有限体积法模拟金属塑性成形技术研究

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1、上海交通大学硕士学位论文摘要金属塑性成形工艺的历史悠久。但在理论上仅在近几十年才开始对金属塑性成形过程在微观与宏观上进行了研究，对变形规律、摩擦机理、变形的速度一温度条件及成形工件的微观质量控制等方面得出一些结论，但还未能做到高效和完美地解决金属塑性成形过程中的所有工艺问题。近年来，有限元方法越来越多地应用于金属塑性成形的数值模拟之中。但在大变形金属塑性成形有限元模拟却时常碰到频繁的网格再划分。网格再划分导致着两大方面的缺陷：计算时间长；精度损失大，从而造成模拟效率低、模拟严重失真。这样，有限元在模拟复杂的金属大变形成形时，就往往带来困难。因此本文尝试引入有限体积法

2、的理论体系、采取新的模拟方法，来解决金属成形的数值模拟问题。本文将用于流体分析的有限体积方法引入金属塑性成形过程仿真中，基于材料在运动过程中的质量守恒、动量守恒和能量守恒原理，通过能量泛函的变分，推导出了金属材料塑性流动的质量方程、动量方程、能量方程、本构关系和状态方程，给出了这组控制方程的有限体积求解列式，并解决了速度、应变速率、应力和温度等物理场量的数值求解方法和实现算法等一系列理论问题。本文对有限体积数值模拟的网格划分，时间增量步长的选取，变形体的自身识别等技术进行了详细的研究，并全面解决有限体积模拟过程中初始值的获取、速度和摩擦边界条件的处理、变形体的跟踪描

3、述、物理场量的动态表述等关键技术问题。本文采用使用了有限体积法的Superforge模拟了连杆锻造过程、齿轮挤压过程和铝型材挤压过程。模拟了金属成形过程中，金属的流动、应力应变场等物理场量，得到了对一般金属成形具有一定指导意义的结论。本文研究的结果说明有限体积法模拟金属塑性成形过程技术具有及其普遍的应用推广价值。关键词：金属塑性成形，有限体积法(FVM)，数值模拟，控制方程上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTMetalforminghasbeenusedforalongtime；however,omyinthelatestdecedeshaditstheoryb

4、eenstudied．Somethcoriesarereached,whichareabau￡thedeformingprocessing,thefunctionoffrictionandsoon．ButtherearestillmanyunsolvedproblemsintheⅡ蒯formingsimulation．TheFiniteElementMethod(FEM)ismoreandmoreusedinthesimulationofmetalformingprocessing．However,therezoningisunavoidableduringthes

5、imulationprocessingespeciallyinthelargedeformingprocess，whichleadstothelongcomputationtimeandtheprecisionloss．Afteralongtimecomputation，therewillbealargeerrorbetweenthesimulationresultandthepractice．Inordertosolvethisproblem．thenewtheoryandshnulationmethodareadaptedtosolvethisproblem．T

6、heFiniteVolumeMethod(FVM)isintroducedintothemetalformingsimulation,whichismainlyusedinComputationalHuidDynamic(CFD)．Thecomervationofmass，momeotumandenergy,theconstitutiverelationandthestateequationforplasticmaterialsarealldeducedaccordingtothev耐afionalprinciple．Thearraysofthesegovernin

7、gequationsateproposed．Thenumericalsolvingmethodofvariables，suchasvelocity,strainrate，stressandtemperature,arealsoprovidedinflusthesis．TheSuperforge,whichllsetheFVM．isusedtosimulationtheforgingproemsofaconnectrod，theextrusionprocessofagearandadecorationpartofwindows．Thesimulationresul