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有限元分析课件

时间:2018-02-13


模具CAE

本章 学习目标
? 了解工程分析在CAD/CAM中的重要性 ? 掌握有限元法的基本概念和步骤 ? 了解有限元技术在金属塑性成形和塑料成 型模拟中的应用。

重点:有限元法

学习内容
一、有限元分析 二、金属塑性成形模拟 三、塑料成型模拟

材料成形
1、材料成形概念 狭义地说材料成形,主要是指现代金属材料 的加工,即采用铸造、锻压、焊接、机加等方法将 金属原材料加工成所需的形状、尺寸,并达到一定 的组织性能要求,这一过程又称为材料加工。 在制造业中,材料成形是生产各种零件或零件毛 坯的主要方法。 2、材料成形方法 对于金属材料而言,按原料的形态其成形过 程可分为:液态成形、固态成形和半固态成形。

材料成形
1、液态成形:

材料成形
2、固态成形

材料成形
3、半固态成形

塑性与塑性成形
1、弹性变形 金属材料在外力作用下会产生形状的改变,即变形。当外力去除后,如 果金属材料形状的改变能完全恢复至初始状态,则此种变形称之为弹性变形。 2、塑性变形: 当外力去除后,如果金属材料的形状改变不能完全恢复至初始状态而产 生永久的残余变形,则此种变形称为塑性变形。 3、塑性 金属材料所具有的这种塑性变形能力被称为金属的塑性。 4、塑性变形 利用金属的塑性,使之在一定外力作用下产生塑性变形,从而得到所需 形状、尺寸精度和组织性能的产品的加工方法,称为金属塑性成形,也称为金 属塑性加工或金属压力加工。 如果不考虑切头、去尾、火耗等损失,那么金属材料的体积、质量在塑 性成形前后可看做没有发生变化,因此塑性成形是无屑或少屑的金属加工方法。

塑性成形方法与分类
1、根据加工时工件受力和变形方式的不同,金属塑 性成形方法可分为锻造、挤压、轧制、拉拔、冲压 等。 2、根据金属变形特征的不同,又可将金属塑性成形 分为:体积成形(或称块料成形)和板料成形(冲 压)两大类。 3、金属塑性成形按照加工时工件的温度又可分为热 塑性成形、冷塑性成形和温塑性成形。

一、有限元分析
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对于一般的工程受力问题,希望通过平衡微分 方程、变形协调方程、几何方程和本构方程联 立求解而获得整个问题的精确解是十分困难的, 一般几乎是不可能的。随着20世纪五六十年代 计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对 数值分析要求的日益增长,并发展起来了有限 元的分析方法。有限元法自1960年由Clough 首次提出后,获得了迅速的发展;虽然首先只 是应用于结构的应力分析,但很快就广泛应用 于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺 等连续问题。

有限元分析

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更大规模的建筑、更快速的交通工具、更精密的大功率设 备,…,要求工程师在设计阶段就能精确地预测产品和工程 的技术性能 在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元法 为解决复杂的工程分析计算问题提供了有效途径

? 有限元法 ? 有限元法解题思路与步骤

? 有限元法的前置处理
? 有限元法的后置处理 ? 通用有限元分析软件

? 有限元法工程应用

有限元法
工程分析的方法一般有:解析法和数值法
解析法只能用于求解简单问题(几何边界规则) 复杂的工程问题多应用数值法求近似解

目前工程领域内常用数值模拟方法:

有限元法 边界元法 离散单元法 有限差分法 …
? 结构分析的有限元方法由一批学术界和工业界的研究者在二十世 纪五十年代到二十世纪六十年代创立 ? 有限元分析理论已有100多年的历史,是悬索桥和蒸汽锅炉进行 手算评核的基础

有限元法的功用
研究领域
结构工程学 结构力学 宇航工程学 土力学 基础工程学 岩石力学 热传导 流体动力学 水利工程学 水源学 电磁学

平衡问题
梁、板壳结构分析 复杂或混杂结构分 析 填筑和开挖问题 边坡稳定性问题 隧洞、船闸等分析 流体在土壤和岩石 的稳态渗流 固、流体稳态温度 分布 流体的势流 流体的粘性流动 定常渗流水工结构 静态电磁场分析

特征值问题
结构的稳定性 结构固有频率和振型 线性粘弹性阻尼

动态问题
应力波的传播 结构非周期载荷动态响应 耦合热弹性力学与热粘弹 性力学 土壤与岩石中非定常渗流 流动-固结应力波在土壤 和岩石中的传播 土壤与结构动态相互作用 固体和流体中的瞬态热流

土壤-结构组合物 的固有频率和振型

湖泊和港湾的波动 刚性或柔性容器中流 体的晃动

河口的盐度和污染研究 沉积物推移 流体非定常流动 时变、高频电磁场分析

……

物理模拟方法简介

物理模拟是采用试验的方法——通过建立物理模型 来模拟塑性成形过程。 要使通过物理模型所得到的模拟结果能正确地推广 到原型,就应该在模拟中使模型与原型之间满足相似 条件。物理模拟方法有多种,如网格法、云纹法、偏 振光法、点式传感器法等。其中,网格法和云纹法最 为常用。物理模拟能够定量分析塑性成形过程,但物 理模型的建立则较为困难,物理模拟的过程对经验的 依赖也较大。

物理模拟方法简介
(1)缝隙法 为了定性地了解接触面压力分布,可在模具的相应部分留有垂直于模 面的窄缝或小孔,根据流入窄缝或小孔的模拟材料外形或高度,定性地判定 接触面正压力分布。

物理模拟方法简介
(2)硬度法 冷变形时,变形程度越大硬化越强,硬度越高,因此可根据硬度 的分布,判别变形不均匀的程度。根据下图能判断出,圆柱体镦粗时变 形可分为三个区,中心区是大变形区,侧面鼓形是中等变形区,上下接 触面是小变形区。

物理模拟方法简介
(3)压痕法 压痕法中的金属箔压痕法的原理与缝隙法相似, 就是用金属箔覆盖在模拟实验用模具上,模壁上开有 的小孔,变形时模型材料(如铅等)作用在模壁上的压 力有多大,金属箔上留下的刻痕尺寸就有多大。根据 刻痕大小的分布,判断压力的分布。如果金属箔经过 预先校准,还可以按刻痕尺寸大致地绘制出塑性变形 时作用于模壁上的压力分布。

物理模拟方法简介
(4)叠层法 叠层法是利用易变形材料(铅和塑性泥等)制成薄 片,然后叠成试样进行模拟实验的方法。 为了研究挤压时的变形流动情况,可以用颜色 不同的塑性泥层制成试样进行挤压,然后沿子午面切 开,由不同颜色的各层位置变化来观察变形区的情况, 此外,用铅制成薄片重叠成圆柱体进行镦粗,不仅可 观察变形流动,还可以把变形后的铅层分开,通过测 量各层不同部位的尺寸变化,计算出变形体内的应变 分布。

物理模拟方法简介
(5)坐标网格法(Coordinate Grid Method) 是研究金属塑性变形分布应用最广泛的一种方法, 其实质是,把模型毛坯制成对分试样,变形前在试样的 一个剖分面上刻上坐标网。变形后根据网格变化计算相 应的应变,也可由此推算出应力分布。坐标网可划成正 方形或圆形,其尺寸根据坯料尺寸及变形程度确定,一 般在2-l0mm之间。当网格很小时,可认为网格就代表某 质点的周边。

物理模拟方法简介
坐标网格的常用制备方法 在试样剖面或表面制备坐标网格,可采用直接刻 划法、感光印刷法和贴片法等。感光印刷法中最简单的 是将试样表面抛光、洗净,涂上感光胶,然后覆上正确 的坐标网底片(母版),经过感光冲洗后,即可得到精细 的坐标网。贴片法是先用母版把网格复制到一种涂有可 剥离感光乳剂薄膜的塑料片基上,然后将感光好的剂层 粘贴到试样表面,待贴牢后剥去塑料片基,使带有网格 的乳剂薄膜留在试样上。

物理模拟方法简介
由正方形坐标网格内切圆变形后的尺寸计算应变在正 方形坐标网格内刻有内切圆。若变形时坐标面上无剪应 力,则正方形变成了矩形,内切圆变成内切椭圆,椭圆轴 的尺寸和方向反映了主变形的大小和方向(即主轴的方 向),若坐标面上作用有剪应力,则正方形变成了平行四 边形,内切圆变成了内切椭圆,切点不在椭圆的顶点,椭 圆的轴与新的主应力方向重合,只要测出变形后椭圆的 长、短轴尺寸即可计算出主应变。

物理模拟方法简介

(6)视塑性法(Visioplasticity Method) 是坐标网格法的发展,该法的实质是,将变形过 程划分为若干增量变形,首先通过实验建立变形体内 质点的位移场和速度场,然后借助塑性理论的基本方 程,算出各点的应力、应变和应变速率等。该法特别 适用于分析稳定流动过程,如挤压、拉拔等工艺。

有限元法的解题思路与步骤
有限元法(FEA,Finite Element Analysis)基于固体流动变分 原理:对于连续体的受力问题,既然作为一个整体获得精确求解十 分困难;于是,作为近似求解,可以假想地将整个求解区域离散 化,分解成为一定形状有限数量的小区域(即单元),彼此之间 只在一定数量的指定点(即节点)处相互连接,组成一个单元的 集合体以替代原来的连续体,再综合求解。 由于剖分单元的个数有限,节点的数目也有限,所以这种方法 称为有限元法
从有限元法的解释可得,有 限元法的实质就是将一个无 限的连续体,理想化为有限 个单元的组合体,使复杂问 题简化为适合于数值解法的 结构型问题;且在一定的条 件下,问题简化后求得的近 似解能够趋近于真实解。

有限元模型
有限元模型是真实系统理想化的数学抽象

真实系统

有限元模型

节点和单元
载荷 节点: 空间中的坐标位置,具有一定 自由度和存在相互物理作用 单元: 一组节点自由度间相互作用的数值 矩阵描述(称刚度或系数矩阵) 单元有线、面或实体以及二维或三 维的单元等种类 约束:就是消灭自由度!?

有限元模型由一些简单形状的单元组成, 单元间通过节点连接,并承受一定载荷

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

信息是通过单元之间的公共节点传递的。
2 nodes

.
.
A

.

..
B

1 node

. .

.
.
A

.

.
B

.

.

.

分离但节点重叠的单元 A和B之间没有信息传递 (需进行节点合并处理)

具有公共节点的单元 之间存在信息传递

有限元求解问题的基本步骤:
? 定义求解域
? 求解域离散化 ? 单元推导
根据实际问题近似确定求解 域的物理性质和几何区域 将分析对象按一定的规则 划分成有限个具有不同大 小和形状单元体的集合, 相邻单元在节点处连接, 单元之间的载荷也仅由节 点来传递,习惯称有限元 网格划分

? 等效节点载荷计算
? 总装求解 ? 联立方程组求解和结果解释

有限元求解问题的基本步骤:
? 定义求解域
? 求解域离散化 ? 单元推导
结构离散完成后,对单元 进行特性分析,建立各单元 节点位移与节点力之间的关 系,求出单元的刚度矩阵
杆系结构,其单元为杆或梁,这些 单元的刚度矩阵可以用结构力学或 材料力学的方法求得。连续体求单 元的刚度矩阵,必须先假定单元内 的位移分布,再用弹性力学中的几 何方程来建立应变与单元上节点位 移的关系 最后用物理方程和

? 等效节点载荷计算
? 总装求解 ? 联立方程组求解和结果解释

虚功原理建立节点力与节点 位移的关系,即刚度方程

有限元求解问题的基本步骤:
? 定义求解域
? 求解域离散化 ? 单元推导
结构被离散化后,单元与 单元之间仅通过节点发生内 力的传递,结构与外界也是 通过节点发生联系 作用在 单元边界上的表面力、作用 在单元内的体积力和集中力 等,都必须等效移置到单元 节点上去,化为相应的单元 等效节点载荷

? 等效节点载荷计算
? 总装求解 ? 联立方程组求解和结果解释

有限元求解问题的基本步骤:
? 定义求解域
? 求解域离散化 ? 单元推导
将单元总装形成离散域的 总矩阵方程(联合方程组) (1)由各单元刚度矩阵组集 成整体结构的总刚度矩阵 (2)将作用于各单元的节点 载荷矩阵组集成总的载荷列 阵 求得整体坐标系下各单元 刚度矩阵后,可根据结构上 各节点的力平衡条件组集求 得结构的整体刚度方程

? 等效节点载荷计算
? 总装求解 ? 联立方程组求解和结果解释

有限元求解问题的基本步骤:
? 定义求解域
? 求解域离散化 ? 单元推导

? 等效节点载荷计算
? 总装求解 ? 联立方程组求解和结果解释

整体刚度方程只反映了物体 内部关系,并未反映物体与边 界支承等的关系 未引入约束 条件之前,弹性体在力的作用 下虽处于平衡,但仍可作刚体 位移,整体刚度矩阵是奇异的, 即解不唯一 为求得节点位移 的唯一解,须根据结构与外界 支承的关系引入边界条件,消 除刚度矩阵的奇异性,使方程 得以求解,进而将求出的节点 位移代入各单元的物理方程, 求得各单元的应力 求解结果 是单元结点处状态变量的近似 值。计算结果的质量,将通过 与设计准则提供的允许值比较 评价,并确定是否需要重复计 算

有限元求解问题的基本步骤:
? 定义求解域 ? 求解域离散化 ? 单元推导 ? 等效节点载荷计算 ? 总装求解 ? 联立方程组求解和结果解释

有限元结构分析过程
开始 物理特性分析 单元类型分析 单元划分 , 单元 、 节点 编号 , 输入原始数据 建立单元刚度矩阵 形成整体刚度矩阵 形成载荷矩阵 按工作情况进行边界条件处理 求解刚度矩阵 输出计算结果 结束

有限元法的前置处理
有限元前置处理包括:选择单元类型,划分单元,确 定各节点和单元的编号及坐标,确定载荷类型、边界条 件、材料性质…
有限元法分析计算时,依据分析对象不同,采用的单元类型 也不同。分析对象划分成什么样的单元,要根据结构本身的形 状特点,综合载荷、约束等情况全面考虑而定,所选单元类型 应能逼近实际受力状态,单元形状应能接近实际边界轮廓 网格划分单元非常重要,有限元分 析的精度取决于网格划分的密度 太密会大大增加计算时间,计算精 度却不会成比例地提高,通常采取 将网格在高应力区局部加密的办法

单元类型
经常采用的单元:

– 线单元 – 壳单元

线单元:
? 梁单元:用于螺栓,薄壁管件,C型 截面构件,角钢或细长薄膜构件(只 需膜应力和弯应力的情况)等模型 ? 杆单元:用于弹簧、螺杆、预应力螺 杆和薄膜桁架等模型 ? 弹簧单元:用于弹簧螺杆、或细长构 件,或通过刚度等效替代复杂结构等 模型

– 二维实体单元
– 三维实体单元

单元类型
经常采用的单元:
壳单元用于薄板或曲面模型 壳单元分析应用基本原则:每块 面板的主尺寸不低于其厚度的十 倍

– 线单元 – 壳单元

– 二维实体单元
– 三维实体单元

单元类型
经常采用的单元:
二维实体单元用于模拟实体截面
? 需在整体笛卡尔X-Y平面内建立模型 ? 所有的荷载均作用在X-Y平面内,并且 其响应(位移)也在X-Y平面内

– 线单元 – 壳单元

– 二维实体单元
– 三维实体单元

Y Z X

单元类型
经常采用的单元:
? 由于几何、材料、荷载或分析要 求考虑细节等原因造成无法采用 更简单单元进行建模的结构分析

– 线单元 – 壳单元

– 二维实体单元
– 三维实体单元

? 或从三维CAD系统转化过来的几何 模型转成二维或壳体需要花费大 量的时间和精力的情况

有限元法的后置处理
有限元分析结束后,由于节点数目多,输出数据量非常庞大, 如静态受力分析后节点的位移量、固有频率计算后的振型… 如果靠人工分析这些数据,不仅工作量巨大,容易出错,而且 也很不直观 通常使用后置处理器自 动处理分析结果,并根据 操作者的要求形象化为: 变形图、应力等值线图、 应力应变彩色浓淡图、矢 量图及振型图,…,直观 显示载荷作用下零件的变 形,零件各部分的应力、 应力应变彩色浓淡图 应变或温度场的分布… 二阶振型叠加网格 变形图 应力等值线图 矢量图
一阶振型叠加网格图

通用有限元分析软件
自二十世纪60年代中期以来,大量的理论研究不但拓展了有限 元法的应用领域,还开发了许多通用或专用的有限元分析软件
? 大型通用有限元程序功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率 高,逐渐形成新的技术商品,成为强有力的工程分析工具 目前商用有限元程序分析功能几乎覆盖所有的工程领域,其程序使用 也非常方便,有一定基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程 项目 当前,我国工程界比较流行,被广泛使用的大型有限元分析软件有 : MSC/Nastran、Ansys、Abaqus、Adina、 SAP2000 、Algor … 专用程序是专为解决某一类学科问题或某一类产品基础件的计算分 析,如滚动轴承设计分析系统、车辆车架分析系统等,解决问题比较专一, 一般规模较小
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如: 模流分析软件Mold FLOW、焊接与热处理分析软件SysWeld、 金属成形分析软件Deform、Autoform,…

MSC
m.cn

http://www.mscsoftware.co

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MSC 多年来在计算机辅助工程市场一直居于领导地位,收购 顶尖高度非线性CAE软件公司MARC等,更为其在MCAE(机 械工程辅助分析)行业奠定了霸主地位 ? MSC的产品系列很多,不同的软件模块执行不同的分析功能

MSC丰富的产品线包括:
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世界上功能最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析系 统NASTRAN; 工业领域最著名的并行框架式有限元前后处理及分析系统 PATRAN; 专用的耐久性疲劳寿命分析工具FATIGUE; 拓扑及形状优化的概念化设计软件工具Construct; 处理高度组合非线性结构、热及其它物理场和耦合场问题的有 限元软件MARC; 求解高度非线性、瞬态动力学、流体及流-固耦合分析工具 DYTRAN; 当今世界唯一全面的商品化材料数据信息系统MVISION; 成型过程仿真专用工具AutoForge; 最著名、最权威的运动学动力学仿真软件Adams; ……

Ansys
? 内部物理场的无缝耦合
? 结构、热、流体与电磁仿真耦合 ? 耦合方式:直接耦合与间接耦合

http://www.ansys.com.
? 多物理场求解器
? 构建多产品/场的耦合平台 ? 耦合ANSYS内部物理场 ? 耦合外部CAE/CFD物理场

cn

Electromagnetic Thermal

Magnetic

Fluid

Electrostatic

外部场
Electrical Structural
CAE/CFD

多物理场求解器 Multi-field Solver

ABAQUS

http://www.hks.com

ABAQUS :常用于处理高度非线性结构,热,流场及其它物 理场和多场合场问题 公认解决非线性问题最好的软件,解决非线性问题精度最高 缺点是经常得不到解(不收敛)

ADINA
com

http://www.adina.

? ADINA可进行线性、非线性,静力、动力、屈曲、热传导,压缩、不 可压缩流体动力学计算,流-固耦合分析 ? ADINA是美国ADINA公司研究开发的老牌通用有限元分析系统,技 术成熟,集成环境包括自动建模、分析和可视化后处理。适于各种机械、 土木建筑工程结构、石油化工、航空、船舶和生物医学等领域,进行结 构强度设计、可靠性分析评定及科学前沿研究

SAP2000

http://www.csiberkeley.com

SAP2000:杆件方面的计算很有特色,也可以计算板、壳… 前身是80年代加州大学Berkley分校著名的SAP5(北大曾改成SAP85)

MOLDFLOW

http://www.moldflow.com

MOLDFLOW:可完成包括注塑成型的流动,模具冷却,收缩,

翘曲等塑料过程仿真,同行中的龙头

Dynaform

http://www.eta.com.cn

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eta/Dynaform是由美国ETA公司开发的用于钣金成形模拟和模具设计 的专用软件包,可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、 回弹,评估板料的成形性能,可以帮助模具设计人员显著减少模具开 发设计时间及试模周期,不但具有良好的易用性,而且包括大量的智 能化自动工具,可方便地求解各类板成形问题和快速设计模具。

Deform

http://www.deform.com.cn

CFX

http://www.cfx.com

CFX: 化学和过程工业公认为解决流体流动、传热、多相流、化学反应、 燃烧问题的首选工程仿真软件。在复杂几何、网格、求解这三个CFD传统 瓶颈问题上均有重大突破的商业CFD软件

FLUENT

http://www.fluent.com

CFD领域人人皆知的软件

紫瑞CAE
om

http://www.zrcae.c

国内首创,面向一般机械设计人员,方便易用

FEPG
com

http://www.fegensoft.

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

有限元法工程应用
? 固体力学:如线性和非线性静力分析、动力分析或稳定 性分析、断裂力学和复合材料力学分析,求解结构的应力、 位移、温度分布和频率特性等。 ? 流体力学:如不可压缩和可压缩的非粘性和粘性流体分 析,求解流场的压力、温度、密度和流速的分布等。 ? 传热学:如分析热传导过程,求解热传导速度和温度分 布等。 ? 材料成型:如分析注射(或铸造)过程中塑料(或金属) 熔体的流动充模、冷却固化、压力、温度分布,以及模拟 压力加工过程中金属的塑性变形、回弾、扭曲、起皱等。

金属挤压成型:温度分布和变化

齿轮滚动接触应力分析

轧制

注塑成形

超音速导弹飞行

水下爆炸对舰船冲击

轿车后悬架弹簧支座冲压过程

潜射导弹

反潜鱼雷入水

穿甲碎片

金属塑性成形与塑料成型模拟
问题1:如图所示的制件,在成形 过程中会产生哪些缺陷?出现的部 位在何处? 问题2:上图中制件冲压成形过程中 的应力应变怎样分布?制件各处的 厚度具体数值为多少? 问题3:下图塑件在充型过程和冷却 过程中各处的温度具体为多少?

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

1、传统分析法的弱点
(1)靠经验类比(公式中的各种系数)与较大的安全系数 来确定结构尺寸和用材; (2)对结构动特性和耦合特性的分析基本无能为力; (3)对设计结果难以把握,一般要通过实验来验证。

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

数值模拟技术

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

2、材料成形数值模拟
利用有限元法、有限差分法和(或)其它数学方法在计算 机上仿真(虚拟实验)材料的成形过程。是属于计算机辅助 工程技术(computer aided engineering,简称CAE) 一 个内容 。

第三章 计算机辅助工程(CAE)技术基础

3、计算机模拟技术在材料成型中的作用
? 了解材料成形中工件和模具的位移场、速度场、应变 场、应力场和温度场等,以此预测工件中组织性能的变 化及其可能出现的缺陷; ? 通过虚拟材料成形过程,检验工件的最终形状、尺寸、 性能等是否符合设计要求,为正确选用机器设备和模具 材料、合理设计模具结构提供依据; ? 优化材料成形工艺设计和方案设计; ? 缩短开发周期,降低生产成本,提高产品质量。

4. 塑性有限元的基本概念
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金属塑性变形过程非常复杂,是一种典 型的非线性问题,不单包含材料非线性, 也有几何非线性和接触非线性。因此, 塑性有限元与线弹性有限元相比也就复 杂得多 。

塑性有限元与线弹性有限元相比也就 复杂得多,这主要体现为:
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1) 由于塑性变形区中的应力与应变关系为非线性的,为了便 于求解非线性问题,必须用适当的方法将问题进行线性化处理; 一般采用增量法(或称逐步加载法)即将物体屈服后所需加的 载荷分成若干步施加,在每个加载步的每个迭代计算步中,把 问题看作是线性的。 2) 塑性问题的应力与应变关系不一定是一一对应的;塑性变 形的大小,不仅取决于当时的应力状态,而且还决定于加载历 史;而卸载与加载的路线不同,应变关系也不一样;因此,在 每一加载步计算时,一般都应检查塑性区内各单元是处于加载 状态,还是处于卸载状态。 3) 塑性变形中,金属与工模具的接触面不断变化;因此,必 须考虑非线性接触与动态摩擦问题。

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4) 塑性理论中关于塑性应力应变关系与硬化模型有 多种理论,材料属性有的与时间无关,有的则是随时 间变化的粘塑性问题;于是,采用不同的理论本构关 系不同,所得到的有限元计算公式也不一样。

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5) 对于一些大变形弹塑性问题,一般包含材料和几 何两个方面的非线性,进行有限元计算时必须同时考 虑单元的形状和位置的变化,即需采用有限变形理论。 而对于一些弹性变形很小可以忽略的情况,则必须考 虑塑性变形体积不变条件,采用刚塑性理论。

弹塑性有限元的基本原理
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在塑性变形过程中,如果弹性变形不能忽略并对 成形过程有较大的影响时,则为弹塑性变形问题, 如典型的板料成形。 在弹塑性变形中,变形体内质点的位移和转动较 小,应变与位移基本成线性关系时,可认为是小 变形弹塑性问题; 当质点的位移或转动较大,应变与位移为非线性 关系时,则属于大变形弹塑性问题; 相应地有小变形弹塑性有限元或大变形(有限变 形)弹塑性有限元。

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小变形弹塑性有限元计算是最基本的过程。对 于大变形时,由于不但涉及材料的非线性,同 时还要考虑应变与位移的几何非线性,有限元 求解过程将更为复杂。

刚(粘)塑性有限元的基本原理
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在塑性加工的体积成形工艺中,变形体产生了 较大的塑性变形,而弹性变形相对很小,可以 忽略不计,此时可认为是刚塑性问题,如锻造、 挤压等;相应地则可以用刚塑性有限元法分析。 刚塑性有限元法是在马尔可夫(Markov)变 分原理的基础上,引入体积不可压缩条件后建 立的。

金属塑性成形有限元模拟软件简介
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1. 板料成形模拟软件DYNAFORM DYNAFORM专门用于工艺及模具设计涉及 的复杂板成形问题,如弯曲、拉深、成形等典 型板料冲压工艺,液压成形、滚弯成形等特殊 成形工艺;并可以预测成形过程中板料的裂纹、 起皱、减薄、划痕、回弹,评估板料的成形性 能,从而为板成形工艺及模具设计提供帮助。

2. 体积成形模拟软件DEFORM DEFORM系列软件是基于工艺过程模拟的有 限元系统(FEM),可用于分析各种塑性体积成 形过程中的金属流动以及应变应力温度等物理 场量的分布,提供材料流动、模具充填、成形 载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成、韧性 破裂和金属微结构等信息,并提供模具仿真及 其他相关的工艺分析数据。

塑料成型模拟
塑料流动模拟对塑料成型具有重要意义: ? 运用塑料流动模拟能帮助设计人员优化成型工艺与 模具结构,指导设计人员从成型工艺的角度改进产 品形状结构、选择适合的塑料材料和成型设备,评 判不同材料采用同一工艺与模具成型的可行性,分 析可能出现的问题; ? 达到降低生产成本、缩短模具开发周期的目的。 ? 对于一般简单的塑料制品的成型,只进行流动模拟 分析即可;但对于复杂精密塑件的成型,不仅要对 流动过程进行模拟分析,还需要对充模、保压过程 中塑件与模具的冷却进行分析;甚至需要分析开模 后塑件的残余变形与应力等。

1.塑料流动过程模拟的基本原理
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塑料成型过程中,由于塑料熔体的粘度高、雷诺 数低,故熔体流动可简化为不可压缩的层流,符 合牛顿流动定律。 熔体在型腔内流动的数值模拟分析分为一维、二 维和三维分析。一维分析是二维分析的基础;二 维分析是将任意形状的三维塑件模型展平成二维 模型后,并分解成许多一维流动的基本单元进行 一维分析;三维分析是在三维模型及其有限元网 格的基础上进行的。二维分析主要用于确定塑料 熔体和成型工艺参数的可行范围等以及成型过程 技术上的可行性;三维分析则用于完整的成型过 程数值模拟与仿真分析。

2. 塑料成型模拟软件简介
1)华塑CAE 3DRF 5.0软件 华塑CAE 3DRF 5.0软件是由华中科技大学塑性成型 模拟及模具技术国家重点实验室李德群教授主持开 发。 该软件有流动分析和冷却分析两大模块。 2)MOLDFLOW系列软件 包括流动分析、冷却分析、翘曲分析、收缩分析、 结构应力分析、气体辅助注射成型分析、注射工艺 参数优化等。


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