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，必须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，必须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。 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须同时考虑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，则必须考虑塑性变形体积不变条件，采用刚塑性理论。 刚（粘）塑性有限元的基本原理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）变分原理的基础上，引入体积不可压缩条件后建立的。体积成形模拟软件DEFORM DEFORM是一个模块化、集成化的有限元模拟系统，它包括前处理器，后处理器、有限元模拟器和用户处理器四个功能模块。其系统结构如图7-5所示DEFORM有一个较完整的CAE集成环境，具有强大而灵活的图形界面，使用户能有效地进行前后处理。在前处理中，模具与坯料几何信息可由其他CAD软件生成的STL或SLA格式的文件输入，并提供了3D 几何操纵修正工具，方便几何模型的建立；网格生成器可自动对成形工件进行有限元网格的划分和变形过程中的重新划分，并自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠；DEFORM的材料数据库提供了146 种材料的宝贵数据，材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型，为不同材料的成形仿真提供有力的保障；DEFORM集成典型的成形设备模型，包括液压压力机、锤锻机、螺旋压力机、机械压力机、轧机、摆辗机和用户自定义类型（如表面压力边界条件处理功能解决胀压成形工艺模拟）等，帮助用户处理各种不同的工艺条件。DEFORM的求解器是集成弹性、弹塑性、刚（粘）塑性和热传导等于一体的有限元求解器。可进行冷、温、热锻的成形和热传导耦合分析；其典型应用包括锻造、挤压、镦头、轧制、自由锻、弯曲和其他成形工艺的模拟；而运用不同的材料模型可分析残余应力、回弹问题以及粉末冶金成形等；基于损伤因子的裂纹萌生及扩展模型可以分析剪切、冲裁和机加工过程；其单步模具应力分析方便快捷，可实现多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析。DEFORM提供了有效的后处理工具，让用户能对有限元计算结果进行详细分析。在后处理中，具有网格变形跟踪和点迹示踪、等值线图、云图、矢量图、力-行程曲线等多种功能；且具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面结果；后处理中的镜面反射功能，为用户提供了高效处理具有对称面或周期对称面的手段，并且可以在后处理中显示整个模型；自定义过程则可用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判据和一些特别的处理要求，如金属微结构、冷却速率、机械性能等；后处理还能以包括图形、原始数据、硬拷贝和动画等多种方式输出结果。软件应用步骤1.三维造型与模具设计1）对指定的成形工艺，使用三维0造型；2）根据产品模型，确定成形工艺并将成形模具工作部分和所需坯料进行造型；3）将所得三维模型转换为STL格式，取好相应的文件名，比如。Topdie.stl, botdie.stl, billet.stl网格划分和前处理1）打开deform软件，新建一个文件，文件取名name.key;2)打开前处理文件界面分别增加工具体,topdie和bottomdie(workpiece已经存在）。3）在各个工具体上相应导入几何体（就是前面所导出的stl文件。4检查上述几何体几何状况。5对坯料进行网格划分（有热传导情况模具也应划分网格）6为坯料定义材料（有热交换的也需要对模具定义材料）7定义工具体的速度（对轧制等给定坯料的初速度）8定义边界条件，坯料性能（体积补偿）9定义控制的单位和模拟类型，以及步长和运算停止条件。10自动靠模和边界接触的定义。11检查并生成分析所需db文件12.进行模拟分析，完成或观察后处理结果。13.如果制定的工艺在后处理出现缺陷，查找工艺原因并改进，对新工艺创造三维模型重新进行工艺分析。零件Mechanical Press ForgingTooling and Billet Geometry given for 1/12 (300) sectionBillet: 31.5mm dia. x 67mm highMaterial（材料）: DIN C35Preheat（预热）: 1230CTool Temperature（模具温度）: 80CTransfer from furnace: 7 secondsDwell on die: 0.7 secondsFirst operation: Flat upset to 9.5mmTransfer to 2nd tool: 3 secondsSecond operation: Forge to shape.基本工艺Creating a New Problem建立一个新的 Problem called Gear_Carrier.Simulation Title: Gear CarrierOperation Name: Furnace TransferOperation Number: 1Only Heat Transfer activatedSI unit systemLoading Object Geometry Workpiece: IDS_GC_Billet.stlTop Die: IDS_GC_Upset_Top.stlBottom Die: IDS_GC_Upset_Bot.stlWorkpiece is plastic, tools are rigid.Defining Workpiece MeshSet the Weighting factors to:Surface Curvature 0.9Temperature 0.0Strain Distribution 0.1Strain Rate Distribution 0.1Mesh the billet using absolute mesh with a Max ElementSize of 1mm and a Size Ratio of 1.初始网格生成以后 将 the Size Ratio 改为3, 不过不要再生成网格不过不要再生成网格. The program will use these new settings any time the billet remeshes during thesimulation which will allow more definition for the deformed billet geometry.(Size Ratio = 3, Min Size = .33mm, Max Size = 1mm)Defining Billet Boundary Conditions创造对称边界条件和热交换面，注意，对称面不是热交换面。Defining Billet Temperature将 billet的温度设为 1230C.工具的温度设为 80C.引进 DIN-C15材料数据材料数据 (Steel category).Setting Top Die Movement零件使用 mechanical press 成形设备能力 行程为270mm speed of 85 strokes/minute(1.4 strokes/sec). 整个成形行程为 billet的现有高度 (67mm) 减去billet 的最终高度(9.5mm), 也就是57.5mm. Also, this press has a connecting-rod that is 1500mm in length.Assigning Simulation Controls将分析设为 14 steps at 0.5 seconds/step. Set Step Increment to Save to2Running the Furnace Transfer Operation生成 database文件并 run the simulation.Setting Simulation ControlsOperation Name: DwellOperation Number: 2Set the simulation to run 7 steps at 0.1 seconds per step.Positioning the BilletAfter the furnace transfer is completed, move the billet down so that it is sitting on the bottom Die.Running the Dwell OperationAssigning Inter-Object Boundary Conditions由于从工业炉转移到工作台上和模具还没有发生接触，所以不需要设定接触条件。现在工件已经放在模具上面所以需要设定接触条件。由于这里只分析热传递过程，因此也只需要设置热传导系数。利用下拉菜单选择 Free resting 值 (1 in SI units)billet/bottom die 之间的热传导系数也就生成。 Generate contact.Write the database and run the simulation.Running the Upset OperationSetting Simulation ControlsOperation Name: UpsetOperation Number: 3Activate Deformation, so that both it and Heat Transfer are on. Make the top die the primary die.For a simple upset operation, around 100 steps are adequate. The forging stroke will be 57.5mm.Set the simulation to run 120 steps at 0.5mm/step and save every 10th step.When movement controls were set, it was assumed that the press was 212.5mm into a 270mm stroke. It will travel another 57.5 mm before it should stop. Set a primary die displacement stopping control of 270mm in the Z-direction to stop the simulation when the mechanical press hits bottom dead center.Positioning the Top DiePosition the top die so that it is in contact with the top of the billet.Revisiting Inter-Object Boundary ConditionsFor both relationships, assign a Hot forging (lubricated) friction of 0.3 and a Forming heattransfer coefficient of 5. Generate contact between the billet and the dies.Running the Transfer OperationOperation Name: Transfer2Operation Number: 4After the first forming operation, simulate the transfer to the second station. Total time is 3 seconds. Use 6 steps at 0.5 seconds/step. Write the database, and run the simulation.Running the Second Forming OperationOperation Name: FinishOperation Number: 5For the second forming operation, it is necessary to import new tool geometry:Top: IDS_GC_Finish_Top.STLBottom: IDS_GC_Finish_Bot.STLFor each of the geometries, define the two symmetry planes in the Symmetric surface tab of the Geometry button.Reset movement controls and set new simulation controls. For a complex forming operation, 200 time steps is reasonable.Set the stopping load to 1.0e6 N.Write the database and run the simulation.