材料成型过程数值模拟30页PPT

(完整版)材料成形过程模拟仿真

在未变形体（毛坯）与变形体（产品）之间建立运动学关系，预测塑性成形过程中材料的流动规律，包括应力场、应变场的变化、温度场变化及热传导等。
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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。
Laboratory of Materials Numerical Simulation 2008/10
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)

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。
Teaching Materials/Yuandong Li
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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
Teaching Materials/Yuandong Li
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
Teaching Materials/Yuandong Li
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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。

材料加工过程的数值模拟

• 金属塑性成形
优点：
• 生产效率高 • 产品质量稳定
• 原材料消耗少 • 有效改善金属的组织和力学性能
75％的钢材
70％的汽车零部件
缺点： • 以经验和知识为依据、以“试错”为基本方法
第四页，共75页。
• 虚拟制造
概念：在计算机内构造虚拟的生产系统模型，进行实际生产过程的模拟。
将虚拟制造技术应用于塑性加工全过程，其中的成形过程虚拟仿真（模
CATIA ） 5. 具备一定的专业外语阅读水平 6. 具备一定的计算机基本操作技能
第十八页，共75页。
国内外CAE分析师待遇情况
• 国外因行业而异CAE分析师的年薪工资平均在8－10万美元，网格划分师在10万美
元以上。
• 国内
平均在年薪8万
第十九页，共75页。
第一讲材料成形数值模拟概述
1. 引言
压铸参数设置
1. 材料属性（铸件、模具及其他）
1. 材料的热物性参数 2. 铸液的流动粘度
3. 材料的热弹塑性参数
2. 界面热交换参数
1. 模具－铸件－模具间热交换系数
2. 模具打开后，模具－空气，铸件－空气热交换系数
3. 模具－敷料热交换系数
3. 边界条件设置
1. 浇道口液体充型速度
2. 浇道口压力
3. 模具上的合型力
第四十二页，共75页。
实例分析（前处理过程）
4. 铸件及模具初始温度 5. 重力大小及方向
4. 程序运行参数设置
1. 压铸循环次数 2. 程序循环次数 3. 紊流模型设置 4. 温度场设置 5. 缺陷分析设置 6. 应力场分析设置 7. 各个参数单位设置
第四十三页，共75页。
实例分析（后处理过程）

材料加工过程的数值模拟PPT课件

dq q x x x dx
dq q y y y dy
• 通用
– MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS
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2-2温度场及传热的基本概念
• 温度场定义
– 在 x、y、z直角坐标系中，连续介质各个地点在同一时刻的温度分布，叫做温度场。
– T=f(x,y,z,t)
• 稳定温度场
– T= f(x,y,z)
• 不稳定温度场
– T=f(x,y,z,t)
热加工过程模拟的发展趋势
• 宏观中观微观
– 宏观：形状、尺寸、轮廓 – 中观：组织和性能 – 微观：相变、结晶、再结晶、偏析、扩散、气体析
出
• 单一、分散耦合集成
– 流场温度场 – 温度场应力/应变场 – 温度场组织场 – 应力/应变场组织场
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2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展趋势
• 等温面 • 等温线
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热量传递的三种基本形式/热传导
• 定义：物体各个部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。
• 表达式： Q T F x
• 傅立叶定律：QFT x – 矢量表示： grad T T n n grad T T i T j T k x y z q grad T T n n 14
• 热加工过程模拟的意义
– 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的结果（组织和性能）
– 与制造过程结合，实现快速设计和制造
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2-1 热加工过程模拟的研究现状
热加工过程模拟的发展历程
• 60年代（起源于铸造）
• 丹麦的Forsund首次采用有限差分计算了铸件凝固过程的传热。

材料成形过程数值模拟2

材料成形过程数值模拟（二）
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。

材料成形数值模拟PPT文档70页

25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
材料成形数值模拟
16、自己选择的路、跪着也要把它走完。 17、一般情况下)不想三年以后的事，只想现在的事。现在有成就，以后才能更辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须充满光明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽人才能所向披靡。

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。

《材料成型技术》课件

锻造
通过对金属进行加热和冷却，使其在压力下改变形状，常用于制造零件和工具。
挤压
将材料穿过模具的缝隙，使其变形成所需形状，常用于制造管道、线材等。
铸造
将液态材料注入模具中，待冷却后得到所需形状，广泛应用于汽车、航空等行业。
成型
通过热塑性材料的加热和压力，将其形成所需形状，常见于塑料制品生产。
常见的材料成型技术
局限性
• 材料限制 • 工艺复杂性 • 有限的成型尺寸
材料成型技术的发展趋势
1
智能化制造
通过引入自动化和智能化技术，提高生产效率和质量。
2
新材料应用
开发和使用新型材料，提高产品性能和使用寿命。
3
环保节能
减少能源消耗和废弃物产生，实现可持续发展。
总结和展望
材料成型技术在各个领域都扮演着重要角色，随着科学技术的进步，我们可以期待在未来看到更多创新和突破。
《材料成型技术》PPT课件
材料成型技术是一门研究材料加工和加工工艺的学科，涵盖了大量不同类型的材料和方法，对各个领域的工业和科研都具有重要的意义。
什么是材料成型技术
材料成型技术是通过加热、压力、变形等方式将原材料转变为所需形状和尺寸的工艺。它包括了常见的加工方法，如锻造、铸造、挤压等。
不同类型的材料成型技术
航空航天领域对高强度和轻质的材料需求较高，成型技术为其提供了多种解决方案。
3 电子产品
4 建筑领域
成型技术在电子产品制造中的应用包括电路板、塑料外壳等部件的生产。
通过材料成型技术可以生产建筑中常见的构件，如钢结构、玻璃幕墙等。
材料成型技术的优势与局限性
优势
• 高效生产 • 多样化的产品形状 • 成本效益