型的建造往往借助于大型的CAD专用软件。所以,很有必要在有限元模拟软件的前处理模块中增强几何造型功能,使之具备较为复杂对象的几何造型功能。
4.4模拟技术与CAD/CAM系统相结合
将模拟和优化软件与CAD/CAM系统有效结合,将为企业的生产部门提供一个集计划、设计到生产和质量保证为一体的高效信息系统,以实现有限元软件的专业化和智能化。
总之,数值模拟技术在金属塑性成形过程的应用可以有效地解决金属塑性成形过程中模具设计制造存在的许多问题,为工艺人员提供一个方便可靠的设计环境,工艺人员可以直接看到模拟结果,随时调整工艺参数、修改模具,直至得到比较理想的结果,达到事半功倍的效果。三维数值模拟技术必将成为塑性加工领域解决复杂体积成形问题的最有效工具。
参考文献
[1] 江雄心,万平荣,扶名福,等.齿轮精锻的数值模拟与实验研究[J].塑性工程学报,2002,(3).
[2] 肖红生,林新波,张质良,等.温锻精密成形技术及其有限元模拟[J].锻压技术,2000,(2).
作者简介:张华(1976-),男,湖南澧县人,湖南机电职业技术学院讲师,硕士,研究方向:材料成形数值模拟及机电一体化技术。