(完整版)材料成形过程模拟仿真
材料成型过程数值模拟
Teaching Materials/Yuandong Li
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第1章 绪 论
一般说来，微分方程的边值问题只是在方程的 性质比较简单、问题的求解域的几何形状十分 规则的情况下，或是对问题进行充分简化的情 况下，才能求得解析解。而实际的材料成形问 题求解域往往是十分复杂的，而且场方程往往 相互耦合，因此无法求得解析解，面在对问题 进行过多简化后得到的近似解可能误差很大， 甚至是错误的。
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第1章 绪 论
三、计算机在材料成型领域中的应用
5、计算机数值模拟(仿真)系统
计算机数值模拟在各行业中应用
1）铸造：
温度场模拟 流动场模拟 四场模拟 应力场模拟 溶质场模拟 流动与传热耦合设计 微观组织模拟 M-C法、CA法、相场法
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第1章 绪 论
计算机数值模拟在各行业中应用
3）金属塑性加工：
塑性变形过程
温度、应力、应变等分布规律
微观组织、力学、机械及物化性能的变化
4）热处理：
温度场数值模拟
应力场模拟
组织转变
相图的模拟
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第1章 绪 论
四、材料成型过程的模拟方法
材料成形的方法种类繁多，涉及到的物理、化学和 力学现象十分复杂，是一个多学科交叉、融合的研 究和应用领域。例如，在液态金属成形过程中，涉 及液态金属的流动，包含了相变与结晶的凝固现象 。在固态金属的塑性成形中，金属在发生大塑性变 形的同时，也伴随着组织性能的变化，有时也涉及 到相变和再结晶现象。在金属的焊接过程中，也包 含了相变与结晶和内在应力的变化。
材料成形过程模拟
第一章 金属液态成形过程
金属的液态成形和固态成形都是制造业获得产品
的主要手段。
液态金属 浇注 模具型金属铸造（foundry,casting）
1. 定义：将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状尺
寸相适应的铸型型腔（mold cavity）内,待其冷却凝固
5. 金属材料塑性加工的主要方向
(1)常规材料加工工艺的短流程化和高速、高效化 连铸连轧 ； (2)发展先进的成形加工技术，实现组织与性能的 精确控制热连轧，冷连轧； (3)材料设计、制备与成形加工一体化整体构件；
（4）开发新型制备与成形加工技术，发展新材料 和新制品快速冷凝、喷射沉积； （5）发展计算机数值模拟、仿真模拟及神经网络 技术，构筑完善的材料数据库； （6）材料的智能制备与成形加工技术。
4. 塑性加工理论的发展概况
(1)金属塑性加工力学：连续介质力学＋晶体力学 CMTP (Continuum Mechanics of Textured Polycrystals) 是随塑性力学在金属塑性加工中的应用 而发展起来的一个分支。 a.1864年Tresca首次提出最大剪切屈服准则； b.1925年Karman将塑性力学应用于塑性加工；
后,获得毛坯或零件的方法。 2. 优点：适应性强，金属种类、铸件尺寸、形状不 缺点：铸造工艺复杂；铸件缺陷多，废品率高；铸 件力学性能一般较同类锻件差；劳动环境差等。
受限制；成本低；尤其适于制造内腔复杂的大型箱体件。
3.铸造方法：砂型铸造（sand casting process）； 特种铸造（special casting process）
2. 机器造型：填砂、紧实、起模等操作由机器来完成。
其生产率高，铸型质量好。但投资大，准备生产周期长， 主要用于成批大量生产。
复合材料层合板成形仿真
复合材料层合板成形仿真目录1问题描述 (1)2ABAQUS前处理 (1)2.1 Part (1)2.2 Property (1)2.3 Assembly (4)2.4 Step (4)2.5 Load (5)2.6 Mesh (1)2.7 Job (2)3ABAQUS后处理 (2)3.1 显示铺层 (2)3.2 查看各单层计算值 (3)4附录 (6)5参考文献 (9)I11 问题描述本文实例来源于百度文库“复合材料ABAQUS 分析---精讲版”，本文目的在于了解分层壳单元的使用方法及其注意事项，同时收集整理相关知识点。
一块边长254mm 的方形两层层合板，两层厚度均为2.54mm ，第一层铺层角o 45,第二层铺层角o -45；板的四边完全固支，板的上表面受到689.4KPa 的压强。
各单层的材料相同，材料属性如下：1=276GPa E ，2=6.9GPa E ，3=5.2GPa E ，120.25γ=，12 3.4GPa G =，13 3.4GPa G =，23 3.4GPa G =。
2 ABAQUS 前处理2.1 Part已知为边长为254mm 的正方形层合板，因此可建立层合板部件，命名为“Part-Laminate ”,“3D, Deformable, Shell, Planar ”，输入点（-127,127）、（127，-127）建立矩形平面，如图2-1所示。
图2-1 建立层合板部件2.2 Property(1) 定义复合材料层合板的材料属性由于采用了IS （mm ）单位制，故输入的数值如表2-1所示。
建立材料属性，2命名为“Mat-Laminate ”,输入设置如图2-2所示。
由于复合材料是分层的，因此并不在此处分配和创建截面属性。
表2-1 IS （mm ）单位制参数1E 2E 3E 12 12G 13G 23G 原始276GPa 6.9GPa 5.2GPa 0.25 3.4GPa 3.4GPa 3.4GPa IS(mm) 276000MPa 6900MPa 5200MPa 0.25 3400MPa 3400MPa 3400MPa图2-2 创建复合材料层合板的材料属性（a ）（b ） 图2-3 创建局部坐标系 (2) 创建局部坐标系在如图2-3图所示处创建局部坐标系。
材料成形过程数值模拟2
金属铸造成形的数值模拟
发展历史：
丹麦forsund于1962年首次采用电子计算机模拟铸件凝固过程 美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算 研究 我国始于70年代末期，沈阳铸造研究所与大连工学院率先开展了铸造 工艺过程的计算机数值模拟研究工作
2v 2v 2v v v v v p u v w gy 2 2 2 x y z y t x y z
2w 2w 2w w w w w p u v w gz 2 2 2 x y z z y z t x
Levy—Mises理论
材料为理想刚塑性材料，即弹性应变增量为零，塑 性应变增量就是总应变增量； 材料服从Mises屈服准则，即 s ； 塑性变形时体积不变，即应变增量张量就是应变增 量偏张量；
在以上假设基础上可假设应变增量与应力偏张量成正比
d d ij ij
局限性： 金属材料塑性变形时的特性超出了现有本构关系的描述范 围，或者摩擦特性超出了现有摩擦理论的范围时，模拟结 果会偏离实际情况。
弹塑性有限元法
最早是由Marcal等提出的，它同时考虑弹性变形和塑性变 形，弹性区采用Hook定律，塑性区采用Ruess方程和 Mises屈服准则。 不仅能按照变形路径得到塑性区的变化，而且能够有效地 处理卸载问题，计算残余应力和残余应变，从而可以进行 回弹计算以及缺陷预测分析。 但是，弹塑性有限元法由于要考虑变形历史的相关性，须 采用增量加载，在每一步增量加载中，都须做弹性计算来 判断原来处于弹性区的单元是否已经进入屈服，对进入屈 服后的单元就要采用弹塑性本构关系，从而改变单元刚度 矩阵。
材料成型过程数值模拟-南京农业大学
材料成型过程数值模拟上机指导书姓名班级学号南京农业大学工学院机电工程教研室2013年1月上机实践一：Moldflow基础及网格划分一、目的1. 熟练Moldflow软件的界面。
2. 掌握三维绘图软件生成实体模型导入Moldflow方法。
3. 掌握Moldflow模流分析的基本步骤及详细的操作方法。
4. 熟练掌握Moldflow中网格的类型、各种网格类型的应用条件、网格的划分、网格结果检查、修改等。
5. 熟练掌握Moldflow进行最佳浇口分析及填充分析。
6. 熟练掌握Moldflow最佳浇口和流动分析结果导出。
二、内容1. 采用pro/E三维绘图软件建立三维模型，并以STL格式导出。
2. 对模型划分网格、检查网格、修改网格等。
3. 利用Moldflow对该模型进行最佳浇口、填充和流动分析。
4. 导出Moldflow模流分析的结果。
三、上机实践1. 采用三维软件建立实体模型，并以STL格式导出。
2. 模型导入2.1打开软件双击桌面上打开Moldflow软件，会出现如图1所示界面图1 Moldflow初始界面图2 输入对话框2.2导入产品模型（1）执行【文件】→【导入】命令（如图2所示），会弹出如图所示的对话框。
（2）在对话框中找到*.stl文件所在的路径，选择该文件，然后单击【打开】按钮打开文件，会弹出模型“输入”选项设置对话框（图3），选择网格类型和单位尺寸，单击【确定】完成导入模型。
图3 “输入”选项设置对话框3.网格划分执行【网格】→【生成网格】命令（图4）后，工程管理视窗中的“工具”页面显示“生成网格”定义信息（图5），设定参数并单击【立即划分网格】按钮，系统将自动对模型进行网格划分和匹配。
网格划分信息可以在模型显示区域下方的“网格日志”中查看。
图4 图54.网格检验与修补4.1执行【网格】→【网格诊断】命令（图4），系统自动弹出【网格诊断】对话框，如图5所示，上面显示了网格的信息。
网格统计提供了网格不同特性快速评价，针对具体的分析内容对网格进行修补。
《材料成型过程的数值模拟》课程教学大纲
《材料成型过程的数值模拟》课程教学大纲课程编号：081096211课程名称：材料成型过程数值模拟英文名称：Computer Simulation of Materials Processing课程类型：专业课课程要求：必修学时/学分：32/2（讲课学时：16，实验学时：0，上机学时：16适用专业：材料成型及控制工程专业一、课程性质与任务本双语课程作为材料成型及控制工程专业专业必修课，目的是向材料成型及控制工程专业的高年级本科生介绍现代计算机模拟和仿真技术在材料成型中应用的专业课程。
通过本课程的学习，使学生初步掌握模拟与仿真的概念，培养高级的材料成型研究专门人才。
本课程教学内容方面着重基本知识、基本理论和基本方法；在培养学生的实践能力方面，着重计算机软件应用基本能力的训练，培养学生在工程问题分析与设计构思方面的能力，掌握一定的计算机模拟手段预测材料在成型过程中的变化，并能指导实际工程的工业生产项目，以适应当代工业工程发展的需要。
本课程采用双语教学，提升学生相关专业知识和国际视野和外语学习能力，培养与国际工程技术人员之间的沟通能力。
二、 课程与其他课程的联系先修课：金属材料及热处理，材料力学性能，金属液态成型原理，金属塑性成形原理，材料冶金传输原理，模具设计及运用， 材料成型工艺本课程为材料成型及控制工程专业大四学生开设，本课程开设目的是在学生学习材料成型相关理论、工程知识后能够运用计算机辅助设计软件对材料成型及控制问题进行设计，能够运用计算机辅助工程软件对材料成型过程问题进行分析与预测，得到有效结论，因此学生对于前期课程的学习、理解是本课程开设基础。
三、课程教学目标1．了解材料成型过程计算机模拟与仿真的概念、方法、特点及用途，具有分析、选用相关现代模拟手段进行工程问题模拟仿真能力；（支撑毕业能力要求5.1）2.了解材料成型过程数值模拟领域的发展历程和现状，熟悉计算机模拟的基本理论；能够根据，了解主流的计算机模拟软件及其应用范围；（支撑毕业能力要求2.3，5.2）3. 能够根据具体工程问题选用软件对工程问题的关键环节和参数进行模拟仿真，并根据模拟结果分析、解决问题或优化工艺参数；（支撑毕业能力要求5.3，3.2）4．熟练掌握一种以上计算机模拟软件的基本操作过程，培养学生应用计算机模拟手段的工程应用的能力；强化外语应用能力，能够熟练应用英语表达材料成型工程领域专业技术问题，熟悉国际材料成型计算机模拟与仿真发展趋势，具有一定的国际视野和交流能力。
多孔材料压制成型过程的仿真实验研究
４ 结
语
［ ６ ］ 李 尚健 ． 金属 塑性成 形过 程模 拟 ［ Ｍ］ ． 北京 ： 机 械 工 业
出 版社 。 ２ ０ ０ ２ ．
１ ） 自由锻 压时 ， 大变形 区域 主要 集 中在 中ｎ ｔ ｏ ｆ Ｐｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎｇ Ｆｏ ｒ ｍｉ ｎｇ ｏ ｆ Ｐｏ ｒ ｏ ｕ ｓ Ｍ ａｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ
１ ０ ４
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北
水
利
水 电
学 院
学
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０ ０４ ０８ １ ２ １ ６ ２０ ２４ ２ ８ ３２ ３ ． ６ ４０
０ ０ ． ４ ０． ８ １ ． ２ １ ． ６ ２０ ２４ ２ ８ ３ ． ２ ３ ， ６ ４０
所产 生 的压力 对于 凸 模 远没 有 达 到 屈 服 ， 满足 所 需
的 强度要 求 ， 故 设计 达标 ．
［ ５ ］Ｔ ｏ ｓ ｈ ｉ ｏ Ｓ ａ ｎ ｏ ． Ｋ ｅ ｎ ｓ ｕ ｋ ｅ ｋ ａ ｔ ｏ ａ ｎ ｄ ｄ ｅ ｄ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｓ ｉ ｎ ｐ ｏ ｗ ｄ ｅ ｒ ｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ ｓ Ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ －
力． ） 代入 相关 参数 ， 计算 可得
：Ｚ ： ３ ７ ： ｒ ｏ ＝— — — — — — － ＝ ／ ． ３ ｊ Ｍ Ｐａ ＜２３ ＜ ５ ＭＰ ． Ｍ ａ ０． ０ ４ ８‘ １ 『
材料成型计算机模拟(纯手工 打造)
一、名词解释1计算机模拟的概念：根据实际体系在计算机上进行模拟实验，通过将模拟结果与实际体系的实验数据进行比较，可以检验模型的准确性，也可以检验由模型导出的解析理论作为所作的简化近似是否成功。
12材料设计是指（主要包含三个方面的含义）：理论计算→预报→组分、结构和性能；理论设计→订做→新材料；按照生产要求→设计→制备和加工方法。
13数学模拟的定义：就是利用数学语言对某种事务系统的特征和数量关系建立起来的符号系统。
4数学建模是一种具有创新性的科学方法，它将实现问题简化，抽象为一个数学问题或数学模型，然后采用适当的数学方法进行求解，进而对现实问题进行定量分析和研究，最终达到解决实际问题的目的。
15数学模型的建立方法——理论分析法：应用自然科学中的定理和定律，对被研究系统的有关因素进行分析、演绎、归纳，从而建立系统的数学模型。
6数学模型的建立方法——模拟方法：如果模型的结构及性质已经了解，但是数量描述及求解却相当麻烦。
如果有另一种系统，结构和性质与其相同，而且构造出的模型也是类似的，就可以把后一种模型看作是原来模型的模拟，对后一个模型去分析或实验，并求得其结果。
7数学模型的建立方法——类比分析法：如果有两个系统，可以用统一形式的数学模型来描述，则此两个系统就可以相互类比。
类别分析法是根据两个（或两类）系统某些属性或关系的相似，去猜想两者的其他属性或关系也可能相似的一种方法。
8数学模型的建立方法——数据分析法：当有若干能表征系统规律、描述系统状态的数据可以利用时，就可以通过描述系统功能的数据分析来连接系统的结构模型。
9材料成型：采用铸造、锻造等方法将金属原材料加工成所需形状、尺寸，并达到一定的组织性能要求，这一过程称为材料成型。
110逼近误差：差商和与导数之间的误差表明差商逼近导数的程度，称为逼近误差。
211差商的精度：逼近误差相对于自变量差分（增量△x）的量级称为用差商代替导数的精度。
212截断误差：用差分方程近似代替微分方程所引起的误差，称为截断误差。
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计算材料的成形极限，即保证材料在塑性变形过程中 不产生任何表面及内部缺陷的最大变形量可能性。
预测塑性成形过程顺利进行所需的成形力及能量，为 正确选择加工设备和进行模具设计提供依据。
有限元法能考虑多种外界因素对变形的影响，如温度、 摩擦、工具形状、材料性质不均匀等。除边界条件和 材料的热力学模型外，有限元的求解精度从理论上看 一般只取决于有限元网格的疏密。
利用有限元进行数值分析可以获得成形过程多方面的 信息，如成形力、应力分布、应变分布、变形速率、 温度分布和金属的流动方向等。
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有限元法的基本原理
将具有无限个自由度的连续体看成只具有有限个自由 度的单元集合体。
单元之间只在指定节点处相互铰接，并在节点处引入 等效相互作用以代替单元之间的实际相互作用。
对每个单元选择一个函数来近似描述其物理量，并依 据一定的原理建立各物理量之间的关系。
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有限元法的优点
由于单元形状具有多样性，使用有限元法处理任何材料模型，任意的边 界条件，任意的结构形状，在原则上一般不会发生困难。材料的塑性加 工过程，基本上可以利用有限元法进行分析，而其它的数值方法往往会 受到一些限制。
塑性成形的数值模拟方法
上限法（Upper Bound Method）
用于分析较为简单的准稳态变形问题；
边界元法(Boundary Element Method)
用于模具设计分析和温度计算 ；
有限元法（Finite Element Method）
用于大变形的体积成形和板料成形，变形过程常呈 现非稳态，材料的几何形状、边界、材料的性质等 都会发生很大的变化。
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塑性成型过程数值模拟的必要性
现代制造业的高速发展，对塑性成形工艺分析和模具设 计方面提出了更高的要求 。
若工艺分析不完善、模具设计不合理或材料选择不当， 则会在成型过程中产生缺陷，造成大量的次品和废品， 增加了模具的设计制造时间和费用。
由于计算过程完全计算机化，既可以减少一定的试验工作，又可直接与 CAD/CAM实现集成，使模具设计过程自动化。
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模拟塑性加工过程的有限元法
弹塑性有限元法 刚塑性有限元法 刚粘塑性有限元法
的对形视应量增状累之的同于节等量又力间性过热硬度研本非应流有轧步于量为力量态加计步上时小点问可应的去法和限加化具究牛的动制构长大较刚应变，变算进进考塑位题以变相弹分非元工效有热顿有的等关不多小塑变形下形方可行虑性移。分及互塑析稳法（应较加不限热工系能数，性增来一几法取的弹变，对析回作性。态常再不大工可元力艺。太体 可 体 量 说 步 何 来得，性形适于卸弹用有既问用结显的问压列耦过把大积以。进，计形处大因变所用大载、。限可题来晶著敏题缩式合程热，成忽这行材算状理一此形求于塑过以可元以，分温，感时流，计加计。形略种求料是和大些，和的结性程及以法分其析度材性要体可算工算问，方解仍在硬变，可塑未构变，模处主析缺拉以料，采，以，时工题即法，处材化形但以性知失形计具理要加点拔上对因用建进刚金作，可不计于料特问对用变量稳，算和几适载是、）变此粘立行粘属量弹将需算小以性题于小形是，采残工何用过所挤应形，塑了稳塑视繁性材要时变前基，每变，单屈用余件非于程取压变速在性相态性为重变料用增形的础并次形对元服增应之线分，是、。 且计析算板模料型成较形简、单弯。曲刚等塑工性序有。限元 法常用于一些金属的冷加工问题。 Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
能够提供塑性成形过程中变形的详细信息（应力应变场、速度场、温度 场、网格畸变等），为优化成形工艺参数及模具结构设计提供详细而可 靠的依据。
虽然有限元法的计算精度与所选择的单元种类，单元的大小等有关，但 随着计算机技术的发展，有限元法将提供高精度的技术结果。
用有限元法编制的计算机程序通用性强，可以用于求解大量复杂的问题， 只需修改少量的输入数据即可。
塑性加工过程数值模拟
上机实验
材料模拟仿真实验室 贠冰
主要内容
数值模拟的有限元法简介 实验室简介 上机实验软件Ansys简介 上机实验内容及操作步骤 上机分组
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塑性加工过程的 有限元法
成型过程数值分析方法的功能
最后将各个单元建立起来的关系式加以集成，就可得 到一个与有限个离散点相关的总体方程，由此求得各 个离散点上的未知量，得到整个问题的解。
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有限元法的基本原理（二）
它对问题的性质、物体的形状和材料的性质几乎没有 特殊的要求，只要能构成与有限个离散点相关的总体 方程就可以按照有限元的方法求解。
传统工艺分析和模具设计，主要依靠工程类比和设计经 验，反复试验修改，调整工艺参数以消除成形过程中的 失稳起皱、充填不满、局部破裂等产品缺陷，生产成本 高，效率低。
随着计算机技术及材料加工过程数值分析技术的快速 发展，可以在计算机上模拟材料成型的整个过程，分析 各工艺参数对成型的影响，优化设计。
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著名有限元分析软件
ABAQUS：大型有限元软件,广泛模拟性能,杰出的非线性分析 能力