完整-基于有限元的锻件成形过程模拟_毕业论文.doc

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1、摘要金属的镦粗是一个比较复杂的变形过程，不同的工艺参数会对变形产生不同的影响。为了能比较客观的分析不同的工艺参数对变形的影响，本文应用DEFORM-3D软件对锻件成形过程进行有限元分析及数值模拟计算。基于此软件平台，模拟分析在热镦粗过程中热变形温度、变形速率对锻件内部的等效应变，等效应力，温度场及金属流动速度的影响，分析模拟过程中对工件变形的影响。结果表明，变形初始温度、变形速率均对变形产生影响，但是温度的影响更显著。在镦粗过程中，由于应力变化不均匀，会导致工件产生鼓型。关键词：有限元DEFORM-3D

2、等效应力等效应变鼓形目录1引言32有限元理论简介42.1有限元的应用情况42.2刚塑性有限元法的理论计算52.2.1刚塑性有限元法基本方程52.2.2刚塑性有限元法变分原理72.3DEFORM软件的介绍及应用情况［9］82.3.1Deform软件的模块结构82.3.2Deform软件的功能93基于DEFORM-3D的矩形坯料镦粗的模拟分析103.1本节主要内容103.2网格的划分［10］113.3温度场的定义113.4摩擦因子的分析113.5材料的选取123.6模锻工艺数值模拟方案［11］-［14］12

3、3.6.1变形速度对锻件成形的影响123.6.2变形温度对锻件成形的影响143.6.3变形温度对金属流动的影响163.6.4不同下压量对工件变形的影响［15］174结论20谢辞21参考文献221引言锻造工艺因为有细化工件晶粒和提高工件强度的优点，所以广泛应用于工业生产。镦粗的目的主要有以下几种［1］-［2］：⑴由横截面积较小的坯料得到横截面积较大而高度较小的锻件；⑵冲孔前增大坯料横截面积和平整坯料端面；⑶提高下一步拔长时的锻造比；⑷提高锻件的力学性能和减少力学性能的各向异性；⑸破碎合金工具钢中的碳化物，

4、并使其均匀分布；因而对该工艺过程的组织模拟和变形模拟引起越来越多研究者的兴趣。圆柱体镦粗应用在工业生产的各个方面，相对于其他工序而言，圆柱体镦粗相对简单，但因其用途广用量大，所以越来越受到人们的关注。罗文波等人对圆柱体镦粗过程中的应力变化，裂纹扩展等均作了相关的研究［3］-［6］。对于镦粗过程中坯料变形的分析，目前国内大多数厂家还处在实物操作基础上。即通过多次反复的试验，得出一种最佳的工艺方案。这种试验法不仅大大延长了产品的设计周期，而且还浪费了大量的人力物力，已经不符合现代社会的发展理念。为了改变这种

5、情况，可以利用现代计算机技术进行仿真模拟［7］-［8］。2有限元理论简介2.1有限元的应用情况金属塑性成形是一个十分复杂的过程。从连续介质力学的观点来看，塑性变形过程中既存在几何非线性（应变与位移之间的非线性），也存在物理非线性（应力与应变之间的非线性），加之初始条件的复杂性以及数学处理上的困难等，导致人们长期以来只能通过采用简化、假设和利用试验、经验数据以及图解、模型等方法，通过回避上述难题才能对金属塑性成形过程予以分析。这无疑难以适应飞速发展的工业生产的需求。随着有限元法与塑性成形理论的交叉融合及计

6、算机硬件及相关软件技术（如CADCAE）的飞速发展，有限元数值模拟仿真技术在金属塑性成形过程中的应用得到快速的发展。金属塑性成形过程中的模拟有物理模拟和数值模拟两类。物理模拟是采用试验的方法——通过建立物理模型来模拟塑性成形过程。数值模拟采用一组数学方程和定解条件将实际过程抽象成理论模型，通过计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条件下所发生的实际过程。但由于建立理论模型对原型进行简化处理，存在所依据理论的不完善和计算误差等，因而数值模拟的结果并不完全可靠。数值模拟结果的正确性可用物

7、理模拟的方法予以验证。金属塑性成形过程数值模拟方法建立在塑性成形过程力学分析的基础上。成形过程的分析方法主要可分为两类。一类是近似的解析计算方法，包括主应力法、滑移线法、界限法、功平衡法等。这类方法一般用来计算成形过程所需的力和能。另一类是数值方法，包括有限差分放、有限元法和边界元法等。这类方法能获得金属塑性成形过程中应力、应变和温度分布、成形缺陷等详尽的数值解，能用于十分复杂的塑性成形过程。金属塑性成形数值模拟中的有限元法大致可分为两类：一类是固体型塑性有限元法，包括小变形弹塑性有限元法和大变形弹塑性

8、有限元法；另一类是流动型塑性有限元法，包括刚塑性有限元法和刚粘型有限元法。有限元法是目前进行非线性分析的最强有力的工具，因此也成为金属塑性成形过程数值模拟的最流行方法。采用弹塑性有限元法分析金属塑性成形问题，不仅能计算工具的变形和应力、应变分布，而且还能有效处理卸荷问题，计算金属成形过程结束后工件的回弹和残余应力的分布。因此，它适用于板料成形等过程的模拟。但是弹塑性有限元法采用的增量型本构关系不允许使用大的变形量，因此总的计算时间较长。在大