1、材料成型數(shù)值模擬,第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢(shì),4. 課程要求、進(jìn)度安排,第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢(shì),4. 課程要求、進(jìn)度安排,塑性加工研究的兩類方法,金屬塑性成形, 生產(chǎn)效率高, 產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定, 原材料消耗少, 有效改善金屬的組織和力學(xué)性能,75的鋼材,70的汽車零部件,優(yōu)點(diǎn)：,缺點(diǎn)：, 以經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)為依據(jù)、以“試錯(cuò)”為基本方法,虛擬制造,將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于塑性加工全過(guò)程，其中的成形過(guò)程虛擬仿真（模擬分析）最為重要。,對(duì)成形過(guò)程的虛擬仿真，可以在模具加工之前，檢驗(yàn)?zāi)＞哧P(guān)鍵工作部分形

2、狀和尺寸設(shè)計(jì)的合理性，分析材料的流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)是否產(chǎn)生缺陷，此外還可以對(duì)其他工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。,這樣就可以確保工藝、設(shè)計(jì)和模具制造一次成功，主要問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段就完全解決，使塑性加工進(jìn)入以模型化、最優(yōu)化、和柔性化為特征的工程科學(xué)階段，提高塑性加工行業(yè)的科學(xué)化水平。,概念：在計(jì)算機(jī)內(nèi)構(gòu)造虛擬的生產(chǎn)系統(tǒng)模型，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的模擬。,塑性加工工藝特點(diǎn), 加工工藝的多樣性, 變形行為的復(fù)雜性,變形機(jī)理的復(fù)雜性,變形金屬材料性能的可變性,接觸界面與摩擦作用,鍛造,沖壓,軋制,擠壓,拉拔,塑性加工工藝模擬分析方法, 解析法, 實(shí)驗(yàn)/解析法,相似理論法,視塑性法, 數(shù)值法,有限元法,有限差分法,邊界元法

3、,工程法（Slab法，主應(yīng)力法） 滑移線法（Slip line） 上限法（Upper bound）（下限法）、上限單元法（UBET) 有限單元法（FEM,Finite Element Method）,什么是CAE？CAE是什么意思?,計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）是以工程和科學(xué)問(wèn)題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。 一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過(guò)去受條件限制無(wú)法分析的復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答。 另一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化，使復(fù)雜的過(guò)程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方

4、面發(fā)揮了重要作用，同時(shí)CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在國(guó)外得到了迅猛發(fā)展，技術(shù)的發(fā)展又推動(dòng)了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。,CAE技術(shù)的應(yīng)用,8月17日，北京奧運(yùn)會(huì)游泳比賽項(xiàng)目在“水立方”落下帷幕，9天內(nèi)，我們見證了19項(xiàng)新的世界紀(jì)錄和7項(xiàng)新的奧運(yùn)會(huì)紀(jì)錄的誕生，見證了泳壇巨星菲爾普斯身著“鯊魚皮”泳衣勇奪8金的奧運(yùn)傳奇。,CAE技術(shù)鑄就“鯊魚皮”,我們知道水的阻力是運(yùn)動(dòng)員提高游泳速度的最大障礙，它的流動(dòng)方式是決定泳速的關(guān)鍵因素，因此降低水的阻力自然成為幫助游泳運(yùn)動(dòng)員提高成績(jī)的最有效途徑，它同時(shí)也是最具難度的一項(xiàng)工作。而應(yīng)用CAE仿真技術(shù)的“鯊魚皮”泳衣卻令人難以置信地比普通泳衣的阻力低

5、38%!,CAE技術(shù)幫助研究人員獲取關(guān)于泳衣表面和形體阻力的理想方案。運(yùn)動(dòng)員要求理想的泳衣實(shí)現(xiàn)水中運(yùn)動(dòng)過(guò)程盡可能平滑和不受到干擾，通過(guò)采用FLUENT數(shù)值分析，研究人員得到泳衣各部位的阻力特性，并在高阻力區(qū)域布置低磨擦材料，從而使運(yùn)動(dòng)員在水中盡可能地產(chǎn)生減少阻力的流體動(dòng)力。,研究人員使用FLUENT軟件分析的仿真數(shù)據(jù)，精確定位運(yùn)動(dòng)員在水中身體的高磨擦區(qū)，通過(guò)CAE技術(shù)尋找游泳運(yùn)動(dòng)員在水中身體最大阻力的位置，然后在該部位采用低磨擦材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。,Felt賽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),Felt賽車公司借助CFdesign設(shè)計(jì)出的自行車稱為“從未見過(guò)的最具空氣動(dòng)力學(xué)特性的自行車”，并且贏得了一系列世界重大賽事。,型

6、號(hào)：B2-pro 材料：碳纖維重量：7.58Kg,ANSYS在國(guó)家體育場(chǎng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,國(guó)家體育場(chǎng)是2008年第29屆奧運(yùn)會(huì)的主體育場(chǎng)，承擔(dān)奧運(yùn)會(huì)開、閉幕式與田徑比賽，總建筑面積約為25萬(wàn)m2。建筑的設(shè)計(jì)使用年限為100年，其“鳥巢”結(jié)構(gòu)將成為北京市的重要標(biāo)志性建筑。該建筑地面以上平面呈橢圓型，長(zhǎng)軸為332.3m，短軸為296.4m。主體結(jié)構(gòu)由鋼筋混凝土看臺(tái)與帶有可開合屋蓋的大跨度鋼屋蓋兩部分構(gòu)成。屋蓋的主結(jié)構(gòu)由48榀桁架與中間環(huán)梁構(gòu)成，支承在周邊24根組合柱之上。屋蓋的頂面呈鞍形，最高點(diǎn)高度為68.5m，最低點(diǎn)高度為42.8m。主桁架圍繞屋蓋中部的環(huán)梁放射形布置，與屋面及立面的次結(jié)構(gòu)一起形成了

7、“鳥巢”的特殊建筑造型，主場(chǎng)看臺(tái)部分采用鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)體系，與大跨度鋼結(jié)構(gòu)完全脫開。,CAE在焊接結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用,MSC.MARC,本課程學(xué)習(xí)基礎(chǔ)及方法,應(yīng)用CAE仿真分析軟件是一項(xiàng)比較復(fù)雜、對(duì)使用者要求相對(duì)較高的技術(shù)。要求軟件的使用者首先要具備以下的背景知識(shí)及一定的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，基礎(chǔ)包括： CAD/CAE/CAM的基礎(chǔ)知識(shí) 具有一定的有限元分析方法的理論知識(shí) 鍛造，沖壓和焊接工藝基礎(chǔ)及模具設(shè)計(jì)的理論 具備能熟練使用某一三維CAD軟件進(jìn)行三維造型的能力（ProE、UG、 Solidworks、 CATIA ） 具備一定的專業(yè)外語(yǔ)閱讀水平 具備一定的計(jì)算機(jī)基本操作技能,第一講 材料成形數(shù)

8、值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢(shì),4. 課程要求、進(jìn)度安排,應(yīng)用現(xiàn)狀,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工工藝改進(jìn),大型船用曲軸鍛造數(shù)值模擬研究,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工工藝改進(jìn),大型船用曲軸鍛造數(shù)值模擬研究,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工節(jié)能降耗,大型軸類鍛件倒棱滾圓過(guò)程的數(shù)值模擬研究,初始坯料形狀、不同型砧（平砧、 90V砧和120V砧）倒棱后鍛,件形狀、以及120V砧滾圓后形狀,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工節(jié)能降耗,大型軸類鍛件倒棱滾圓過(guò)程的數(shù)值模擬研究,不同型砧下的鍛件倒棱、滾圓后的斷面形 狀精度,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工節(jié)能降耗,多工步成形中的空洞型缺陷演化,大型長(zhǎng)方體鋼錠平砧拔長(zhǎng)后

9、的空洞閉合情況（外觀圖和剖面圖）,基于空洞演化的體胞模型， 通過(guò)數(shù)值模擬可以為鍛件 “控性”提供理論分析基 礎(chǔ)，也為新工藝的創(chuàng)成提 供了依據(jù)。,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工節(jié)能降耗 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)鍛件的飛邊余量,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工節(jié)能降耗 汽車傳動(dòng)系統(tǒng)鍛件的飛邊余量 50 某汽車傳動(dòng)系統(tǒng)鍛件的 飛邊余量原來(lái)占到總重,量的約50%，經(jīng)過(guò)計(jì)算 機(jī)模擬，改進(jìn)了鍛造工,25,藝設(shè)計(jì)，使飛邊余量降 低到25%，通過(guò)節(jié)省原 材料降低了能耗。 飛邊余量的降低百分比,計(jì)算機(jī)模擬促進(jìn)了熱加工節(jié)能降耗，還保證了產(chǎn)品質(zhì)量,大型合金鋼模塊,P20大模塊預(yù)冷水淬自回火水淬自回,火處理后珠光體分布云圖,國(guó)家體育館空間結(jié)構(gòu)梁焊

10、接變形 隔板 66,第 4 段 第 3 段,外側(cè)腹板,隔板 22a,隔板 38,隔板 39,隔板 41,第 2 段,上翼板,內(nèi)側(cè)腹板,下翼板,隔板 B1,隔板 37,隔板編號(hào)示意圖,隔板焊縫 G4,第 1 段 結(jié)構(gòu)整體示意圖 隔板焊縫 G1 隔板焊縫 G2 隔板焊縫 G3,主焊縫 Z1 主焊縫 Z2 焊縫的空間分布及編號(hào)圖,主焊縫 Z4 主焊縫 Z3,注：隔板焊縫編號(hào)以一個(gè)隔板 為例，其余隔板相同。,perature(C)Temp,寧德項(xiàng)目2#反應(yīng)堆壓力容器接管段 溫度 700,應(yīng)力,600 500 400 300 200,WELD2,WELD1,modified design Tempera

11、ture in weld vicinity,0,50,100,150,200,250,300,350,400,100,Distance (mm) 焊接殘余應(yīng)力與焊縫布置,核電裝備堆內(nèi)構(gòu)件應(yīng)力槽計(jì)算,isplacement(mDi,mm),斜接管交換器焊接變形預(yù)測(cè) 0.50,first second third fourth,b,0.20,0.45 0.40 0.35 0.30 0.25,內(nèi)環(huán)2,內(nèi)環(huán)1,內(nèi)環(huán)3,0.10 0.05,0.15,外環(huán)2,a 外環(huán)1,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1800,2000,0.00,Distance in axi

12、al direction(mm),真空高壓氣淬爐流場(chǎng)溫度場(chǎng)模擬,真 空 爐 實(shí) 體,真 空 爐 模 型,爐 內(nèi) 流 場(chǎng),工 件 內(nèi) 部 溫 度 場(chǎng),第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢(shì),4. 課程要求、進(jìn)度安排,宏觀-微觀 多物理場(chǎng)耦合 數(shù)值模擬在特種成成形中的應(yīng)用范圍不斷拓寬 基礎(chǔ)性研究增大 反向模擬技術(shù) 模擬軟件 協(xié)同工作 模擬結(jié)果與設(shè)備控制的關(guān)聯(lián),第一講 材料成形數(shù)值模擬概述,1. 引言,2. 工程意義及應(yīng)用現(xiàn)狀,3. 發(fā)展趨勢(shì),4. 課程要求、進(jìn)度安排,1.教材： 傅建主編. 材料成形過(guò)程數(shù)值模擬.化學(xué)工業(yè)出版社，2009,2.參考書目：,

13、劉勁松;張士宏;肖寒;李毅波. MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用.中國(guó)水利水電出版社,2010 陳立亮主編材料加工 CAD/CAE/CAM技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社，2006 董湘懷主編材料成形計(jì)算機(jī)模擬機(jī)械工業(yè)出版社出版社，2002 辛啟斌編著材料成形計(jì)算機(jī)模擬冶金工業(yè)出版社，2005 張凱鋒主編材料熱加工過(guò)程的數(shù)值模擬哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2001 牛濟(jì)泰主編材料和熱加工領(lǐng)域的物理模擬技術(shù)國(guó)防工業(yè)出版社，1999,3.教學(xué)軟件： Deform Dynaform Marc,4.教學(xué)內(nèi)容：,基本內(nèi)容包括：有限元與有限差分法基礎(chǔ)、應(yīng)用數(shù)值方法模擬材料成形的一般步驟，金屬?zèng)_壓成形中的數(shù)值模擬，

14、金屬鍛壓成形中的數(shù)值模擬，金屬焊接成形中的數(shù)值模擬等。 課程重點(diǎn)：金屬?zèng)_壓、鍛壓、焊接成型過(guò)程的數(shù)值模擬。 課程難點(diǎn)：非線性有限單元法、剛（黏）塑性有限元法、數(shù)值解的解的收斂性與誤差控制、熱力耦合分析。,40,第二講 有限元與有限差分法基礎(chǔ),CAE的工具： 有限元法（FEM）、有限差分法（FDM）、邊界元法（BEM）、有限體積法（FVM）、無(wú)網(wǎng)格法等等 在材料成形的CAE中主要使用的是有限元法、有限差分和有限體積法。,41,“ 有限元法 ” 的基本思想早在20世紀(jì)40年代初期就有人提出，但真正用于工程中則是電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以后。 “ 有限元法 ” 這一名稱是1960年美國(guó)的克拉夫（Clough，

15、R.W.）在一篇題為 “平面應(yīng)力分析的有限元法” 論文中首先使用。此后，有限元法的應(yīng)用得到蓬勃發(fā)展。 到20世紀(jì)80年代初期國(guó)際上較大型的結(jié)構(gòu)分析有限元通用程序多達(dá)幾百種，從而為工程應(yīng)用提供了方便條件。由于有限元通用程序使用方便，計(jì)算精度高，其計(jì)算結(jié)果已成為各類工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能分析的可靠依據(jù)。,42,有限元法最初用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，由于它在理論上的通用性，因而它可用于解決工程中的許多問(wèn)題。 目前，它可以解決幾乎所有的連續(xù)介質(zhì)和場(chǎng)的問(wèn)題，包括熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體動(dòng)力學(xué)、地質(zhì)力學(xué)、原子工程和生物醫(yī)學(xué)等方面的問(wèn)題。 機(jī)械設(shè)計(jì)中，從齒輪、軸、軸承等通用零部件到機(jī)床、汽車、飛機(jī)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變

16、形分析（包括熱應(yīng)力和熱變形分析）。 有限元法不僅可以解決工程中的線性問(wèn)題、非線性問(wèn)題，而且對(duì)于各種不同性質(zhì)的固體材料，如各向同性和各向異性材料，粘彈性和粘塑性材料以及流體均能求解； 對(duì)于工程中最有普遍意義的非穩(wěn)態(tài)問(wèn)題也能求解。,43,2.1 有限元法基礎(chǔ),基本思想： 將一個(gè)連續(xù)求解域（對(duì)象）離散（剖分）成有限個(gè)形狀簡(jiǎn)單的子域（單元） 利用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)將各子域連接起來(lái) 在給定的初始條件和邊界條件下進(jìn)行綜合計(jì)算求解，從而獲得對(duì)復(fù)雜工程問(wèn)題的近似數(shù)值解,44,為什么要離散？,1.無(wú)法得到復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題的解析解 2.將域劃分成一些微小而形狀規(guī)則的單元后，便于在一個(gè)單元內(nèi)得到近似解 3.域中所有單元的解可視

17、為該復(fù)雜問(wèn)題的近似解,45,有限元分析的過(guò)程,1.連續(xù)體離散化 2.單元分析 3.整體分析 4.確定約束條件 5.方程求解 6.結(jié)果分析與討論,46,1.連續(xù)體離散化,連續(xù)體：是指所求解的對(duì)象（如物體或結(jié)構(gòu)）。 離散化（劃分網(wǎng)格或網(wǎng)絡(luò)化）：是將所求解的對(duì)象劃分為有限 個(gè)具有規(guī)則形狀的微小塊體，把每個(gè)微小塊體稱為單元，相鄰兩個(gè) 單元之間只通過(guò)若干點(diǎn)互相連接，每個(gè)連接點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。 相鄰單元只在節(jié)點(diǎn)處連接，載荷也只通過(guò)節(jié)點(diǎn)在各單元之間傳 遞，這些有限個(gè)單元的集合體，即原來(lái)的連續(xù)體。 *單元?jiǎng)澐趾?，給每個(gè)單元及節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)； *選定坐標(biāo)系，計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)； *確定各個(gè)單元的形態(tài)和性態(tài)參數(shù)以及邊界條件

18、等。,47,單元的劃分基本上是任意的，一個(gè)結(jié)構(gòu)體可以有多種劃分結(jié)果。但應(yīng)遵循以下劃分原則： (1) 分析清楚所討論對(duì)象的性質(zhì)，例如，是桁架結(jié)構(gòu)還是結(jié)構(gòu)物，是平面問(wèn)題還是空間問(wèn)題等等。 (2) 單元的幾何形狀取決于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和受力情況，單元的幾何尺寸(大小)要按照要求確定。一般來(lái)說(shuō)，單元幾何形體各邊的長(zhǎng)度比不能相差太大。 (3) 有限元模型的網(wǎng)格劃分越密，其計(jì)算結(jié)果越精確，但計(jì)算工作量就越大。因此，在保證計(jì)算精度的前提下，單元網(wǎng)格數(shù)量應(yīng)盡量少。 (4) 在進(jìn)行網(wǎng)格疏密布局時(shí)，應(yīng)力集中或變形較大的部位，單元網(wǎng)格應(yīng)取小一些，網(wǎng)格應(yīng)劃分得密一些，而其他部分則可疏一些。,48,(5) 在設(shè)計(jì)對(duì)象的厚度或者

19、彈性系數(shù)有突變的情況下，應(yīng)該取相應(yīng)的突變線作為網(wǎng)格的邊界線； (6) 相鄰單元的邊界必須相容，不能從一單元的邊或者面的內(nèi)部產(chǎn)生另一個(gè)單元的頂點(diǎn)。 (7) 網(wǎng)格劃分后，要將全部單元和節(jié)點(diǎn)按順序編號(hào)，不允許有錯(cuò)漏或者重復(fù)。 (8) 劃分的單元集合成整體后，應(yīng)精確逼近原設(shè)計(jì)對(duì)象。原設(shè)計(jì)對(duì)象的各個(gè)頂點(diǎn)都應(yīng)該取成單元的頂點(diǎn)。 所有網(wǎng)格的表面頂點(diǎn)都應(yīng)該在原設(shè)計(jì)對(duì)象的表面上。所有原設(shè)計(jì)對(duì)象的邊和面都應(yīng)被單元的邊和面所逼近。,49,有限元分析模型圖例,將懸臂梁劃分為許多三角形單元 三角形單元的三個(gè)頂點(diǎn)都是節(jié)點(diǎn) 載荷直接施加在節(jié)點(diǎn)上,懸臂梁及其有限元模型,50,2.單元分析,連續(xù)體離散化后，即可對(duì)單元體進(jìn)行特性

20、分析，簡(jiǎn)稱為單元分析。 單元分析工作主要有兩項(xiàng)： (1)選擇單元位移模式(位移函數(shù)) 用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示單元體內(nèi)任一點(diǎn)的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，就需 搞清各單元中的位移分布。 一般是假定單元位移是坐標(biāo)的某種簡(jiǎn)單函數(shù)，用其模擬內(nèi)位移的分布規(guī)律，這種函數(shù)就稱為位移模式或位移函數(shù)。通常采用的函數(shù)形式多為多項(xiàng)式。 根據(jù)所選定的位移模式，就可以導(dǎo)出用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示單元體內(nèi)任一點(diǎn)位移的關(guān)系式。,51,2.單元分析(2),(2) 分析單元的特性，建立單元?jiǎng)偠染仃?進(jìn)行單元力學(xué)特性分析，將作用在單元上的所有力（表面 力、體積力、集中力）等效地移置為節(jié)點(diǎn)載荷； 采用有關(guān)的力學(xué)原理建立單元的平衡方程，求得單元內(nèi)節(jié) 點(diǎn)位移

21、與節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系矩陣單元?jiǎng)偠染仃嚒?52,3. 整體分析,把各個(gè)單元的剛度矩陣集成為總體剛度矩陣，以及將各單元的節(jié)點(diǎn)力向量集成總的力向量，求得整體平衡方程。 集成過(guò)程所依據(jù)的原理是節(jié)點(diǎn)變形協(xié)調(diào)條件和平衡條件。,53,4. 確定約束條件,由上述所形成的整體平衡方程是一組線性代數(shù)方程，在求解之前，必修根據(jù)具體情況分析，確定求解對(duì)象問(wèn)題的邊界約束條件，并對(duì)這些方程進(jìn)行適當(dāng)修正。,54,5. 有限元方程求解,應(yīng)用有限元法求解機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)力類問(wèn)題時(shí)，根據(jù)未知量和分析 有三種基本解法：,位移法 力法 混合法,55,(1)位移法 以節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)奈灰坪瘮?shù)，進(jìn)行單元的力學(xué)特性分析。在節(jié)

22、點(diǎn)處建立單元?jiǎng)偠确匠蹋俳M合成整體剛度矩陣，求解出節(jié)點(diǎn)位移后，進(jìn)而由節(jié)點(diǎn)位移求解出應(yīng)力。 位移法優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單，規(guī)律性強(qiáng)，易于編寫計(jì)算機(jī)程序。所以得到廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)是精度稍低。 (2)力法 以節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量，在節(jié)點(diǎn)處建立位移連續(xù)方 程，求解出節(jié)點(diǎn)力后，再求解節(jié)點(diǎn)位移和單元應(yīng)力。 力法的特點(diǎn)是計(jì)算精度高。 (3)混合法 取一部分節(jié)點(diǎn)位移和一部分節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量，建立平衡方程進(jìn)行求解。,56,單元特性的推導(dǎo)方法,單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)是有限元分析的基本步驟之一。目前，建立單元?jiǎng)偠染仃嚨姆椒ㄖ饕幸韵滤姆N：, 直接剛度法 虛功原理法 能量變分法 加權(quán)殘數(shù)法,57,1. 直接剛度法 直接剛度法

23、是直接應(yīng)用物理概念來(lái)建立單元的有限元方程和分析單元特性的一種方法。這一方法僅能適用于簡(jiǎn)單形狀的單元，如梁?jiǎn)卧?。但它可以幫助理解有限元法的物理概念?圖1所示是xoy平面中的一簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)圖，現(xiàn)以它為例，來(lái)說(shuō)明用直接剛度法建立單元?jiǎng)偠染仃嚨乃枷牒瓦^(guò)程。,圖1平面簡(jiǎn)支梁元及其計(jì)算模型,58, 梁在橫向外載荷（可以是集中力或分布力或力矩等）作用下產(chǎn)生彎曲變形，在水平載荷作用下產(chǎn)生線位移。 對(duì)于該平面簡(jiǎn)支梁?jiǎn)栴}： 梁上任一點(diǎn)受有三個(gè)力的作用： 水平力Fx， 剪切力Fy ， 彎矩Mz。 相應(yīng)的位移為： 水平線位移u， 撓度v ， 轉(zhuǎn)角 z 。,由上圖可見：,水平線位移和水平力向右為正， 撓度和剪切力向上為正

24、， 轉(zhuǎn)角和彎矩逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎? 通常規(guī)定：,59,為使問(wèn)題簡(jiǎn)化，可把圖示的梁看作是一個(gè)梁?jiǎn)卧?如圖1所示，當(dāng)令左支承點(diǎn)為節(jié)點(diǎn) i ，右支承點(diǎn)為節(jié)點(diǎn) j 時(shí)， 則該單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力可以分別表示為：,稱為單元的節(jié)點(diǎn)位移列陣。,稱為單元的節(jié)點(diǎn)力列陣；若 F 為外載荷，則稱為載荷列陣。,（1-1）,（1-2）,寫成矩陣形式為,q(e)=ui ,vi , zi ,vj ,uj , zjT,ui ,vi , zi ,vj ,uj , zj,F(e)=Fxi ,Fyi ,Mzi ,Fxj ,Fyj ,MzjT,Fxi ,Fyi ,Mzi ,Fxj ,Fyj ,Mzj,60,顯然，梁的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位

25、移是有聯(lián)系的。在彈性小變形范圍 內(nèi)，這種關(guān)系是線性的，可用下式表示,或,（1-3b）,（1-3a）,61,上式(1-3b)稱為單元有限元方程，或稱為單元?jiǎng)偠确匠?，它代表了單元的載荷與位移之間（或力與變形之間）的聯(lián)系； 式中，K(e)稱為單元?jiǎng)偠染仃?，它是單元的特性矩陣?對(duì)于圖1所示的平面梁?jiǎn)卧獑?wèn)題，利用材料力學(xué)中的桿件受力與變形間的關(guān)系及疊加原理，可以直接計(jì)算出單元?jiǎng)偠染仃嘖(e)中的各系數(shù) kst( s, t = i, j ) 的數(shù)值,62,2. 虛功原理法,下面以平面問(wèn)題中的三角形單元為例，說(shuō)明利用虛功原理法來(lái)建立單元?jiǎng)偠染仃嚨牟襟E。 如前所述，將一個(gè)連續(xù)的彈性體分割為一定形狀和數(shù)量的單

26、元，從而使連續(xù)體轉(zhuǎn)換為有限個(gè)單元組成的組合體。單元與單元之間僅通過(guò)節(jié)點(diǎn)連結(jié)，除此之外再無(wú)其他連結(jié)。也就是說(shuō)，一個(gè)單元上的只能通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳遞到相鄰單元。,從分析對(duì)象的組合體中任取一個(gè)三角形單元： 設(shè)其編號(hào)為 e ， 三個(gè)節(jié)點(diǎn)的編號(hào)為i、j、m， 在定義的坐標(biāo)系 xoy 中，節(jié)點(diǎn)坐 標(biāo)分別為(x j , y j)、(xi , y i)、(xm, ym)，如圖2所示。,圖2三節(jié)點(diǎn)三角形單元,63,由彈性力學(xué)平面問(wèn)題的特點(diǎn)可知，單元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)位移分 量，即每個(gè)單元有6個(gè)自由度，相應(yīng)有6個(gè)節(jié)點(diǎn)載荷，寫成矩陣形式， 即,單元節(jié)點(diǎn)載荷矩陣： F(e)=Fxi ,Fyi ,Fxj ,Fyj ,Fxm ,Fy

27、mT,單元節(jié)點(diǎn)位移矩陣： q(e)=ui ,vi ,uj ,vj ,um ,vmT,圖2三節(jié)點(diǎn)三角形單元,64,(1)設(shè)定位移函數(shù),按照有限元法的基本思想：首先需設(shè)定一種函數(shù)來(lái)近似表達(dá)單元內(nèi)部的實(shí)際位移分布，稱為位移函數(shù)，或位移模式。,三節(jié)點(diǎn)三角形單元有6個(gè)自由度，可以確定 6個(gè)待定系數(shù)，故三角形單元的位移函數(shù)為,（1-4）,式(1-4)為線性多項(xiàng)式，稱為線性位移函數(shù)，相應(yīng)的單元稱為線性單元。,u=u(x,y)= 1+ 2x+ 3y v=v(x,y)= 4+ 5x+ 6y,65,上式(5-5)也可用矩陣形式表示，即,式中，d為單元內(nèi)任意點(diǎn)的位移列陣。,（1-5）,66,由于節(jié)點(diǎn) i、j、m 在

28、單元上，它們的位移自然也就滿足位移函數(shù)式(1-4)。 設(shè)三個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移值分別為( ui, vi)、( uj, vj )、( um, vm )，將節(jié) 點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)代入式(1-4)，得,67,（1-6）,式中,（1-7）,由上可知，共有6個(gè)方程，可以求出6個(gè)待定系數(shù)。解方程，求得 各待定系數(shù)和節(jié)點(diǎn)位移之間的表達(dá)式為,為三角形單元的面積。其中：,68,（1-8）,將式(1-7)及式(1-8)、式(1-9)代入式(1-6)中，得到,（1-9）,（1-10）,69,式中，矩陣N 稱為單元的形函數(shù)矩陣； 為單元節(jié)點(diǎn)位移列陣。 其中， 為單元的形函數(shù)，它們反映單元內(nèi)位移的 分布形態(tài)，是x, y 坐標(biāo)的連

29、續(xù)函數(shù)，且有,（1-11）,式(1-10)又可以寫成,（1-12）,上式清楚地表示了單元內(nèi)任意點(diǎn)位移可由節(jié)點(diǎn)位移插值求出。,70,(2) 利用幾何方程由位移函數(shù)求應(yīng)變,根據(jù)彈性力學(xué)的幾何方程 ， 線應(yīng)變 剪切應(yīng)變 則應(yīng)變列陣可以寫成,式中，B稱為單元應(yīng)變矩陣，它是僅與單元幾何尺寸有關(guān)的常量矩陣，即,（1-13）,71,（1-14）,上述方程(1-13)稱為單元應(yīng)變方程，它的意義在于： 單元內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)變分量亦可用基本未知量即節(jié)點(diǎn)位移分量來(lái)表示。,72,(3)利用廣義虎克定律求出單元應(yīng)力方程,根據(jù)廣義虎克定律，對(duì)于平面應(yīng)力問(wèn)題,上式（1-15）也可寫成,（1-15）,（1-16）,式中， 為應(yīng)力

30、列陣； D 稱為彈性力學(xué)平面問(wèn)題的彈性矩陣，并有,73,則有如下單元應(yīng)力方程,由式(1-18)可求單元內(nèi)任意點(diǎn)的應(yīng)力分量，它也可用基本未知量即 節(jié)點(diǎn)位移分量來(lái)表示。,（1-17）,（1-18）,74,(4)由虛功原理求單元?jiǎng)偠染仃?根據(jù)虛功原理，當(dāng)彈性結(jié)構(gòu)受到外載荷作用處于平衡狀態(tài)時(shí)， 在任意給出的微小的虛位移上，外力在虛位移上所做的虛功 AF等 于結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力在虛應(yīng)變上所存儲(chǔ)的虛變形勢(shì)能 A ，即,設(shè)處于平衡狀態(tài)的彈性結(jié)構(gòu)內(nèi)任一單元發(fā)生一個(gè)微小的虛位移， 則單元各節(jié)點(diǎn)的虛位移 為,（1-20）,（1-21）,（1-19）,則單元內(nèi)部必定產(chǎn)生相應(yīng)的虛應(yīng)變，故單元內(nèi)任一點(diǎn)的虛應(yīng)變 為,75,顯然，

31、虛應(yīng)變和虛位移之間關(guān)系為,設(shè)節(jié)點(diǎn)力為,則外力虛功為,（1-24）,（1-22）,（1-23）,單元內(nèi)的虛變形勢(shì)能為,76,根據(jù)虛功原理,因?yàn)?（1-26）,（1-25）,代人式(1-25)，則有,式中， ，均與坐標(biāo) x, y 無(wú)關(guān)，故可以從積分符號(hào)中提出，可得：,77,其中，單元?jiǎng)偠染仃?（1-27）,式(1-27)稱為單元有限元方程，或稱單元?jiǎng)偠确匠蹋渲?是單元?jiǎng)偠染仃嚒?（1-28）,因?yàn)槿切螁卧浅?yīng)變單元，其應(yīng)變矩陣B 、彈性矩陣D 均為常量，而 ，所以式(1-28)可以寫成,（1-29）,78,式中，t 為三角形單元的厚度； 為三角形單元的面積。,對(duì)于圖2所示的三角形單元，將D

32、及B代入式(1-28)，可以得到單元?jiǎng)偠葹?（1-30）,式中: K為66階矩陣，其中每個(gè)子矩陣為22階矩陣，由下式給出,（1-31）,79,按照力學(xué)的一般說(shuō)法，任何一個(gè)實(shí)際狀態(tài)的彈性體的總位能是 這個(gè)系統(tǒng)從實(shí)際狀態(tài)運(yùn)動(dòng)到某一參考狀態(tài)(通常取彈性體外載荷為 零時(shí)狀態(tài)為參考狀態(tài))時(shí)它的所有作用力所做的功。彈性體的總位 能 是一個(gè)函數(shù)的函數(shù)，即泛函，位移是泛函的容許函數(shù)。,從能量原理考慮，變形彈性體受外力作用處于平衡狀態(tài)時(shí)，在 很多可能的變形狀態(tài)中，使總位能最小的就是彈性體的真正變形， 這就是最小位能原理。用變分法求能量泛函的極值方法就是能量變 分原理。能量變分原理除了可解機(jī)械結(jié)構(gòu)位移場(chǎng)問(wèn)題以外，

33、還擴(kuò)展 到求解熱傳導(dǎo)、電磁場(chǎng)、流體力學(xué)等連續(xù)性問(wèn)題。,3. 能量變分原理法,80,該方法是將假設(shè)的場(chǎng)變量的函數(shù)(稱為試函數(shù))引入問(wèn)題的控制方程式及邊界條件，利用最小二乘法等方法使殘差最小，便得到近似的場(chǎng)變量函數(shù)形式。 該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要建立要解決問(wèn)題的泛函式，所以，即使沒有泛函表達(dá)式也能解題。,4. 加權(quán)殘數(shù)法,81,有限元解的收斂性 有限元解是近似解 近似解是否收斂于真實(shí)解、近似解收斂速度、近似解的穩(wěn)定性 近似解的收斂條件: 1.完備性準(zhǔn)則（必要條件） 試探函數(shù)（插值函數(shù)）的次數(shù)（m）不小于場(chǎng)函數(shù)的最高可導(dǎo)階數(shù) 2.協(xié)調(diào)性準(zhǔn)則（充分條件） 試探函數(shù)在m-1次連續(xù)可導(dǎo)。,82,有限元分析的誤

34、差,有限元 分析誤差,建模誤差,計(jì)算誤差,離散誤差,物理離散誤差,幾何離散誤差,邊界條件誤差,單元形狀誤差,舍入誤差,截?cái)嗾`差,插值函數(shù)與真實(shí)函數(shù)之間的差異 1.減小單元特征尺寸，稱為h法 2.提高插值函數(shù)的階次，稱為p法,單元組合體與求解對(duì)象幾何形狀的差異 1.網(wǎng)格局部加密 2.選用邊或面上帶有節(jié)點(diǎn)的單元,邊界條件的復(fù)雜性 1.準(zhǔn)確測(cè)定，完善模型 2.細(xì)分邊界網(wǎng)格,單元嚴(yán)重畸變而退化 細(xì)分局部網(wǎng)格或者控制調(diào)整關(guān)鍵區(qū)域的網(wǎng)格,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,計(jì)算方法、解題性質(zhì)、解題規(guī)模,注意網(wǎng)格的劃分 選擇合適的解算方法 控制解題的規(guī)模,減少運(yùn)算次數(shù)，降低解題規(guī)模,選擇合適的解算方法，控制解題規(guī)模,83,材料成形中

35、的非線性問(wèn)題,1.材料非線性 材料本構(gòu)方程非線性 彈塑性、彈粘性、剛塑性、剛粘塑性、粘彈塑性 2.幾何非線性 3.邊界非線性,84,2.2 有限差分法基礎(chǔ),一種直接將微分問(wèn)題轉(zhuǎn)變成代數(shù)問(wèn)題的近似數(shù)值解法。 基本思想 數(shù)值微分法 是把連續(xù)的定解區(qū)域劃分成差分網(wǎng)格，用有限個(gè)節(jié)點(diǎn)代替原連續(xù)求解域。 把原方程和定解條件中的微商用差商來(lái)近似 把原微分方程和定解條件近似地用代數(shù)方程組代替，即有限差分方程,85,差分網(wǎng)格通常為矩形在邊界不規(guī)則或者形狀復(fù)雜時(shí)精度降低,有限元網(wǎng)格,有限差分網(wǎng)格,86,差分概念,自變量x的解析函數(shù) y =f (x)，則有： dx,dy自變量和函數(shù)的微分 函數(shù)對(duì)自變量的一階導(dǎo)數(shù) 函

36、數(shù)對(duì)自變量的一階差商,差商,87,差分方向,向前差分 向后差分 中心差分,88,差商的截?cái)嗾`差,將函數(shù)f (x+x)按Taylor級(jí)數(shù)展開 向前 向后 中心,89,二階中心差商 通常采用向前差商的向后差商 截?cái)嗾`差與(x)2 同一數(shù)量級(jí) 一階向前差商 一階向后差商 一階計(jì)算精度 一階中心差商 二階中心差商 二階計(jì)算精度,90,我們?cè)趶椥泽w上，用相隔等間距h而平行于坐標(biāo)軸的兩組平行線織成正方形網(wǎng)格，x=y=h，如圖。,設(shè)f=f(x,y)為彈性體內(nèi)的某一個(gè)連續(xù)函數(shù)。該函數(shù)在平行于x軸的一根網(wǎng)線上，如在-上,它只隨x坐標(biāo)的改變而變化。在鄰近結(jié)點(diǎn)處，函數(shù)f可展為泰勒級(jí)數(shù)如下：,91,我們將只考慮離開結(jié)

37、點(diǎn)充分近的那些結(jié)點(diǎn)，即（x-x0）充分小。于是可不計(jì)（x-x0）的三次及更高次冪的各項(xiàng)，則上式簡(jiǎn)寫為：,在結(jié)點(diǎn)，x=x0-h, 在結(jié)點(diǎn)1, x=x0+h，代入(b) 得：,92,聯(lián)立(c),(d),解得差分公式：,同理，在網(wǎng)線-上可得到差分公式,93,從而可導(dǎo)出其它的差分公式如下：,94,相隔2h的兩結(jié)點(diǎn)處的函數(shù)值來(lái)表示中間結(jié)點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)值，可稱為中點(diǎn)導(dǎo)數(shù)公式。,以相鄰三結(jié)點(diǎn)處的函數(shù)值來(lái)表示一個(gè)端點(diǎn)處的一階導(dǎo)數(shù)值，可稱為端點(diǎn)導(dǎo)數(shù)公式。,中點(diǎn)導(dǎo)數(shù)公式與端點(diǎn)導(dǎo)數(shù)公式相比，精度較高。因?yàn)榍罢叻从沉私Y(jié)點(diǎn)兩邊的函數(shù)變化，而后者卻只反映了結(jié)點(diǎn)一邊的函數(shù)變化。,95,有限體積法,基本思想 將計(jì)算區(qū)域劃分為

38、一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積。將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。 有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足 屬于加權(quán)余量法中的子域法,96,有限體積法特點(diǎn),即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒 就離散方法而言，有限體積法可視作有限元法和有限差分法的中間物 有限體積法在尋求控制體積的積分時(shí)，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的分布；有限元法必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律（既插值函數(shù)），并將其作為近似解。 有限體積法只尋求結(jié)點(diǎn)值；有限差分法只考慮網(wǎng)

39、格點(diǎn)上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化。,97,2.4 應(yīng)用數(shù)值方法模擬的若干注意事項(xiàng),1 簡(jiǎn)化模型 簡(jiǎn)化細(xì)節(jié)（如倒角等等）；利用對(duì)稱結(jié)構(gòu) 2 選擇單元 節(jié)點(diǎn)盡量少；曲（線）面邊界用帶（邊）面節(jié)點(diǎn)的單元；軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)采用軸對(duì)稱單元 3 劃分網(wǎng)格 細(xì)分網(wǎng)格；網(wǎng)格自適應(yīng)（remeshing） 4 建立初始條件和邊界條件 5定義材料參數(shù),98,有限元常用軟件,從20世紀(jì)70年代開始，基于有限元法在結(jié)構(gòu)線性分析方面已經(jīng)成熟，并被工程界廣泛采用，一批由專業(yè)軟件公司研制的大型通用商業(yè)軟件（如NASTRAN，ASKA，SAP，ANSYS，MARC，ABAQUS，JIFEX等）公開發(fā)行和被應(yīng)用。它包含眾多的

40、單元型式、材料模型及分析功能，并具有網(wǎng)格自動(dòng)劃分、結(jié)果分析和顯示等先后處理功能。,99,100,幾種有限元程序及其應(yīng)用范圍,101,幾種有限元程序及其應(yīng)用范圍（續(xù)）,體積成形仿真：DEFORM-3D 基本操作,DEFORM系列軟件是由美國(guó)的科學(xué)成形技術(shù)公司（Science Forming Technology Corporation）開發(fā)的。該系列軟件主要應(yīng)用于金屬塑性加工、熱處理等工藝數(shù)值模擬。目前，DEFORM軟件己經(jīng)成為國(guó)際上流行的金屬加工數(shù)值模擬的軟件之一。主要軟件產(chǎn)品有： DEFORM-2D（二維） DEFORM-3D（二維） DEFORM-HT（熱處理） DEFORM-PC（微機(jī)版

41、） DEFORM-F2 （2D簡(jiǎn)化版本） DEFORM-F3 （3D簡(jiǎn)化版本）,DEFORM系列軟件簡(jiǎn)介,DEFORM通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過(guò)程，可以幫助工程師和設(shè)計(jì)人員： 1、設(shè)計(jì)工具并模擬工藝流程，減少昂貴的現(xiàn) 場(chǎng)試驗(yàn)成本； 2、提高模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成 本； 3、縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。,DEFORM-3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)（FEM），專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過(guò)程中的三維（3D）流動(dòng)，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，及有關(guān)成形過(guò)程中的材料和溫度的流動(dòng)。DEFORM-3D可以應(yīng)用于金屬成形的冷加工、熱加工等工 藝。 DEFORM-3D的典型應(yīng)用：拉深、鍛造、

42、擠壓、壓塑、冷 鐓、機(jī)加工、軋制、開坯、鐓鍛等。 （更多相關(guān)應(yīng)用請(qǐng)見）,DEFORM-3D簡(jiǎn)介,說(shuō)明： 1、 DEFORM-3D軟件不支持中文，因此文件夾及其模型文件中不能出現(xiàn)中文，否則無(wú)法讀取。 2、 DEFORM-3D不具備三維造型功能，所以該軟件所用模型均在其它三維軟件中建立。 3、 DEFORM-3D軟件操作環(huán)境的坐標(biāo)與Pore、UG軟件中默認(rèn)的坐標(biāo)系相同。所以在創(chuàng)建模型的時(shí)候最好把位置關(guān)系安排好，這樣調(diào)進(jìn)來(lái)的模型比較容易調(diào)整。 4、使用有限元軟件時(shí)，要養(yǎng)成分析每個(gè)問(wèn)題創(chuàng)建新的文件夾的習(xí)慣。因?yàn)榇蜷_DEFORM-3D軟件，其默認(rèn)安裝目錄下會(huì)自動(dòng)生成一文件夾，所作模擬都會(huì)放置在該文件夾下

43、，不便于管理。,金屬塑性成形的前處理,DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)是由前處理器、模擬處理器、后處理器三大模塊組成。 前處理是有限元分析的主要步驟，它所占用的操作時(shí)間占到用戶操作時(shí)間的80%，有很多定義都是在前處理階段進(jìn)行的。前處理主要包括(步驟)： 1、幾何模型建立或?qū)?2、網(wǎng)格劃分 3、材料定義 4、物體的接觸和摩擦定義 5、模擬參數(shù)的設(shè)定 6、數(shù)據(jù)庫(kù)文件的生成,一、幾何模型建立或?qū)?在DEFORM-3D軟件中，不能直接建立三維的幾何 模型，必須通過(guò)其他CAD/CAE軟件建模后導(dǎo)入到系統(tǒng)中。目前，DEFORM-3D的幾何模型接口格式有： 1.STL:幾乎所有CAD軟件都有這個(gè)接口，它

44、是通過(guò)一 系列的三角形擬合曲面而成。 2.UNV:SDRC公司（現(xiàn)合并到EDS公司）軟件IDEAS的三維 實(shí)體造型及有限元網(wǎng)格文件格式，DEFORM接受其 劃分的網(wǎng)格。 3.PDA:MSC公司的軟件Patran的三維實(shí)體造型及有限 元網(wǎng)格文件格式。 4.AMG：這種格式DEFORM存儲(chǔ)已經(jīng)導(dǎo)入的幾何實(shí)體。,.stl格式文件的生成,Pore軟件建模完成后以.stl格式保存副本，然后 將“偏差控制”中的“弦高”和“角度控制”兩個(gè)參數(shù)設(shè)為“0”后便可生成。 UG軟件建模完成后可以直接以.stl格式形式文件導(dǎo)出。,二、網(wǎng)格劃分,DEFORM軟件是有限元系統(tǒng)（FEM），所 以必須對(duì)所分析的工件進(jìn)行網(wǎng)格劃

45、分。 在DEFORM-3D中，如果用其自身帶的網(wǎng)格 剖分程序，只能劃分四面體單元，這主要是為了 考慮網(wǎng)格重劃分時(shí)的方便和快捷。但是它也接收 外部程序所生成的六面體（磚塊）網(wǎng)格。網(wǎng)格劃 分可以控制網(wǎng)格的密度，使網(wǎng)格的數(shù)量進(jìn)一步減 少，但不至于在變形劇烈的部位產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)格 畸變。,三、材料定義,DEFORM自帶材料模型包含有彈性、彈塑性、剛塑 性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料及自定 義材料等類型，并提供了豐富的開方式材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包括 美國(guó)、日本、德國(guó)的各種鋼、鋁合金、鈦合金、高溫合金 等250種材料的相關(guān)數(shù)據(jù)。在使用時(shí)，我們可以直接從材 料庫(kù)提取所需要的材料。 用戶也可根據(jù)自己的需要

46、定制材料庫(kù)。在DEFORM- 3D軟件中，用戶可以根據(jù)分析的需要，輸入材料的彈性、 塑性、熱物理性能數(shù)據(jù)。如果需要分析熱處理工藝，還可 以輸入材料的每一種相的相關(guān)數(shù)據(jù)以及硬化、擴(kuò)散等數(shù)據(jù)。,四、物體的空間位置調(diào)整,這里有兩層含義，一是可以移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)物 體，改變他們的最初位置，因?yàn)樵贒EFORM-3D 的前處理中不能造型，所以這一項(xiàng)功能特別重 要，可以將輸入到DEFORM中的毛坯、模具幾何 模型進(jìn)行調(diào)整。二是為了更快地將模具和坯料接 觸，將他們干涉，有一個(gè)初步的接觸量，這樣計(jì) 算上可以節(jié)省時(shí)間。另外，還可以定義摩擦接觸 的關(guān)系、摩擦系數(shù)、摩擦方式等。,五、模擬參數(shù)的定義,這里定義的參數(shù)，主要是為

47、了進(jìn)行有效的數(shù)值 模擬。因?yàn)槌尚畏治鍪且粋€(gè)連續(xù)的過(guò)程，分許多時(shí) 間步來(lái)計(jì)算，所以需要用戶定義一些基本的參數(shù)： 1、總步數(shù)：決定了模擬的總時(shí)間和行程。 2、步長(zhǎng)：有兩種選擇，可以用時(shí)間或每步的行程。 3、主模具：選擇主運(yùn)動(dòng)模具。 4、存儲(chǔ)步長(zhǎng)：決定每多少步存一次，不要太小， 否則文件太大。,實(shí)例操作一鍛壓模擬,1.雙擊桌面DEFORM-3D圖標(biāo)，進(jìn)入DEFORM-3D的主窗口。 2.File New Problem或在主窗口點(diǎn)擊如圖所示按鈕 。 3.在接著彈出的窗口中默認(rèn)進(jìn)入普通前處理（Deform 3D-preprocessor）。 4.接下來(lái)在彈出的窗口中用第四個(gè)選 項(xiàng)“Other Plac

48、e”，選擇工作目錄 然后點(diǎn)擊“Next”。 5.在下一個(gè)窗口中輸入題目的名稱 (Problem name)BLOCK點(diǎn)擊Finish。,前處理操作窗口由圖形顯示窗口、物體參數(shù)輸入窗口、物體顯示及選擇窗口以及各種快捷按鈕組成。,圖形顯示窗口,物體參數(shù)輸入窗口,物體顯示窗口,物體選擇窗口,一、設(shè)置模擬控制方式及模擬名稱,1.點(diǎn)擊按鈕 進(jìn)入模擬控制參數(shù)設(shè)置窗口。 2.在Simulation Title一欄中把標(biāo)題改為BLOCK。 3.設(shè)置Units為English，勾選Deformation選項(xiàng)。 4.點(diǎn)擊OK按鈕，返回到前處理操作窗口。,在模擬控制窗口中的main選項(xiàng)下可以設(shè)置： 1、單位制 1）

49、、SI：國(guó)際單位制 2）、English：英制 注：deform軟件允許用戶調(diào)入模型后再設(shè)置單位。,2、設(shè)置模擬方式 主要有1）、拉格朗日增量模擬方式； 2）、穩(wěn)態(tài)機(jī)加工模擬方式； 3）、穩(wěn)態(tài)擠壓加工模擬方式； 注：一般模擬問(wèn)題應(yīng)該選擇增量模擬方式，如果用戶模擬的是車削或拉伸過(guò)程，并且使用歐拉求解方法，則選用穩(wěn)態(tài)模擬方式。 注：求解方式的設(shè)定在 菜單下設(shè)置。典型的模擬一般在默認(rèn)的情況下便可計(jì)算的很好。,3、設(shè)置模擬類型 1）、deformation：變形模擬 2）、heat transfer：傳熱模擬 3）、transfmation：相變模擬 4）、diffusion：擴(kuò)散模擬 5）、grai

50、n：晶粒度模擬 6）、heating：熱處理模擬,二、導(dǎo)入毛坯幾何文件,1.在前處理的物體操作窗口中點(diǎn)擊按鈕 (Geometry) ，然后再選擇 (Import Geometry)，選擇在CAD中或其他CAE軟件中的造型文件。（本例中選擇安裝目錄下DEFORM3DV6.1Labs的Block_Billet.STL。） 2.在DEFORM3D v6.1的版 本中，默認(rèn)第一個(gè)物體是 工件（毛坯），所以物體 屬性默認(rèn)為Rigid-plastic。,注意：在輸入幾何體后，必須檢查輸入的對(duì)象是否出現(xiàn)問(wèn)題，檢查方法如下： 1）、點(diǎn)擊按鈕 ，查看彈出的對(duì)話框。對(duì)于一個(gè)封閉的幾何體，必有1個(gè)面， 0個(gè)自由邊，

51、0個(gè)無(wú)效的 實(shí)體。 2）、外法線方向的檢查。 點(diǎn)擊按鈕 查看對(duì)象的外法線是否 指向?qū)ο笸?。如果?向反了，點(diǎn)擊按鈕 。,三、劃分網(wǎng)格,對(duì)于那些非剛性材料和考慮傳熱影響的剛體(Rigid)材料，需要?jiǎng)澐钟?限元網(wǎng)格： 1.點(diǎn)擊按鈕進(jìn)入網(wǎng)格劃分窗口； 2.可以在網(wǎng)格數(shù)量輸入框中輸入單元數(shù)或用滑動(dòng)條來(lái)設(shè)定。在本例 中，默認(rèn)為8000(在DEFORM3D中只能劃分四面體網(wǎng)格，如果你想用六 面體網(wǎng)格可以點(diǎn)擊按鈕Import，輸入IDEAS或PATRAN的網(wǎng)格） 3.點(diǎn)擊下面的按鈕Preview可 以預(yù)覽，如果滿意，可以點(diǎn)擊按 鈕Generate Mesh來(lái)生成網(wǎng)格。 注：1）preview只劃分元件表面

52、; 2）generate mesh即劃分表 面單元又劃分體單元。 （具體網(wǎng)格劃分總類見后面）,四、導(dǎo)入模具文件,1. 導(dǎo)入上下模具的幾何文件。在前處理控制窗口中點(diǎn)擊增加物體按鈕 Inter Objects進(jìn)入物體窗口?？梢钥吹皆贠bjects列表中增加了 一個(gè)名為Top Die的物體。 2.在當(dāng)前選擇默認(rèn)Top Die 物體的情況下，直接 選擇 然后選 3.本例中選擇安裝目錄下 DEFORM3DV6.1 Labs的 Block_Top Die .STL,4.重復(fù)步驟1-3，導(dǎo)入下模的幾何文件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)命名該物體為Bottom Die，相應(yīng)的STL文件 DEFORM3D/v6.1/LabS/B

53、lock_BottomDie.STL。 最后我們可以在顯示窗口中看到上下模以及上面導(dǎo)入的金屬體。,五、設(shè)置上模的運(yùn)動(dòng)參數(shù),1.首先在物體列表中選中Top Die在前處理的控制窗口中點(diǎn)擊按 鈕Movement ，進(jìn)入物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置窗口。 2.在運(yùn)動(dòng)控制窗口中，設(shè)置參數(shù)Direction 為-Z，Speed為1。,六、設(shè)置物體溫度,由于某些材料屬性與溫度相關(guān)，所以即使在整個(gè)模擬過(guò)程中溫度并 不變化，仍需要給物體設(shè)置一適當(dāng)?shù)臏囟戎?，否則可能得不到正確的模 擬結(jié)果。在DEFORM3D v6.1的版本中，默認(rèn)工件溫度為68F。(修改 溫度的方式為在物體窗口中選中物體Workpiece，點(diǎn)擊Genera

54、l按鈕，然 后點(diǎn)擊按鈕 在彈出的輸入物體溫度窗口中，輸入所需 溫度。),七、設(shè)置材料,對(duì)于那些非剛性材料和考慮 傳熱影響的剛體(Rigid)材料， 必須按需要設(shè)置材料的屬性。 1.在物體列表窗口中選擇Workpiec 2.在前處理控制窗口中，點(diǎn)擊 中的 按鈕導(dǎo)出材料 庫(kù)。 3.在材料選擇窗口中，選擇Steel 選項(xiàng)中的AISI 1045 Cold 4.點(diǎn)擊按鈕 便可將 材料導(dǎo)入。,八、改變物體的空間位置,在DEFORM中，雖然不可以直接進(jìn)行幾何造型，但是可以通過(guò)旋 轉(zhuǎn)(Rotation)平移(Offset)等方法來(lái)改變物體的空間位置。點(diǎn)擊按鈕 , 便可以進(jìn)入到Object Positionin

55、g窗口中， 進(jìn)行操作。,定位方式：,1、offset：平移。 2、interference：接觸。 3、rotational：旋轉(zhuǎn)。 4、drop：下落。 5、drag：拖拉。 在定位過(guò)程中，主要用 到的是以接觸方式進(jìn)行定 位，其主要的步驟為：選擇 定位物體選擇參考物體選擇前進(jìn)方向定義接 觸值applyok。 （“前進(jìn)方向”指的是參考對(duì)象在需要移動(dòng)的物體的那個(gè)方向，即移動(dòng)物體趨近參考對(duì)象的方向）,九、定義物間關(guān)系,1.在前處理控制窗口的右上角點(diǎn)擊 按鈕，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)提示，選擇Yes彈出Inter Object窗口。 2.定義物間從屬關(guān)系：在v6.1中，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將物體1和后面的物體定 為從屬關(guān)系

56、（Slave-Master），即軟的物體為Slave，硬的物體設(shè)為 Master。,1.點(diǎn)擊按鈕 ，進(jìn)入新的窗口 2.選擇剪切摩擦方式Shear，輸入常摩擦系數(shù)constant，如果你對(duì)具體的摩擦系數(shù)沒有概念，可以選擇工藝種類，例如，本例中的冷Cold Forming用的是Steel Die，摩擦系數(shù)系統(tǒng)會(huì)設(shè)為0.12，點(diǎn)擊Close按鈕，關(guān)閉窗口。 3.回到Inter Object 窗口后選擇第二 組。 4.重復(fù)1-2的操作， 將Bottom Die 和Workpiece的 摩擦系數(shù)也設(shè) 為0.12（也可以 在第2步后，點(diǎn) 擊按鈕 ）,切記在上述操作后，被定義的物體組之間并沒有接 觸關(guān)系，只

57、是定義了它們之間一旦接觸后的摩擦系數(shù)， 真正定義接觸必須點(diǎn)擊按鈕 ，在這個(gè)操作后， 互相接觸的物體，Mater會(huì)自動(dòng)與Slave發(fā)生干涉，互相 嵌入。 這是為了更快地進(jìn)入接觸狀態(tài)，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，互 相嵌入的深度，是由窗口中的Tolerace（接觸容差）來(lái) 定義的.在本例中，不必改動(dòng)接觸容差值，直接點(diǎn)擊按鈕 Generate All生成接觸關(guān)系。,視圖觀察操作,利用工具欄窗口中的快捷按鈕可以方便地進(jìn)行各種視圖觀 察操作，下面僅舉幾個(gè)例子，用戶可以將鼠標(biāo)放置在每個(gè)按鈕、 上，自動(dòng)會(huì)出現(xiàn)提示。 1.動(dòng)態(tài)縮放 2.窗口縮放 3.移動(dòng) 4.自由旋轉(zhuǎn) 沿X軸旋轉(zhuǎn) 沿Y軸旋轉(zhuǎn) 沿Z軸旋轉(zhuǎn) 5.視角選擇 等軸

58、視圖 XY平面視圖 XZ平面視圖 YZ平面視圖,點(diǎn)和面的選取,1.點(diǎn)或面的選取工具 點(diǎn)擊工具欄上的按鈕 ，在顯示窗口可以選擇物體的任意一節(jié)點(diǎn)或面 2.標(biāo)尺工具 點(diǎn)擊工具欄上的按鈕 ，點(diǎn)擊物體上的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，再選擇另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。連接這兩點(diǎn)的一條線段和該線段的長(zhǎng)度值就會(huì)顯示在在顯示窗口中，直到用戶點(diǎn)擊Refresh 按鈕刷新。,十、設(shè)置模擬參數(shù),1.在前處理控制窗口的右上角選擇按鈕 進(jìn)入Simulation Control窗口。 2.選擇左側(cè)第二個(gè)選項(xiàng)Step進(jìn)行模擬步數(shù)和步長(zhǎng)的設(shè)定。 3.設(shè)置Number of Simulation Steps：20。這個(gè)參數(shù)的意思是除非模擬意外終止，否則程序?qū)⑦\(yùn)行至20步即若模擬未被終止，整個(gè)過(guò)程將分成20步完成。 設(shè)置Step Increment to Save：2。這里的意思是每模擬2步，會(huì)將中間階段結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，這是避免每步都保存，造成數(shù)據(jù)文件過(guò)大。 4.設(shè)置primary die。 設(shè)置主模具。,5.前面設(shè)置了20步，但每一步的含義還沒有明確，在下面設(shè)置With Constant DieDisplacement為0.13。這個(gè)數(shù)值是根據(jù)變形體最小單元長(zhǎng)度的1/3來(lái)估算的。一般模擬都用這個(gè)比例，比較容易收斂而且又不會(huì)浪費(fèi)時(shí)間。這樣上模將向下(-Z)運(yùn)動(dòng)2.6in（步長(zhǎng)乘以總步數(shù)）。 6.OK關(guān)閉該窗口 注： 1、計(jì)