塑性成形有限元分析
9 金属塑性成形有限元软件应用介绍
金属塑性成形原理
进行单元分析时，需要把单元内的任一点的位移分量表示成坐标 的某种函数，该函数称为位移函数。
多项式形式的位移函数应用最为广泛。多项式的次数越高，计算结 果越精确。在实际中，取有限次多项式来获得近似解。
位移函数的次数对计算精度的影响
金属塑性成形原理
位移函数的多项式形式： 实际工程应用中，插值函数多项式一般取1~3次。
金属塑性成形原理
第九章 金属塑性成形有限元软件应用
内容提纲
一、有限元基本原理简介 二、 Ansys软件简介 三、Abaqus软件简介 四、Deform-3D软件简介 五、Dynaform软件简介
金属塑性成形原理
金属塑性成形原理
第一节 有限元基本原理简介
有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值计算方法。由 于采用类型广泛的边界条件，对工件的几何形状几乎没有什么限制和求解 精度高而得到广泛的应用。有限元法在40年代提出，通过不断完善，从 起源于结构理论、发展到连续体力学场问题，从静力分析到动力问题、稳 定问题和波动问题。随着计算机技术的发展与应用，为解决工程技术问题， 提供了极大的方便。
➢几何对称的变形体，利用其对称性，只选择对称部分进行网格划分。
金属塑性成形原理
二、位移函数的选择 ✓结构离散化后，要对单元进行力学特性分析。 ✓单元分析是有限元计算的核心，其任务是建立单元的结点力与结点 位移之间的关系，即建立单元的刚度矩阵。 ✓由弹性或塑性力学方程分析应力与应变，建立结点位移和内部应力 的关系，现借助虚功方程，导出单元结点力与结点位移的关系。
针对该问题研究者们提出了几种不同的处理方法， 典型的有拉格朗日（Lagrange）乘子法，罚函数法。
金属塑性成形原理
6.1 塑性理论及有限元
b B s p A’ A
C
O
E
p
f
F
e
由于加载、卸载规 律 不 同 ， 导 致 -ε 关 系不唯一。只有知道 变形历史，才能得到 一 一 对 应 的 -ε 关 系 ，即塑性变形与变形 历史或路径有关。这 是第3个重要特征。
b B s p A’ A
C
O
E
p
f
F
e
> s 以后的点都可
铝合金的标称应力-应变曲线
真实应力-应变曲线（应使用真应力和真应变来讨论塑性变形状态）
真实应力：真实应力为轴力除以真实的横截面面积，对于均匀变形：
P A
式中
P A0
加载瞬间载荷； 同一瞬间试样横断面积。
真实应变：真实应变为长度改变量除以当时长度：
n ln dl l1 l0 l2 l1 l3 l2 ln ln1 li ln ln l0 l l0 l1 l2 ln1 l0 i 1 li
塑性理论及有限元
1 2 3 4 单向弹塑性应力应变关系 塑性条件方程 塑形本构关系 全量和增量理论
塑性力学的主要任务是研究固体发生塑性变形时的应力分布和应变分布的规 律。由于大量的工程设计问题（如锻造、压延、冲压、拉丝等）及许多自然 现象（如结构的弹塑性断裂与损伤、地壳的构造运动等）都与塑性变形有关 ，最近几十年来，塑性力学得到迅速的发展。 从物理上看，塑性变形过程属于不可逆过程，伴随着机械能的耗散，相比弹 性变形过程更复杂。从数学上看，塑性力学本质上是非线性的，所以比弹性 力学问题困难得多。塑性力学问题的研究不是探究材料塑性变形的内在机理 ，而是从材料的宏观塑性行为中抽象出力学模型，并建立相应的数学方程来 予以描述。 应力平衡方程和应变位移间的几何关系是与材料性质无关的，因此对弹性力 学与塑性力学都一样；两者的主要差别主要变现在应力与应变的物理关系， 即本构关系上。这也带来了处理方法上的不同，塑性力学首先要解决的问题 是在实验资料的基础上确立塑性本构关系，进而与平衡和几何关系一起去建 立弹塑性边值问题；然后根据不同的具体情况寻求数学计算方法求解弹塑性 边值问题。 塑性力学的主要研究对象是金属材料，人们对此进行了比较充分的实验研究 ，并总结出若干塑性理论。而对于非金属材料相对来说研究得不够充分，因 此将塑性理论应用到非金属材料和其它材料上时，需持非常审慎的态度。塑 性力学今后的研究重点是用宏观与微观相结合的方法研究材料的塑性变形机 理，吸收材料学的近代成果，丰富和发展原有的理论，推动研究向前发展。
塑性成形过程中的有限元法
塑性成形过程中的有限元法金属塑性成形技术是现代化制造业中金属加工的重要方法之一。
它是金属材料在模具和锻压设备作用下发生变形，获得所需要求的形状、尺寸和性能的制件的加工过程。
金属成形件在汽车、飞机仪表、机械设备等产品的零部件中占有相当大的比例。
由于其具有生产效率高，生产费用低的特点，适合于大批量生产，是现代高速发展的制造业的重要成形工艺。
据统计，在发达国家中，金属塑性成形件的产值在国民经济中的比重居行业之首，在我国也占有相当大的比例。
随着现代制造业的快速发展，对塑性成形工艺分析和模具设计提出了更高的要求。
如果工艺分析不完善、模具设计不合理或选材不当，产品将不符合质量要求，导致大量不良品和废品，增加模具的设计制造时间和成本。
为了防止缺陷，提高产品质量，降低产品成本，国内外许多大公司、企业、高校和研究机构对塑料成型件的性能进行了大量的理论分析、实验研究和数值计算，通过对成形过程中应力应变分布及变化规律的研究，试图找出各零件在产品成形过程中遵循的共同规律和机械失效所反映的共同特征。
由于影响塑性成形过程的因素很多，一些因素，如摩擦和润滑、变形过程中材料的本构关系等，还没有被人们充分理解和掌握。
因此，到目前为止，还无法对各种材料和形状零件的成形过程做出准确的定量判断。
由于大变形机理非常复杂，塑性成形研究领域一直是一个充满挑战和机遇的领域。
一般来说，产品研究与开发的目标之一就是确定生产高质量产品的优化准则，而不同的产品要求不同的优化准则，建立适当的优化准则需要对产品制造过程的全面了解。
如果不掌握诸如摩擦条件、材料性能、工件几何形状、成形力等工艺参数对成形过程的影响，就不可能正确地设计模具和选择加工设备，更无法预测和防止缺陷的生成。
在传统工艺分析和模具设计中，主要还是依靠工程类比和设计经验，经过反复试模修模，调整工艺参数以期望消除成形过程中的产品缺陷如失稳起皱、充填不满、局部破裂等。
仅仅依靠类比和传统的经验工艺分析和模具设计方法已无法满足高速发展的现代金属加工工业的要求。
塑性加工的有限元模拟--工艺过程优化的新工具
等有关，并对该准则进行了试验验证。
另外日本的Ｄ．Ｂａｎ－ａｂｉｃ和ＤＳＣｏｍａ等人也提出一种平面应力条件下的正交各向异性屈服准则，其等效应力来自Ｂａｌａｒ【以及连建设等人．在此基础上加上一个双轴各向异性系数以提高屈服准则的精度。
用该准则所描述的铝和钢合金的屈服表面跟试验数据吻合得相当好，相关的流动法则也能非常精确地预测ＬａＩ酬系数以及单向屈服应力的分布ｏ。
（２）用格划分网格划分是有限元分析的前提条件。
目前二维网格划分技术已日趋成熟，而复杂三维模型的网格划分技术由于其内在复杂性尚需进一步完善。
三维分析中的网格自动重划分算法一直是研究的热点，新的算法也层出不穷。
初始网格划分和后续的网格重划分关系到整个数值模拟过程的精度和效率。
在网格划分中，由于四面体单元能够很好地填充三维几何模型，因而获得了广泛应用。
但很多研究者仍然热衷于采用六面体单元，因为六面体单元变形特性好，单元内应力应变张量以线性分布，能以较少的网格重划次数获得较高的求解精度，同时也可以更好地模拟工件的内部组织。
大体上讲．常用的网格划分有四类，第一类是结构化同格生成方法．该方法很难在非结构化复杂几何形体上实现；第二类则是在自动生成的四面体网格基础上，将一个四面体拆分成四个六面体，这种剜格质量和拓扑结构都很差；第三类方法则在整个空间生成规则网格，然后将边界节点位置调整到材料边界上，这种方法适用范围广，但边界网格质量差；第四类侧重于边界生成优质网格，该方｛去最适用于塑性成形过程模拟，但目前算法通用性不强。
陈军等人则基于第四类划分方法而提出基于表面偏置的适用于任意几何实体的六面体网格自动生成方法“。
其基本思想是将划分区域的表面按单元边长的距离向内偏置，原外表面成为外边界表面，偏置的表面成为内边界表面．然后在内外边界表面之间所形成的当前划分域中生成（ａ）划分前畸变网格（ｂ）再划分后的网格扣）划分前网格等值线（ｄ）划分后网格等值线圈ｌ方坯料反向挤压过程的六面体网格再划分六面体网格，当前划分域的网格划分完毕后，用处于内边界表面上的节点组成新的外边界表面，继续偏置和划分，直到整个划分区域划分完毕，应用参见图１。
第五章--刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
塑性成形过程 计算机数值模拟
第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
证明：设真实解为 ui , ij 和 ij ，而许可解 ui* ,i*j
由屈服条件和本构方程有：
ij
3 2
klkl S
ij
(a)
则有：
2
3
S
ijij 'ij ij
由最大塑性功原理，有：
V
* ij
ij
i*j dV
0
(b)
塑性成形过程 计算机数值模拟
第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
由虚功率原理得：
V iji*j dV S Fiui*dS S Fiui dS
(c)
将(c)式代人(b)式得：
V iji*j dV S Fiui dS S Fiui dS
(d)
注意，在Su上。将(d)式代人(e)式有：
边界条件: 边界条件分为力学边界条件和位移边界条件，分别为：
ijn j pi
(5-8) (5-9)
ui ui
(5-10)
利用上述方程和边界条件，虽然在理论上是可以求解的，但实际上很 困难，只有在几种简单情况下才能求出解析解。
塑性成形过程 计算机数值模拟
第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
塑性成形过程 计算机数值模拟
第五章 刚塑性有限元法基本理论与模拟方法
❖ 对于实际的金属成形加工过程，弹性变形部分远小于塑性变形部分 ( 弹性应变与塑性应变之比通常在1/100～1/1000 )，因而可忽略弹 性变形，将材料模型简化为刚塑性模型。
❖ 采用刚塑性模型可大大简化有限元列式和求解过程。 ❖ 与弹塑性有限元法相比较，可采用较大的时间增量步长。在保证足
塑性材料的有限元分析
针对复杂材料和结构，需要深入研究材料的非线 性行为和多场耦合效应，建立更加完善的物理模 型和数值算法。
此外，应加强与实验研究的结合，通过实验验证 和修正有限元模型，提高模拟结果的可靠性。同 时，实验研究也能够为有限元分析提供更加真实 和全面的材料性能数据。
THANK YOU
03
有限元分析方法
有限元分析的基本原理
离散化
将连续的物理系统离散为有限个小的单元，每个 单元称为有限元。
近似解法
通过数学方法求解每个有限元的近似解，再通过 组合所有有限元的解得到整个系统的近似解。
平衡方程
建立每个有限元的平衡方程，通过求解平衡方程 得到每个节点的位移和应力。
有限元分析的实现过程
然而，塑性材料的有限元分析仍存在 一些挑战和限制，如模型的简化、边 界条件的确定、材料参数的获取等， 需要进一步研究和改进。
研究展望
未来研究应致力于发展更加精确和高效的有限元 分析方法，提高模拟结果的可靠性和精度。
在实际工程应用中，应加强有限元分析与其他数 值方法（如边界元、有限体积等）的结合，实现 优势互补，提高计算效率。
塑性变形的微观机
制
塑性变形是通过位错的滑移和攀 移等微观机制实现的，这些机制 在宏观上表现为塑性变形。
塑性变形的温度效
应
温度对塑性变形的影响较大，温 度升高会使材料的屈服强度降低， 塑性变形能力增强。
塑性变形的加工硬
化
在塑性变形过程中，材料的屈服 强度会随着变形程度的增加而逐 渐提高，这种现象称为加工硬化。
背景
随着计算机技术的不断发展，有限元分析已成为工程领域中解决复杂问题的常 用方法。通过有限元分析，可以模拟材料的变形、应力分布、应变等，为实际 工程提供重要的理论依据。
塑性线性有限元分析及在工程上的应用
塑性线性有限元分析及在工程上的应用塑性线性有限元分析（Plastic Linear Finite Element Analysis）是一种常用于工程实践中的数值模拟方法，用于评估结构体的塑性变形和破坏行为。
本文将介绍塑性线性有限元分析的基本原理、模拟流程以及在工程上的应用。
一、塑性线性有限元分析的基本原理塑性线性有限元分析是将结构体离散化为有限数目的小单元，通过数值计算方法模拟结构体的力学行为。
在塑性线性有限元分析中，结构体的材料行为被假设为线弹性（即，应力与应变之间存在线性关系），而结构体的几何非线性行为由材料的硬化模型和塑性流规则描述。
在进行塑性线性有限元分析之前，首先需要对结构体进行离散化。
常用的离散化方法包括三角形离散化和四边形离散化。
接下来，在每个小单元中，通过有限元理论计算单元的刚度矩阵。
刚度矩阵描述了单元的应力分布和应变能量分布。
然后，根据材料的线弹性本构关系，将初始加载的载荷应用于结构体。
在每个加载步骤中，计算结构体的应力分布和应变能量分布，然后更新结构体的几何形状。
在每个步骤中，根据塑性流规则计算塑性应变，并根据材料的硬化模型更新材料的本应变。
最后，通过求解结构体的静力平衡方程，计算结构体的响应。
可以使用一系列求解技术提高计算的效率和准确性，如迭代方法、加速技术和松弛技术。
二、塑性线性有限元分析的模拟流程塑性线性有限元分析的模拟流程包括以下几个步骤：1. 构建有限元模型：根据实际结构体的几何形状和边界条件，使用有限元网格生成技术构建有限元模型。
常见的有限元网格生成技术包括四边形单元和三角形单元。
2. 定义材料模型：根据结构体的材料性质，选择适当的本构模型描述材料的力学行为，如线弹性模型、塑性模型和硬化模型。
3. 定义约束条件：根据结构体的实际情况，定义适当的边界条件和加载条件。
边界条件包括固定边界和非固定边界，加载条件包括恒定加载和变加载。
4. 执行塑性线性有限元分析：开始塑性线性有限元分析，通过求解静力平衡方程，在每个加载步骤中更新结构体的几何形状和材料的本应变，计算结构体的响应。
基于有限元分析的塑料注塑成型模具设计
基于有限元分析的塑料注塑成型模具设计随着塑料制品的广泛应用，塑料注塑成型模具设计对产品质量和生产效率起着重要作用。
有限元分析作为一种有效的工程计算方法，被广泛应用于模具设计中，可以提供准确的应力和变形分布，并指导模具结构的优化设计。
本文将针对塑料注塑成型模具设计，探讨基于有限元分析的方法和技术。
1. 引言塑料注塑成型模具是指用于生产塑料制品的模具，它的设计和制造质量对产品的成型质量和生产效率起着决定性的影响。
传统的模具设计方法主要依靠经验和试验，往往时间消耗大、效果不稳定。
有限元分析方法则可以在模具设计阶段提供精确的应力和变形分析，为模具结构优化提供有力支持。
2. 有限元分析的原理有限元分析是一种数值计算方法，将复杂的实体结构拆分成有限数量的小单元，建立数学模型进行计算。
模拟系统的物理行为，如应力分布、变形情况等。
有限元分析方法通过在整个模型中引入数值网格和边界条件，利用数学方法求解模型的近似解。
这种方法的优点是可以对复杂的结构进行精确的计算，并提供详细的应力、变形等信息。
3. 有限元分析在塑料注塑成型模具设计中的应用在塑料注塑成型模具设计中，有限元分析可以用来优化模具的结构和材料选择。
首先，可以利用有限元分析计算模具在注塑过程中的应力和变形分布，以评估模具的强度和刚度，避免因应力过大而导致模具变形或破坏。
其次，有限元分析还可以通过模拟注塑过程中的温度分布，指导模具的冷却系统设计，提高注塑过程的效率。
此外，有限元分析还可以预测模具使用寿命，通过模拟模具中的疲劳应力，来预测模具的寿命并防止因疲劳失效而导致的模具损坏。
4. 优化设计方法基于有限元分析的优化设计方法可以帮助提高塑料注塑成型模具的性能和使用寿命。
首先，可以通过有限元分析计算模具在不同工况下的应力和变形，找出应力集中和变形较大的区域，并进行结构优化，如增加加强肋、增加牢固的支撑等。
其次，有限元分析还可以指导模具材料的选择，选择合适的材料可以提高模具的硬度和耐磨性，延长模具的使用寿命。
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贵州师范大学
《塑性成形有限元分析》
课程期末考查
2014—2015 学年第一学期
学院：机电学院
专业：材料成型及控制工程
姓名：谭世波
学号：111404010056
科目：DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程日期：2015年1月3日
塑性成形有限元分析
2011级材料成型与控制工程
（谭世波 111404010056）
摘要：本文主要是在DEFORM-3D软件上模拟圆柱形毛坯
的墩粗成型，对零件进行有限元模拟分析。
引言：何为有限元模拟分析？如何完成一个墩粗的模拟
分析，运用DEFORM-3D对毛坯进行分析的目的。
模拟直径为50mm，高度60mm的钢棒的镦粗成形工艺，工艺工序参数如下：
（1）几何体与工具采用整体分析；
（2）单位：公制
（3）材料：AISI-1045
（4）温度：20℃
（5）上模移动速度：2mm/s
（6）模具行程：10mm；
模拟过程：先用UG画出钢棒的三维模型，导出为STL格式。
1.在DEFORM-3D软件中进行模拟分析，打开软件创建
一个新的问题。
2.设置模拟控制
3.设置材料基本属性
4.导入毛坯几何文件
5.划分网格
6.导入上模文件
7.设置上模运动参数
8.导入下模文件
9.设置模拟参数
10.位置关系确定
11.定义接触关系
12.检查生成数据文件
13.模拟和后处理
14.模拟结果图
15.查看载荷-行程曲线
结论：由后处理可以看出：
最大半径：25+0.463=25.463mm
最小半径：25+0=25mm
最高高度：60mm
最低高度：60-10=50mm
对镦粗过程进行模拟，随着压下量的增加毛坯的底面半径和毛坯的最大半径增大，随着压下量的增加等效应变的值也增大。
随着压下量的增加载荷不断增大。
因为在下压的过程中，产生了加工硬化，提高了材料的变形抗力，所以随着压下量的增加变形所需载荷不断增加。
总结及体会
1、通过本次试验，我对deform软件有了一定的认识，了解认
识了DEFORM软件的窗口界面，DEFORM界面中功能键的作用。
掌握利用DEFORM-3D有限元建模的基本步，初步学会对DEFORM-3D模拟的数据进行分析。
2、掌握利用DEFORM有限元建模的基本步骤。
3、在用deform进行墩粗的模拟实验中，让我对墩粗的实验过
程有了更感性的认识，并且了解了墩粗的规律，加深了对墩粗的本质认识。
4、通过deform软件，广泛应用于零件成形过程的分析，对确
定最优的工艺参数有很大的帮助，节约了生产成本，提高了生产效率。
5、通过对DEFORM-3D的学习，有助于对复杂零件进行分析
参考文献
1.胡建军，李小平。
DEFORM-3D塑性成形CAE应用教程北京大学出版社
2.DEFORM-3D-V61手册。