有限元模拟技术
激光喷丸成形多尺度有限元模拟技术
激光喷丸成形多尺度有限元模拟技术闾家阳1，王永军1，王俊彪1，高国强1,2，王强3（1.西北工业大学机电学院，西安 710072；2.航空工业西安飞机工业（集团）有限责任公司，西安 710089；3.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095）[摘要]激光喷丸技术是一种先进的金属塑性成形和表面强化技术，相比于弹丸喷丸，激光喷丸能量密度更大，因而成形能力更强，可以用于成形刚度更大的钣金件，如飞机整体壁板，在航空航天领域有广泛的应用前景。
构建一种多尺度激光喷丸成形模拟方法，包括激光喷丸诱导应力场的计算方法和基于直接应力法的工件成形曲率的预测方法。
预测结果通过2024–T351铝合金块状试件和典型截面单筋件激光喷丸试验得到了验证，试验结果与模拟结果吻合较好，表明此模拟方法有效可行。
关键词：激光喷丸成形；多尺度方法；有限元模拟；整体壁板DOI:10.16080/j.issn1671-833x.2020.12.053闾家阳博士研究生，主要研究方向为激光喷丸成形理论与技术应用。
激光喷丸原理与弹丸喷丸类似，但物理过程有所不同。
一般来说，工件受喷表面上需要涂覆一层吸能材料（如黑漆、黑色胶布），用以吸收脉冲激光的能量。
吸收层材料吸收激光能量后，在数纳秒的时间内气化为等离子体并发生爆炸。
爆炸冲击波作用于工件表面，表层的金属材料发生塑性变形并留下残余应力。
在激光喷丸的物理过程中没有实体弹丸，等离子体爆炸起到了弹丸冲击的效果。
为增大冲击压力，通常还需要在吸收层之外施以一层透明介质作为约束层（通常为水流）。
激光喷丸的原理如图1所示。
与弹丸喷丸相比，激光喷丸具有高度的可控性，每次冲击的能量密度和点位坐标可以精确确定，因此容易实现精确控形；通过合理设计喷丸点阵，还可以在一定程度上省去预应力工序，节省人力物力；此外，由于点位排布更加均匀，残余应力场也更加均匀，如图2所示。
有关激光喷丸残余应力场的有限元模拟，1998年美国Braisted等[1]利用有限元法对圆形光斑激光喷丸残余应力在深度方向和表面半径方向残余应力分布情况进行了分析；周建忠等[2–6]对Fabbro提出的冲击压力计算模型进行了改进，并在Abaqus平台上进行了有限元模拟； 2007年Wang等[7]对有约束条件下薄板激光喷丸残余应力场进行了模拟，发现此时应力波会在板料上下界面之间发生复杂的反射。
断裂过程的有限元模拟
第14卷第4期计算力学学报V ol.14N o.4 1997年11月CHIN ESE JOU R N AL O F CO M PU T A T IO N A L M ECHA N ICS N ov.1997断裂过程的有限元模拟*杨庆生 杨 卫(北方交通大学土木建筑系,北京,100044) (清华大学工程力学系,北京,100084) 摘 要 讨论了材料断裂过程的有限元模拟技术。
基于自适应有限元法的一般原理,并针对多相材料的裂纹扩展的特点,提出了一种简化的高精度和高效率有限元网格的动态重新划分策略。
裂纹被假设沿着单元之间的路径连续扩展,利用节点力释放技术生成新的裂纹自由表面,发展了一种可随裂尖连续移动的网格动态加密和释放方法。
这种方法已在各种裂纹问题中得以实现与应用。
关键词 断裂;裂纹扩展;网格重划分;有限元法;数值模拟分类号 O346.1;O242.211 引 言研究超大规模系统的复杂发展过程是现代化计算力学的主要特征之一。
例如在固体力学中的材料大变形的损伤起始与演化问题,复合材料等新型材料中的裂纹传播问题,相变过程中的边界移动问题等,都要经历一个很长的过程,而在此变形过程中,有可能随机性地出现新的裂纹、损伤甚至新的材料相等。
目前已有各种相应的本构理论来描述这些现象,却给数值计算和模拟带来了新的问题。
有限元方法仍然是有希望解决这些问题的强有力的工具。
现在的有限元计算与过去相比已经发生了很大变化,在过去,有限元分析的目的往往是为了得到一个满意的最终结果,随着计算环境的改善和实际问题的客观要求,有限元分析正在转向整个结构和一个发展过程的全程分析,这种由一点一时的状态计算到整个空间和时间上的全程模拟是有限元法的一个重大发展和应用。
这样就要发展与之相应的网格划分策略和计算模拟方法。
本文主要研究裂纹的扩展问题,通过网格动态重新划分和扩展准则、节点力释放等主要环节来说明有限元模拟技术的发展,最后给出这些技术的评价和可能的应用领域。
高速切削有限元模拟技术研究
图 1 正交高速切削有限元模型 Fig1 1 Ort hogonal high2speed cutting finite element model
(3)
将式 (2) 代入式 (1) 左边 ,利用式 (3) 得
∫ ∫ τijδεij dV = τijδ( 9 ui / 9 x j ) dV
V
V
(4)
∫ = S δE lm lm dV 0
V0
假设工件变形体承受保守力系作用 ,则有
∫ ∫ f δi ui dV =
f i0δui dV 0
(5)
V
V0
的法向应力和摩擦应力进行分析 。按照 Zorev 研 究[4] ,法向应力和摩擦应力分布如图 3 所示 。
图 3 高速切削前刀面法向应力和摩擦应力分布图 Fig1 3 Normal and f rictional st ress dist ributions on t he tool
rake face in high2speed cutting
Kirchhoff 应力张量转化关系为
τij
=
J-1
9 xi 9 Xl
9x 9X
j m
S
lm
(2)
式中 : J 为 J aco bi 行列式 ; Slm 为 Kirchhoff 应力张
量 ; xi 为空间坐标 ; X l 为物质坐标 。
弹塑性有限元法基本理论与模拟方法
用于模拟流体流动和传热问题 ，如流体机械、航空航天和化 工等领域。
电磁场
用于分析电磁场问题和电气设 备性能，如电机、变压器和天 线等。
声学
用于模拟声音传播和噪声控制 问题，如声学器件和声学环境
等。
04 弹塑性有限元法的基本原 理
弹塑性有限元法的离散化方法
有限元离散化
将连续的物理场或结构体离散为有限个小的单元体， 每个单元体之间通过节点相互连接。
结构强度分析的模拟
结构强度评估
通过弹塑性有限元法模拟，可以对结构的强度进行评估，预测结构在不同载荷下的响应， 确保结构的安全性和稳定性。
疲劳寿命预测
利用弹塑性有限元法，可以模拟结构的疲劳载荷历程，预测结构的疲劳寿命，为结构的维 护和更换提供依据。
结构优化设计
通过模拟结构的应力分布和变形，可以优化结构设计，降低结构重量，提高结构效率。
边界条件和初始条件
在平衡方程中考虑边界条件和初始条件，以确保模拟的准确性和收 敛性。
弹塑性有限元法的边界条件和初始条件
边界条件的处理
01
根据实际情况，将边界条件转化为节点约束或单元载荷的形式。
初始条件的设置
02
在非稳态问题中，需要考虑初始条件的设置，以模拟问题的初
始状态。
边界条件和初始条件的实施
03
随着计算机技术的不断发展，弹塑性 有限元法在各个工程领域中得到了广 泛应用，如机械、航空航械设计中，弹塑性有限元法可用于分析各种复杂结构 的应力分布、变形和疲劳寿命等，提高产品的可靠性和安 全性。
航空航天
在航空航天领域，弹塑性有限元法可用于分析飞行器结构 在各种载荷下的响应，优化结构设计，提高飞行器的性能 和安全性。
有限元法——数值模拟
钢框架梁柱十字形节点抗震性能数值模拟与理论分析摘要：梁柱节点在钢框架结构中扮演着举足轻重的角色，因此研究钢框架节点的抗震性能具有重要的意义。
本文通过ABAQUS有限元分析软件对钢结构梁柱十字形节点进行了建模分析，考查了全焊接连接节点在地震波作用下的受力性能。
研究表明：全焊接连接节点具有较好的抗震性能。
关键词：钢框架结构；剪切变形；节点域模型；有限元；非线性分析NUMERICAL AND THEORETICAL ANAL YSIS ON SEISMICPERFORMANCEOF THE CROSS-TYPE JOINT OF STEEL STRUCTUREAbstract:The beam-column connections in steel frame structures play an important role. Therefore, studying the seismic performance of the connection in steel frame has a great significance. In order to investigate the seismic performance of the connection in steel frame, this paper presents the cross-type model using the software “ABAQUS”. The results show that the weld connection has a good performance in seismic behavior.Keywords: Steel Frame Structure; Shear Deformation; Panel Zone Model; Finite Element Method; Nonlinear Analysis0 前言有限单元法（或称有限元法）是在当今工程分析中获得最广泛应用的数值分析计算方法。
岩土工程中的有限元模拟技术及应用
岩土工程中的有限元模拟技术及应用近年来，随着科技的不断发展，有限元模拟技术在岩土工程方面的应用日益广泛。
有限元模拟技术可以对复杂的问题进行模拟，预测材料的强度和变形行为，从而帮助工程师更好地设计和施工土木建筑。
本文将从宏观角度介绍有限元模拟技术在岩土工程中的基本原理、应用及发展方向。
一、有限元模拟技术的基本原理有限元模拟技术是建立在数学原理基础上的，具有一定的理论基础。
该技术将所研究的物体或结构划分为有限个互不重叠的小单元，每个单元内的物理属性可以简化为一组节点自由度。
相邻单元之间共享相应节点，通过这些节点之间的互相作用，在一个完整体的质点下获得了该系统的力学行为特征。
有限元模拟技术基于变分原理和加权残差原理，通过对结构的排序和计算，最终得出结构的最合理的设计方案。
二、有限元模拟能够应用于岩土工程经典问题(一) 土质力学问题有限元模拟技术在土动力学计算中的应用被广泛研究。
岩土地质学的一个经典问题是在工程地质学中被广泛使用的固结塔基分析。
固结塔基分析是为了分析建筑物在它的基础上的受力情况，然后确定所需的基础尺寸和材料类型。
使用有限元模拟技术可以更好地描述土壤强度的影响和先前静力试验结果的影响，从而对分析结果进行精确的计算。
(二) 岩层力学问题针对钻井过程中的岩石力学问题，有限元模拟技术常用于岩石分析和岩层分析。
岩层分析包括地质数据分析和受力分析，应用于在岩石和其他地层中钻井的石油和天然气行业。
据此研究井孔受力情况，优化钻机等钻井设备的设计，以提高效率和减少安全风险。
有限元模拟技术的应用可以使工程师更好地理解地下结构，从而制定更加完善的地下工程计划。
三、有限元模拟技术在岩土工程中的发展方向(一) 建立复杂模型在实际工程中，地质结构的复杂性很高，可能存在多种不同类型的地质体。
有限元模拟技术可以建立一个真实的地质结构，以获得更加准确的材料行为特性和计算结果。
对于大型土木建筑结构，在进行有限元模拟之前，需要对地面进行大量的调查和数据分析，以确定地质情况和建筑结构，然后建立合适的模型。
有限元技术在工程模拟计算以及材料分析应用
有限元技术在工程模拟计算以及材料分析的应用引言随着各行业的工程技术的应用，大型的工程项目以及成本高的未开发项目越来越多的进入我们的视线。
虽然传统的实验方法在其精度上仍然具有无可比拟的优点，但因其费用高昂，操作复杂，费时费力，所以不适于在设计过程中采用。
在现在的工程中，实际上最有效、使用最普遍的应力分析方法之一是数值分析方法，通常是指有限元分析方法。
因此有限元分析法以及其应用软件ansys作为一种能进行大型计算模拟软件，通过计算机模拟各种结构的工作状况，可以准确计算其变形和应力。
并且使产品在设计阶段就能够对其各项性能进行评估，尽早发现并及时改进设计和选材上存在的问题．从而大大节省研发成本且缩短设计研发周期。
一、有限元分析技术简介有限元方法的基本理念是离散化，将整体结构离散成有限的小单元体。
我们首先着手分析每个小单元体的特性，然后用有限个参数来描述单元的力学特性，建立相关物理量间相互联系，然后根据各单元间的关系把各单元组装，构成一个整体，于是建立起连续体平衡方程，选择适合方程的解法，解出各物理量得到整个问题的分析解答。
然后利用矩阵等数学工具，借助计算机技术分析计算各种力学问题。
在具体的力学方面，它是结构分析的一种数值计算方法，是矩阵方法在弹性力学、材料力学与结构力学等领域中的应用和发展。
有限元法有很强的规律性使其适合于编制计算机程序来处理。
因此出现了有限元分析软件ansys。
[1]二、有限元分析软件ansys的简介ansys一款模拟分析软件。
它是结合了结构、磁场、流体、加载、电场、时间历程分析于一体的常用大型通用有限元分析软件。
它能与多数cad以及pro/e软件接口，实现数据的导入、共享和交换，是现代产品设计、模拟以及计算中的高级分析工具之一。
[2]通常情况下，ansys软件主要包括了如下三个部分：前处理模块、计算分析模块和后处理模块。
前处理模块主要提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，不同的使用者可以根据不同的需要构造自己所需的有限元模型；计算分析模块主要包括结构分析(目前可进行线性分析、非线性分析以及高度非线性分析)、流体力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析等，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及很好的优化分析能力。
有限元仿真技术简介
有限元仿真技术简介（文章标题）有限元仿真技术简介1. 引言有限元仿真技术是一种广泛应用于工程和科学领域的数值计算方法，它可以在计算机上对复杂的物理系统进行建模和分析。
本文将简要介绍有限元仿真技术的原理、应用领域以及其优点和局限性。
2. 有限元分析的原理有限元分析的核心思想是将复杂的连续体划分为有限数量的小元素，然后根据元素的性质和相互之间的连接关系，利用数学方法近似解决变分原理。
通过在每个元素上选择合适的数学模型和适当的边界条件，可以得到物理系统的数值解。
3. 有限元仿真的应用领域有限元仿真技术在各个领域都有广泛的应用。
以下是几个常见的应用领域：3.1 机械工程在机械工程领域，有限元仿真可以用于材料力学、刚体力学和流体力学问题的分析。
在设计汽车零件时，可以使用有限元分析来预测材料的应力分布和变形情况，以确保设计的可靠性和安全性。
3.2 建筑工程在建筑工程领域，有限元仿真可以应用于结构分析、热传导和空气流动等问题。
通过对建筑结构进行有限元分析，可以评估结构的稳定性和强度，优化设计并提高建筑的效能和安全性。
3.3 航空航天工程在航空航天工程领域，有限元仿真可以用于飞机、火箭和卫星等复杂系统的设计和分析。
通过模拟力学和热力学行为，可以评估结构的性能和可靠性，并优化设计以提升工程效率。
4. 有限元仿真的优点有限元仿真技术具有许多优点，使其成为工程和科学领域中不可或缺的工具。
4.1 准确性有限元仿真可以提供高度准确的结果。
通过使用复杂的数学模型和离散化技术，可以更好地近似真实物理系统的行为，并生成准确的数值解。
4.2 灵活性有限元仿真方法非常灵活。
它可以适应各种不同的物理条件和边界条件，并支持对模型进行参数化研究和优化设计。
4.3 节省成本和时间相对于传统的试验方法，有限元仿真技术可以大大减少成本和时间。
通过在计算机上进行仿真，可以避免昂贵的实验设备和长时间的试验过程。
5. 有限元仿真的局限性然而，有限元仿真技术也有一些局限性需要注意。
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对象的导入
上模 TiAl合金 包套 下模
网格划分
网格数为5000的包套
网格数为500的包套
材料的定义
key文件
TiAl合金的材料为： Ti-46.3Al-2.0V-1.0Cr-0.5Ni-3_s002 包套的材料选择321不锈钢
பைடு நூலகம்
模 型 定 位
定位前的模型
定位后的模型
接触关系定义
上下模移动参数及物体温度
Preprocessor
Postprocessor
DEFORM DATA BASE
Utility
DEFORM系统结构
DEFORM模拟软件的产品功能
模 拟 材 料 流 动 的 理 想 工 具
热交换 分析 后处理功 能强大 用于热、 冷、温 成形 自动网格 再剖分
自定义过程，计算准确可靠
3D
产品功能
单步模 具应力 分析方 便快捷 解决胀 压成形 工艺 集成有成 形设备模 型 自动生 成边界 条件
5
DEFORM模拟软件在材料加工中的应用
以DEFORM软件在塑性成形中的应用为主，以 TiAl合金的包套镦粗以及方形件的锻压为例，详 细介绍deform的功能，应用的步骤，以及可以 解决的一些主要问题
A
前期造型
B
模拟的前处理
静态 隐式
有限元模拟算法
动态 显式
数值模拟：求偏微分方程的数值解
数值模 拟方法
•1.有限元法、 • 2.边界元法、 • 3.离散单元法 •4.有限差分法
单元技术及网格划分
算法的选择 ，本构关系
技术关 键
接触、缺陷处理
仿真与集成
几何建模
前处理
求解
后处理
分析过程
应用
以对工艺参数和几何参数进 行优化计算，从宏观分析发 展到微观分析，可以预测弹 性回复 残余应力、加工硬化， 预测工件在变形过程中的微 观组织， 模拟退火、正火等 热处理过程中的材料组织化； 还能分析较复杂的耦合问题
包套厚度为8mm
LOGO
当变形量达到70%时各点的应变值
3.5 3 3.12 3 2.5 2.51 2.8 2.5 2.13 2 1.68 1.5 1.45 1.39 1.46
包 套 厚 度 为 3
应变值(mm/mm)
应变值(mm/mm)
2
1.5 1.21 1 0.765
1.34
1.32
1.23
1 0.575 0.5
• 模拟的步数根据压下量进行计算
LOGO
启动控制模拟器
•
网格重划分
LOGO
后 处 理
• • • • 可以对整体进行分析 可以进行点追踪 图形界面比较清晰，直观形象 应够对对个物理量进行分析
LOGO
LOGO
LOGO
LOGO
LOGO
点 追 踪
LOGO
髙 径 比 为 2
包套厚度为3mm
包套厚度为5mm
• 专门适用于塑性加工领域的CAE分析软件 • 基于有限元的工艺仿真系统
LOGO
DEFORM-3D
DEFORM-2D
DEFORM-PC
软件产品
DEFORM-Tools
DEFORM-HT Module
LOGO
Deform-3D软件的优点
• ①设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现 场试验成本 • ②提高模具设计效率，降低生产和材料成本
研究新的可视化技 术 CAD-FEM-CAD接 口技术
• ③缩短新产品的研究开发周期
• ④后处理菜单为用户提供了直观方便的评价 成形过程
LOGO
3
DEFORM模拟软件的系统结构
• 高度模块化、集成化的有限元模拟系统
LOGO
Simulation Engine CAD/CAM Mash generator Material Data Base FEM Terminal Printer
内 容
1 有限元模拟技术的概述 DEFORM模拟软件的简介
2
3 4 6
DEFORM模拟软件的系统结构及产品功能 DEFORM模拟软件在材料加工中的应用举例
有限元模拟软件的概述
有限元的基本思想在20世纪40年代初就已经提出， 到70年代才开始逐渐被应用，应用的范围，分析 的对象也越来越广，分析的作用也更加强大 有限元法 求解数学表述的连续体问题的一种一般离散化方法 。把整个系统分解成性态容易了解的单个的元件 或“ 单元”，然后由这些元件重建原来的系统， 以研究其性态变化等。
C
启动模拟计算器
D
后处理操作
前期造型
模型接口格式 ：STL、UNV、PDA、AMG
Pro/E进行建立三维几何实体模型
TiAl合金的直径为14mm
材料参数：
材料的不同参数组合图
模拟前处理
几何模型的导入 网格划分 材料定义 物体的接触和摩擦定义 模拟参数的设定
创建一个新的题目
设置模拟参数
缺陷
应力
应变
温度
破例
CATIA
DYNAFORM ANSYS
SYSWELD
DEFORM
常见的模拟软件
CMG SUITE
HYPERMESH
ABAQUS
MOLDFLOW
LOGO
2
DEFORM模拟软件的简介
• 由美国Ohio Clumbus公司开发，前身是美 国空军Battle实验室开发的ALPID软件，主 要用于塑性加工，热处理等工艺
0.5
0 0 1 2 3 1 2 3 4 5 6 7
位置点
4
5
6
7
位置点
髙径比为2
3 2.64
髙径比为2.5
应变值(mm/mm)
2.5
2.06 2
1.5 1.23 1
1.4
0.924 0.664
0.948
0.5
0 1 2 3 4 5 6 7
位置点
髙径比为3
发展方向
提高模拟的效率和精 度
提高分析模拟能力 优越 性
模拟控制设置
生成数据库文件
综上本模拟试验中所选取的基本参数：
• • • • • • • • • TiAl合金坯料的直径为14mm TiAl合金坯料髙径比为2，2.5，3 包套材料为321不锈钢，厚度为3，5，8mm 上下模尺寸为50×50×15mm，温度为20 ℃ TiAl合金的温度为1150℃ 上模向下运动的速度为1mm/sec 各物体之间的接触摩擦系数为0.3 公差设为最佳值 模拟控制中步长设为0.7mm