基于deform的圆柱压缩实验报告

铜陵学院课程实验报告

实验名称圆柱体压缩过程模拟

实验课程材料成型计算机模拟

指导教师

专业班级09材控（1）

姓名

学号

2012年04月28日

实验 圆柱体压缩过程模拟

1 实验目的与内容

1.1 实验目的

进一步熟悉AUTOCAD 或PRO/E 实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM 软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM 软件分析压缩变形的变形力学问题。 1.2 实验内容

运用DEFORM 模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。

（一）压缩条件与参数

锤头与砧板：尺寸200×200×20mm ，材质DIN-D5-1U,COLD ，温度室温。 工件：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，温度室温。

（二）实验要求

砧板

工件

锤头

图1 圆柱体压缩过程模拟

（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；

（2）设计模拟控制参数；

（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；

（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；

（5）比较方案1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，说明原因；

（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。

2 实验过程

2.1工模具及工件的三维造型

根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出STL格式。

2.2 压缩过程模拟

2.2.1 前处理

建立新问题：程序→DEFORM6.1→File→New Problem→ Next→在Problem Name栏中填写“Forging”→ Finish→进入前处理界面。

设置模拟控制：点击工具栏中Simulation Controls按钮→Main按钮。在Simulation Title 一栏中填入Forging。在Operation Name一栏中填入deform。在Units栏中选中SI。在Mode一栏中只选Deformation。

添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“Workpiece”、“Top Die”、“Bottom Die”。

定义对象的材料模型：在对象树上选择Workpiece→点击General按钮→选中Plastic 选项→点击Assign Temperature按钮→填入温度为20→点击OK按钮；选择Top Die→点击General按钮→选中Rigid选项→点击Assign Temperature按钮→填入温度为20→点击OK 按钮→勾选Primary Die选项→如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die 选项）。

导入毛坯几何文件：分别选中Workpiece、Top Die、Bottom Die，在操作窗口中单击Geometry按钮→Import Geo按钮，导入在CAD中事先画好的造型文件。

调整对象位置关系：在工具栏点击Object Positioning按钮进入对象位置关系调整对话框→根据锻压要求及实体造型调整相互位置关系→点击OK按钮完成。

实体网格化：在对象树上选择Workpiece→点击Mesh →选择Detailed Settings的General选项卡→点击Absolute，Size Ratio改为3，Element Size选Min Element Size，设为3→点击Surface Mesh ，生成表面网格→点击Solid Mesh生成实体网络。

设置对象材料属性：在对象树上选择Workpiece→点击Material→点击other→选择DIN-CuZn40Pb2[1050-1400F(550-750C)]→点击Load完成材料属性的添加。

设置主动工具运行速度：选择Top Die→点击Movement→在type栏上选中Speed选项→在Direction选中主动工具运行，如-Z→在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入速度值为1mm/s。

设置坯料边界条件：选中物体Workpiece→单击https://www.360docs.net/doc/f615784166.html,d按钮→选中Symmetry plane 图标→然后分别选中坯料的对称面→单击添加按钮。

工件体积补偿：选择Workpiece→点击Property→在Target V olume卡上选中Active in FEM+meshing选项→点击Calculate V olume按钮→点击Yes按钮。

设置模拟参数：点击工具栏中Simulation Controls按钮→点击Step按钮→在Number of Simulation Steps栏中填入模拟步数为30→Step Increment to Save栏中填入每隔2步就保存模拟信息→在With Die Displacement栏中选Constant，填入1→点击OK按钮完成模拟设置。

边界条件定义：点击Inter-Object按钮→在对话框上选择Workpiece—Top Die→点击Edit按钮→点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数为0→点击Close按钮→如此重复，依次设置其它接触关系→点击Generate all按钮→点击Tolerance 按钮→点击OK按钮完成边界条件设置。

保存k文件：选择Workpiece→点击Save按钮→点击保存按钮→保存工件的前处理信息→重复操作，依次保存各工模具的信息。

2.2.2 生成库文件

在工具栏上点击Database generation按钮→在Type栏选中New选项→选择路径→填入数据库文件名为forging →点击Check按钮→没有错误信息则点击Generate按钮→完成模拟数据库的生成。

2.2.3 退出前处理程序

在工具栏上点击Exit按钮，退出前处理程序界面。

2.2.4 模拟运算

在主控程序界面上，单击项目栏中的forging.DB文件→单击Run按钮，进入运算对话框→单击Start按钮开始运算→单击Stop按钮停止运算→单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。

2.2.5重复操作

按表格1所列的另外三种情况，改变摩擦系数跟坯料高度再做三次模拟操作。

2.3 后处理

模拟运算结束后，在主控界面上单击forging.DB文件→在Post Processor栏中单击DEFORM-3D Post按钮，进入后处理界面。

1）观察变形过程：点击播放按钮查看成型过程；

2）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Stress –Max principal，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况；

3）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Strain –Total- Max principal，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况；

4）观察破坏系数分布：在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；

5）成型过程载荷：点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png，并保存图表的数据；

6）点跟踪分析：点击Point Tracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生

成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、破坏系数，保存相应的曲线图。

3 实验结果与分析

3.1 观察变形过程；

方案一变形过程：

方案二变形过程：

方案三变形过程：

方案四变形过程：

该挤压过程类似圆柱体体镦粗过程前面部分，圆柱体被压缩、镦粗，由于不同的接触摩擦条件和高径比，而出现不同的应力应变状态，不同的行程载荷过程以及各种不同的变化情况。

3.2 观察温度变化：

由于胚料的压下速度极为缓慢（1毫米每秒），且胚料直接裸露在空气中，可以进行很好的热交换，所以整个过程中胚料的温度始终为室温。

3.3 观察最大应力分布：

上图中各个不同的区域颜色均代表不同的应力状态：

1）比较方案一和方案二：方案一，摩擦系数为零，应力基本均匀分布，处于三向压应力状态；方案二，摩擦系数为0.2，

由上图可以看出应力值明显分为不同区域。胚料接触

图3 圆柱压缩过程温度变化

面为三向压应力状态，而胚料表面（非接触端面）出现不同的应力状态（两压一拉的应力状态）。

分析：在没有摩擦的情况下，胚料受力均匀，为均匀应变，各部分受相同的三向压应力状态；在有摩擦情况下，由于受接触摩擦的影响，胚料接触端面金属流动受阻，且接触摩擦力，在径向由外侧向中心呈逐渐增强的趋势，在轴向由端面向中心呈逐渐减小的趋势，故而，胚料端面接触中心受强烈的三向压应力状态。又金属流动受阻，产生不均匀应变，出现附加拉应力，由于环向出现附加拉应力使其应力状态发生变化，此环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小，因此胚料表面出现两压一拉的应力状态。

2）比较方案一和方案三，方案二和方案四：用鼠标点击两方案中的相同部位查看其最大应力值，得出在相同的摩擦条件下，高径比越大，其所受的应力值反而较小。

分析：高径比越大，其相对体积越大，故而受相同的压应力时，高径比大的，其单位体积所受的三向压应力值相对较小。

3.4观察最大应变分布：

·

·

受均匀应变，且用鼠标点击胚料任一部位得出的应变值可以看出，高径比较大的胚料，应变值较小。

分析：胚料受均匀的三向压应力作用，所以各部位应变均匀。由上述对应力分析得，

高径比大的，单位应力值较小，故而方案三中胚料应变明显小于方案一中的应变。

2）观察方案二和方案四：在有摩擦情况下，应变明显分为几个不同的区域，圆柱胚料的接触面附近应变最小；与垂直垂直作用力大致呈45度交角的区域和和靠近圆柱体表面的区域，此区域应变较大；胚料接触面的边缘部分，此区域应变最大。

分析：在圆柱体端面中心的接触部分，所受的接触摩擦最大，且远离与垂直作用力呈45度交角的易产生滑移的区域。在此区域产生塑性变形较为困难，所以在此区域应变最小。胚料的表面及内部地区，由于处于与垂直作用力大致呈45度交角的有利变形区域，且距端面较远，因此此区域最易发生塑性变形，应变较大。端部边缘部分的黄色区域，主要由于此处环向附加拉应力最大，且径向压应力最小，故有明显的两拉一压的应力状态，因此应变最大。

3）比较方案一和方案二（方案三和方案四）：高径比相同，有不同的摩擦系数。通过观察可得：有接触摩擦的的胚料应变量明显大于没有摩擦的胚料。

分析：由于接触摩擦的存在，挤压过程中产生不均匀应变，出现附加拉应力，由于附加拉应力和原本胚料所受应力的共同作用，使胚料整体呈现出易于挤压的状态，故而应变较大。

3.5 观察破坏系分布：

压缩量为20%，晶格畸变均匀，没有达到崩溃的程度，所以破坏系数为零。

3.6

成型过程载荷分析

将deform 中上述图标的数据全部导出，保存到txt 文档中，然后将txt 文档中数据转入excel 中做折线图，得到以下结果

对上图进行如下分析：（设图中曲线别为曲线1，曲线2，曲线3和曲线4）

1）对其中任一一条曲线的分析：在开始较短时间内载荷呈线性增大，该段时间内的变形为弹性变形，斜率与材料性质相关（故而各条曲线保持一致），载荷迅速增加，变形

很小；在后面的所有时间内载荷呈非线性增长，该时间内的变形主要为塑性变形，随着挤压过程的进行，胚料与上模接触面积越大，则受上模的摩擦力就逐渐增大，同时还受到金属内部原子相互作用力，因此挤压变得越来越困难，斜率变低，出现加工硬化现象。

2）曲线1、2的比较（曲线3、4的比较）：刚开始阶段两曲线重叠，是因为刚开始弹性变形阶段，曲线斜率只与材料材质有关，故而斜率相同。而后的塑性形变阶段，曲线1都在曲线2的上方，因为存在摩擦，不均匀应变导致附加拉应力的出现，胚料各部分出现或趋于两拉一压的应变状态，易于产生应变，故而曲线1（及存在摩擦的圆柱压缩）高于曲线2。

3）曲线1、3的比较（曲线2、4的比较）：弹性变形阶段，形变系数主要与材料材质有关，故而有重叠的部分。由于曲线3试样的高径比较大，故而试样在同的应力作用下，试样的单位压力较小，所以初始阶段曲线3比曲线1较矮。

3.7 点跟踪分析：

追踪点设置规则：将剖面均匀分成四个部分，选取其中一部分，在各自边界上取三等分点（如下图示），共选取五个点，这样选取有助于将各个不同的变形区域概括进来，具

有代表性。

分别对四种方案按上图的追踪点设置进行最大应力和最大应变的点追踪分析：

图10（a）方案一图10（b）方案二

图10（b）方案二

图11（b ） 方案二

追踪点的分析：

1）对图10进行最大应力的点追踪分析，各点基本符合上述对载荷成型曲线及最大应力值的分析。

刚开始的弹性变形阶段，应力值随着挤压的进行线性增长，而后进入塑性变形阶段，应力值非线性增长，随着挤压的进行，晶格畸变的加大，以及原子相互之间的作用力影响，挤压变得困难，出现加工硬化现象。

由图10（a）与10（b）比较得，由于接触摩擦的作用，使接触端面的金属流动不均匀，出现不均匀应变和附加拉应力，致使应力状态发生改变（由三向压应力变为两拉一压的应力状态），所以两图中出现不同应力状态的点。

对图10（b）与10（d）分析得：挤压时，圆柱端面处，受强烈的三向压应力状态，该处应力值最大；由于挤压过程中不均匀应变产生的附加拉应力作用，且该附加拉应力，径向由外侧向中心逐渐减小，轴向由端面向中心逐渐变大，故而各点的应力状态各不相同。

2)对图11进行最大应变的点追踪分析，各点符合上述对载荷形成曲线及最大应变值得分析，且符合应力应变的关系。

弹性变形阶段，随着挤压的进行，应变均匀增加；塑性变形阶段，挤压变得困难，出现加工硬化现象，应变增加较为缓慢。

对图11（b）与图11（d）分析得：存在摩擦时，端面区域受强烈的三向压应力状态，所以此区域应变最小，位于此区域的P1点应变增长最为缓慢；与垂直作用力成45度交角的区域和胚料表面区域，远离端面，受接触摩擦的影响较小，且不均匀应变导致的附加拉应力作用，两压一拉的应力状态易拉伸，应变较大，且应变增量的大小与附加拉应力呈正相关。

4 实验小结

通过本次模拟实验，使我熟悉并较好的掌握AutoCAD、office等软件的实用方法，同时也提高了专业知识和计算机技术综合分析问题的能力、解决问题的能力。学习并掌握了Dform-3D软件的实用环境，学会了使用Dform-3D进行简单的材料成型模拟。

通过本次模拟实验，了解了DEFORM-3D模拟圆柱体压缩的具体过程，了解了DEFORM 软件中步长设置和网格划分等技巧，并且对圆柱体压缩过程中各个部分应力应变状态有了较为清晰的认识。

同时我也学会使用Dform-3D进行简单的材料成型模拟，分析成型过程中工件的温度、应力、应变、破坏系数、追踪点分析和挤压工具载荷的变化。通过Dform-3D软件的学习，为以后的工作提供一种非常实用的实验方法，也有助于现在对本专业的技术研究，作更深入的了解。