《材料成型计算机模拟分析各种仿真软件介绍PPT学习教案.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料成型计算机模拟分析各种仿真软件介绍PPT学习教案.pptx（90页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、会计学1材料成型计算机模拟分析材料成型计算机模拟分析(fnx)各种仿各种仿真软件介绍真软件介绍第一页，共90页。CAD/CAECAD/CAE在材料在材料在材料在材料(cilio)(cilio)加工应用广泛加工应用广泛加工应用广泛加工应用广泛CADCAE包括体积(tj)成形分析板料成形分析流动成形分析第1页/共90页第二页，共90页。第2页/共90页第三页，共90页。板料成形(chn xn)分析第3页/共90页第四页，共90页。第4页/共90页第五页，共90页。第5页/共90页第六页，共90页。第一章绪论第一章绪论第三章第三章计算机辅助工程计算机辅助工程 第四章第四章塑性变形基础塑性变形基础 第
2、五章第五章材料成型材料成型CAE软件基础教程软件基础教程 第6页/共90页第七页，共90页。绪论绪论(xln)n n长期以来，成形长期以来，成形(chn(chn xn xn)工艺和模具的设计以及工艺过程分析主要是依据工艺和模具的设计以及工艺过程分析主要是依据积累的实际经验、行业标准和传统理论进行。但由于实际经验的非确定性、积累的实际经验、行业标准和传统理论进行。但由于实际经验的非确定性、行业标准的时效性、而传统理论对变形条件和变形过程进行了简化；行业标准的时效性、而传统理论对变形条件和变形过程进行了简化；n n因此，对复杂的成形因此，对复杂的成形(chn(chn xn xn)工艺和模具设计往往
3、不容易获得满意的结果，工艺和模具设计往往不容易获得满意的结果，使得调试模具的时间长、次数多，甚至导致模具的报废。通常情况下，为了使得调试模具的时间长、次数多，甚至导致模具的报废。通常情况下，为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺寸的加大。模具结构尺寸的加大。第7页/共90页第八页，共90页。n n现代成形现代成形(chn(chn xn xn)加工与模具正朝着高效率、高速度、高精度、高加工与模具正朝着高效率、高速度、高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发展，因此传统的设计方式已远远无性能
4、、低成本、节省资源等方向发展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。法满足要求。20 20 多年来，随着计算机技术和数值仿真技多年来，随着计算机技术和数值仿真技n n术的发展，出现了计算机辅助工程分析术的发展，出现了计算机辅助工程分析(Computer Aided Engineering)(Computer Aided Engineering)这一新兴的技术，该技术在成形这一新兴的技术，该技术在成形(chn(chn xn xn)加工和模具行业中的应用加工和模具行业中的应用，即模具，即模具CAECAE。模具。模具CAE CAE 是广义模具是广义模具CAD/CAM CAD/CAM 中的一个主要内容
5、，中的一个主要内容，现已在实际中体现出了越来越重要的作用，也得到越来越广泛的应用。现已在实际中体现出了越来越重要的作用，也得到越来越广泛的应用。第8页/共90页第九页，共90页。n nCAE CAE 所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、以计算机软件的形式，为工程领域所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、以计算机软件的形式，为工程领域(l(l n n y)y)提供一种有效提供一种有效n n的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、工模具、以及制造成本等进行反复的评的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、工模具、以及制造成本等进行反复的评估、修改和优估、修改和优n n化，直到获
6、得最佳的结果。但由于所开发化，直到获得最佳的结果。但由于所开发CAE CAE 软件的种类、功能都较有限，系列化与集成化软件的种类、功能都较有限，系列化与集成化都难以实现；都难以实现；n n因此，因此，CAE CAE 应用还远未达到所定义范围。目前，模具应用还远未达到所定义范围。目前，模具CAE CAE 的主要内容还仅仅是利用的主要内容还仅仅是利用CAD CAD 生生成的模型进行成的模型进行n n成形工艺过程的数值模拟，以获得成形工件内不同时刻任意位置的应力应变等多种场量的分成形工艺过程的数值模拟，以获得成形工件内不同时刻任意位置的应力应变等多种场量的分布情况以及潜布情况以及潜n n在的问题等其
7、它相关信息；并通过分析研究这些信息，以达到以下几个方面的主要目的：在的问题等其它相关信息；并通过分析研究这些信息，以达到以下几个方面的主要目的：第9页/共90页第十页，共90页。n n1、对工件的可加工性能作出早期的判断，预先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩短模具开发时间；n n2、对模具进行强度刚度(n d)校核，择优选取模具材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提高模具的可靠性，降低模具成本；第10页/共90页第十一页，共90页。n n3、通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工艺方案和工艺参数(cnsh)，增强工艺的稳定性、降低材料消耗、提高生产
8、效率和产品的质量；n n4、查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。第11页/共90页第十二页，共90页。n n成形过程数值模拟是模具CAE 中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要(zhyo)有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法，而当涉及到时间时，则运用有限差分法。以下简要介绍有关数值模拟的基本内容和方法。第12页/共90页第十三页，共90页。有限元法的基本概念有限元法的基本概念n n对于连续体的受力问题，既然作为一个整体获得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，可以精确求解十分困难；于是，作为近似求解，可以假想地将
9、整个求解区域离散化，分解成为一定形假想地将整个求解区域离散化，分解成为一定形状状(xngzhun)(xngzhun)有限数量的小区域（即单元），彼有限数量的小区域（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连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连续体，如图体，如图7-1 7-1 弯曲凹模的受力分析所示；只要先求弯曲凹模的受力分析所示；只要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似得各节点的位移，即能根据相应的数值方法近似求得区域内的其它各场量的分布；这就是有限元求得区域内的其它各场量的分布；这就
10、是有限元法的基本思想。法的基本思想。第13页/共90页第十四页，共90页。n n从物理的角度理解，即将一个连续(linx)的凹模截面分割成图7-1 所示的有限数量的小三角形单元，而单元之间只在节点处以铰链相连接，由单元组合成的结构近似代替原来的连续(linx)结构。如果能合理地求得各单元的力学特性，也就可以求出组合结构的力学特性。于是，该结构在一定的约束条件下，在给定的载荷作用，各节点的位移即可以求得，进而求出单元内的其它物理场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。第14页/共90页第十五页，共90页。第15页/共90页第十六页，共90页。n n从数学角度理解，是将图7-1 所示的求解区域剖分
11、成许多三角形子区域，子域内的位移可以由相应各节点的待定位移合理插值来表示。根据原问题的控制方程（如最小势能原理(yunl)）和约束条件，可以求解出各节点的待定位移，进而求得其它场量。推广到其它连续域问题，节点未知量也可以是压力、温度、速度等n n物理量。这就是有限元方法的数学解释。第16页/共90页第十七页，共90页。n n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(dnyun)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。第17页/共90页第十八页，共90页。n n由于对整个连续体进行离散，
12、分解成为小的单元；因此，有由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；因此，有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也限元法可适用于任意复杂的几何结构，也n n便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越小、便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随n n着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方式难着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储n n量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整体区域量和高计算速
13、度等优势，同时由单元计算到集合成整体区域的有限元分析，都很适合的有限元分析，都很适合(shh)(shh)于计算机的程序设计，可于计算机的程序设计，可由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展，有限元由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展，有限元分析才得以迅速的发展。分析才得以迅速的发展。第18页/共90页第十九页，共90页。有限元法分析有限元法分析(fnx)的基本的基本过程过程n n根据有限元法的基本概念，其分析过程概括起来有如下内容，现以连续结构的应根据有限元法的基本概念，其分析过程概括起来有如下内容，现以连续结构的应力应变力应变(yngbin)(yngbin)分析为例，逐分析为例，
14、逐n n步加以说明。步加以说明。n n 有限元分析的第一步是结构的离散化，这也是有限元法的基础。简单来说，有限元分析的第一步是结构的离散化，这也是有限元法的基础。简单来说，离散化就是将结构划分成离散化就是将结构划分成n n为有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，将相邻单元体通过节点连接起为有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，将相邻单元体通过节点连接起来组成单元的集合体，并来组成单元的集合体，并n n替代原来的结构。对连续结构进行离散时，需保证离散的结构能有效地逼近实际替代原来的结构。对连续结构进行离散时，需保证离散的结构能有效地逼近实际结构；且应能确保结构受结构；且应能确保结构受n
15、n载荷变形时单元之间在边界上不裂开也不相互挤入，即在变形过程中相邻单元的载荷变形时单元之间在边界上不裂开也不相互挤入，即在变形过程中相邻单元的位移在边界上是相同的、位移在边界上是相同的、n n连续的；同时，为了提高计算精度，还需考虑进行离散的合适单元形状、合理的连续的；同时，为了提高计算精度，还需考虑进行离散的合适单元形状、合理的单元数目和划分方案。单元数目和划分方案。第19页/共90页第二十页，共90页。n n完成结构有限单元离散后，应对单元进行特性分析。分析中，选择节点完成结构有限单元离散后，应对单元进行特性分析。分析中，选择节点位移为基本未知量；为了求得单元内的位移、应变和应力，就必需使
16、单位移为基本未知量；为了求得单元内的位移、应变和应力，就必需使单元内各点位移能够用节点位移表示，通常单元内位移分布难以精确描述；元内各点位移能够用节点位移表示，通常单元内位移分布难以精确描述；因此，为便于分析，一般假定位移是坐标的某种简单因此，为便于分析，一般假定位移是坐标的某种简单(ji(ji ndn)ndn)函数，这函数，这种函数称为位移模式或位移函数。种函数称为位移模式或位移函数。n n位移函数是否选择得当是有限元法分析中的关键。位移函数是否选择得当是有限元法分析中的关键。第20页/共90页第二十一页，共90页。通用有限元软件通用有限元软件(run jin)简介简介n n有限元法自有限元
17、法自1960 1960 年代提出后，由于其强大的功能年代提出后，由于其强大的功能(gngnng)(gngnng)，获得了迅速的，获得了迅速的发展。但有限元法的应用离不开计算机和有限元应用软件；因此，随着有限发展。但有限元法的应用离不开计算机和有限元应用软件；因此，随着有限单元法理论的发展和完善，国内外先后开发出了单元法理论的发展和完善，国内外先后开发出了MSC.NASTRANMSC.NASTRAN、ANSYSANSYS、ASKAASKA、ADINAADINA、SAP SAP 等诸多大型通用有限元软件，等诸多大型通用有限元软件，ABQUSABQUS、LS-DYNALS-DYNA、MSC.MARC
18、 MSC.MARC 等非线等非线n n形分析有限元软件，及其它各种功能形分析有限元软件，及其它各种功能(gngnng)(gngnng)的有限元应用软件。这些软的有限元应用软件。这些软件一般都具有结构静动力分析、大变形和件一般都具有结构静动力分析、大变形和n n稳定分析、各种非线形稳定分析、各种非线形 、以及热分析、流体分析和多物理场耦合分析等功能、以及热分析、流体分析和多物理场耦合分析等功能(gngnng)(gngnng)，有比较成熟、齐全的单元，有比较成熟、齐全的单元n n库，并提供二次开发的接口。库，并提供二次开发的接口。n n以下对以下对MSC.NASTRAN MSC.NASTRAN 和
19、和ANSYS ANSYS 作一些简要介绍。作一些简要介绍。第21页/共90页第二十二页，共90页。n n作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软件之一，MSC.NASTRAN 的分析功能覆盖了绝大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项。主要分析功能模块有：基本(jbn)分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固耦合及数据库管理等)、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块、DMAP 用户开发工具模块及高级对称分析模块。第22页/共90页第二十三页，共90页。n n结构动力学分析是MSC.NASTRAN 的主要强项之一，
20、其主要功能包括：正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。n nMSC.NASTRAN 有强大的非线性分析功能，包括：几何(j h)非线性分析、材料非线性分析、非线性边界(接触问题)分析，以及非线性瞬态分析。第23页/共90页第二十四页，共90页。第24页/共90页第二十五页，共90页。有限元软件有限元软件(run jin)ANSYSn nANSYS ANSYS 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS ANSYS 开发，开发，是集结构、流体、电场、是集结构、流
21、体、电场、n n磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。n nANSYS ANSYS 的前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以的前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。方便地构造有限元模型。n nANSYS Workbench EnvironmentANSYS Workbench Environment（AWEAWE）是）是ANSYS ANSYS 公司新近开发的新一代前公司新近开发的新一代前后处理环境，后处理环境，AWE AWE 通过独特通过独特n n的插件构架与的插件构架与CAD
22、CAD 系统中的实体及面模型双向相关，具有很高的系统中的实体及面模型双向相关，具有很高的CAD CAD 几何几何导入成功率，当导入成功率，当CAD CAD 模型变模型变n n化时，不需对所施加化时，不需对所施加(shji)(shji)的载荷和支撑重新施加的载荷和支撑重新施加(shji)(shji)；AWE AWE 与与CAD CAD 系统系统的双向相关性还意味着可通过的双向相关性还意味着可通过AWE AWE 的参的参n n数管理器可方便地控制数管理器可方便地控制CAD CAD 模型的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。模型的参数，从而将设计效率更加向前推进一步。第25页/共90页第二十六页，
23、共90页。n n分析(fnx)计算模块包括结构分析(fnx)（可进行线性分析(fnx)、非线性分析(fnx)和高度非线性分析(fnx)）、流体动力学分析(fnx)、电磁场分析(fnx)、声场分析(fnx)、压电分析(fnx)以及多物理场的耦合分析(fnx)，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析(fnx)及优化分析(fnx)能力。第26页/共90页第二十七页，共90页。n n结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合于求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。很适合于求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。AN
24、SYS ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结构或部件的响应构非线性导致结构或部件的响应(xi(xi ngyng)ngyng)随外载荷不成比例变随外载荷不成比例变n n化。化。ANSYS ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。几何非线性和单元非线性三种。第27页/共90页第二十八页，共90
25、页。n n除以上功能之外，ANSYS 具有非常强大的热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等分析功能。所有ANSYS 的分析类型均以经典工程概念为基础，使用当前成熟(chngsh)的数值求解技术。ANSYS 提供了两个直接求解器，五个选代求解器，求解器和一个显示求解器，能顺利求解各种矩阵方程。第28页/共90页第二十九页，共90页。n nANSYS ANSYS 软件的后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度软件的后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可
26、看到结构内部）等图形方式显示（可看到结构内部）等图形方式(fngsh)(fngsh)显示出来，也可将计显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。后处理过程包括两个部分：算结果以图表、曲线形式显示或输出。后处理过程包括两个部分：通用后处理模块通用后处理模块POST1 POST1 和时间历程后处理模块和时间历程后处理模块POST26POST26。n n通过友好的用户界面，可方便获得求解过程的计算结果并对其进通过友好的用户界面，可方便获得求解过程的计算结果并对其进行显示。结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等。行显示。结果可能包括位移、温度、应力、应变、速度及热流等。第29页/共
27、90页第三十页，共90页。第30页/共90页第三十一页，共90页。金属塑性成形金属塑性成形(chn xn)模拟模拟n n塑性有限元的基本概念塑性有限元的基本概念塑性有限元的基本概念塑性有限元的基本概念n n金属塑性变形过程金属塑性变形过程金属塑性变形过程金属塑性变形过程(guchng)(guchng)非常复杂，是一种典型的非线性问非常复杂，是一种典型的非线性问非常复杂，是一种典型的非线性问非常复杂，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，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，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，题，
28、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，这主要体现为：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：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：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：n n1 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，必需用适当的方法将问题进行线性化处理；一般解非线性问题，必需用适当的方法将问题
29、进行线性化处理；一般解非线性问题，必需用适当的方法将问题进行线性化处理；一般解非线性问题，必需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。作是线性
30、的。作是线性的。作是线性的。第31页/共90页第三十二页，共90页。n n2）塑性问题(wnt)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。n n3）塑性变形中，金属与工模具的接触面不断变化；因此，必需考虑非线性接触与动态摩擦问题(wnt)。第32页/共90页第三十三页，共90页。n n4 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
31、时间无关，有的则是随时间变化的粘塑性问题；于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。不一样。n n5 5）对于一些大变形弹塑性问题，一般包含材料和几何两个对于一些大变形弹塑性问题，一般包含材料和几何两个(li(li n n )方面的非线性，进行有限元计算时必需同时单元的形状和位置方面的非线性，进行有限元计算时必需同时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，则必需
32、考虑塑性变形体积不变条件，采用刚塑性理忽略的情况，则必需考虑塑性变形体积不变条件，采用刚塑性理论。论。第33页/共90页第三十四页，共90页。弹塑性有限元弹塑性有限元n n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(t ni)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；而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。第34页/共90页第三十五页，共90页。n n由于在弹塑性变形中，应力应变关
33、系为非线性的，变形体的最终形状变化通常不能如线弹性问题一样能够(nnggu)一次计算得到；因此，在有限元分析时，一般只能按增量理论进行求解，即将整个载荷分解成为若干增量步，逐渐施加在变形体上。第35页/共90页第三十六页，共90页。刚（粘）塑性刚（粘）塑性(sxng)有限元有限元n n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(j y)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。第36页/共90页第三十七页，共90页。n n根据
34、马尔可夫变分原理对刚塑性变形问题进行求解时，建立满足根据马尔可夫变分原理对刚塑性变形问题进行求解时，建立满足体积不可压缩条件的容许体积不可压缩条件的容许(rngx(rngx)速度场较为困难，且由于刚塑速度场较为困难，且由于刚塑性材料模型中未计入弹性变形，不能确定质点的平均应力性材料模型中未计入弹性变形，不能确定质点的平均应力smsm，故，故求解不到变形体内应力求解不到变形体内应力sij sij 的分布。为了便于问题求解，于是必需的分布。为了便于问题求解，于是必需将体积不可压缩条件引入了泛函式（将体积不可压缩条件引入了泛函式（7-197-19），得到适于刚塑性材料），得到适于刚塑性材料不完全广义
35、变分原理的新泛函。体积不可压缩条件可以采用不同不完全广义变分原理的新泛函。体积不可压缩条件可以采用不同的方式引入，主要有拉格朗日（的方式引入，主要有拉格朗日（LagrangeLagrange）乘子法、罚函数法以及）乘子法、罚函数法以及可压缩法等。可压缩法等。第37页/共90页第三十八页，共90页。金属塑性成形有限元模拟软件金属塑性成形有限元模拟软件(run jin)简介简介n n非线性有限元分析软件一般的都可应用于塑性非线性有限元分析软件一般的都可应用于塑性(sxng)(sxng)成形过程的模成形过程的模拟。但由于塑性拟。但由于塑性(sxng)(sxng)成形工艺的特殊性，一般非线性有限元软件
36、成形工艺的特殊性，一般非线性有限元软件在分析时，对一些边界条件、载荷和相关的工艺结构（如拉伸筋）等在分析时，对一些边界条件、载荷和相关的工艺结构（如拉伸筋）等的处理非常困难，使用极为不便。因此，国内外都先后开发了用于塑的处理非常困难，使用极为不便。因此，国内外都先后开发了用于塑性性(sxng)(sxng)成形工艺分析的专用有限元软件，专用有限元软件根成形工艺分析的专用有限元软件，专用有限元软件根n n据相关工艺对分析过程进行了优化处理，让用户能更方便的运用，同据相关工艺对分析过程进行了优化处理，让用户能更方便的运用，同时提供了适合于成形工艺的后置处理。时提供了适合于成形工艺的后置处理。第38页
37、/共90页第三十九页，共90页。n n金属塑性成形一般可分为体积成形和板料成形两大类。在板金属塑性成形一般可分为体积成形和板料成形两大类。在板料成形模拟方面，国际上主要有美国的料成形模拟方面，国际上主要有美国的n nDYNAFORMDYNAFORM、德国的、德国的AUTOFORMAUTOFORM、法国的、法国的PAM PAM 系列软件；系列软件；在体积成形方面，有美国的在体积成形方面，有美国的DEFORMDEFORM、n nMSC.SUPERFORGEMSC.SUPERFORGE，法国的，法国的FORGE3 FORGE3 等。国内在塑性成形等。国内在塑性成形模拟软件方面跟国际上相比还存在很大差
38、距，模拟软件方面跟国际上相比还存在很大差距，n n但也相继开发一些软件，如板料成形方面有：吉林金网格但也相继开发一些软件，如板料成形方面有：吉林金网格(w(w n n )模具工程公司的模具工程公司的KMASKMAS、北航的、北航的SHEETFORMSHEETFORM、n n华中科技大学的华中科技大学的VFORM VFORM 等，体积成形方面有北京机电研究等，体积成形方面有北京机电研究所的所的MAFAP MAFAP 等。以下对功能较强且较流行的等。以下对功能较强且较流行的n nDYNAFORMDYNAFORM、DEFORM DEFORM 等软件作简要介绍。等软件作简要介绍。第39页/共90页第四
39、十页，共90页。板料成形模拟板料成形模拟(mn)软件软件DYNAFORMn nDYNAFORM DYNAFORM 是由美国是由美国ETA ETA 公司和公司和LSTC LSTC 公司联合开发的用于板料成公司联合开发的用于板料成形模拟的专用软件包。形模拟的专用软件包。n nDYNAFORM DYNAFORM 具有友好的用户界面、良好的操作性能，包括大量的智具有友好的用户界面、良好的操作性能，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。能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题。DYNAFORM DYNAFORM 专门用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、成形等典于工
40、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成形过程中板料的裂纹(li wn)(li wn)、起皱、减薄、划、起皱、减薄、划n n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。帮助。第40页/共90页第四十一页，共90页。n nDYNAFORM DYNAFORM 具有完备的前后处理功能，采用集成的具有完备的前后处理功能，采用集成的操作环境，无须数据转换，实现无文本编
41、辑，并操作环境，无须数据转换，实现无文本编辑，并n n提供了与提供了与CAD CAD 软件的接口、实用的几何模型建立功软件的接口、实用的几何模型建立功能。能。DYNAFORM DYNAFORM 的求解器采用业界著名、功能强大的求解器采用业界著名、功能强大n n的动态非线性显式分析软件的动态非线性显式分析软件LS-DYNALS-DYNA；并采用工艺；并采用工艺化的分析过程，含括影响冲压工艺的化的分析过程，含括影响冲压工艺的60 60 余个因素，余个因素，固固n n化了丰富的实际工程经验化了丰富的实际工程经验(jngyn)(jngyn)，提供以，提供以DFE DFE 为代为代表的多种工艺分析模块。
42、表的多种工艺分析模块。DYNAFORM DYNAFORM 可在可在PCPC、工作、工作站、大站、大n n型机等多种计算机上的型机等多种计算机上的WindowsWindows、Unix Unix 操作系统下使操作系统下使用，且具有较适用的二次开发功能。用，且具有较适用的二次开发功能。第41页/共90页第四十二页，共90页。n n其主要功能及技术特点有：其主要功能及技术特点有：n n优化下料形状优化下料形状 通过通过One-step One-step 求解器可以方便求解器可以方便地根据凹模形状得出合理的落料尺寸；地根据凹模形状得出合理的落料尺寸；n nQuick-setup Quick-setup
43、 功能功能 利用该功能可以通过板料、利用该功能可以通过板料、凹模、压边圈及拉深筋的定义快速完成标准的拉深凹模、压边圈及拉深筋的定义快速完成标准的拉深n n模拟；模拟；n n模具自动网格划分模具自动网格划分 为捕捉模具外形特征特殊为捕捉模具外形特征特殊设计的网格自动划分功能，可节省设计的网格自动划分功能，可节省9999工具分网时工具分网时n n间；间；n n先进的板料网格生成器先进的板料网格生成器 可以允许三角形、四可以允许三角形、四边形网格混合边形网格混合(hnh)(hnh)划分，并可方便进行网格修划分，并可方便进行网格修剪；剪；第42页/共90页第四十三页，共90页。n n工件定义及自动定位
44、工件定义及自动定位 简捷方便的工件定义以及工件的自动定简捷方便的工件定义以及工件的自动定位功能；位功能；n n模具动作预览模具动作预览 在提交分析之前可以允许用户检查所定义的工在提交分析之前可以允许用户检查所定义的工具动作是否正确；具动作是否正确；n nDFE DFE 模面设计模面设计(shj)(shj)模块模块 利用该功能可以由产品几何外形利用该功能可以由产品几何外形通过工艺补充计算得到模具及压边圈尺寸；通过工艺补充计算得到模具及压边圈尺寸；n n拉延筋定义拉延筋定义 通过拾取凹模（或下压边圈）上的节点（线）生通过拾取凹模（或下压边圈）上的节点（线）生成拉延筋（多种截面），并可由成拉延筋（多
45、种截面），并可由DBFPDBFPn n子程序预报拉延筋力；子程序预报拉延筋力；n n自动压边分析自动压边分析 在模具几何模型基础上快速生成弧形压边进行在模具几何模型基础上快速生成弧形压边进行板料的成形性预测；板料的成形性预测；第43页/共90页第四十四页，共90页。n n网格自适应划分网格自适应划分 网格自适应划分功能可以由用户控制（重划分等级及间网格自适应划分功能可以由用户控制（重划分等级及间隔），能够提高求解的隔），能够提高求解的n n精度；而在回弹分析之前可以对网格进行粗化处理；精度；而在回弹分析之前可以对网格进行粗化处理；n n显、隐式无缝显、隐式无缝(w fn(w fn)转换转换 允
46、许用户在求解不同的物理行为时在显、隐允许用户在求解不同的物理行为时在显、隐式求解器之间进行无缝式求解器之间进行无缝(w fn(w fn)转换，如转换，如n n在拉深过程中应用显式求解，在后续回弹分析当中则切换到隐式求解。在拉深过程中应用显式求解，在后续回弹分析当中则切换到隐式求解。n n材料模型材料模型 材料库包含材料库包含140 140 余种金属及非金属材料，具有标准的余种金属及非金属材料，具有标准的SAE SAE 材料材料库目录，如库目录，如CRCQCRCQ，n nCRDQCRDQ，HRCQHRCQ，HRDQHRDQ，铝以及不锈钢等；，铝以及不锈钢等；第44页/共90页第四十五页，共90页
47、。n n结果处理结果处理 利用后处理器可以方便地进行三维动态利用后处理器可以方便地进行三维动态(dngti)(dngti)等值线和云图显示应力应变、工件厚度变化、等值线和云图显示应力应变、工件厚度变化、n n成形过程等；成形过程等；n n成形极限图成形极限图 成形极限图中可以直观显示每个单元的成形状况。成形极限图中可以直观显示每个单元的成形状况。通过成形极限图中的颜色和位置通过成形极限图中的颜色和位置n n按照应变程度来可以对每个单元进行静态显示或是动画演示；按照应变程度来可以对每个单元进行静态显示或是动画演示；n n图形输出图形输出 利用后处理器可以生成利用后处理器可以生成MPEGMPEG、
48、AVIAVI、JPG JPG 等多种格等多种格式的图形文件，便于进行网络传式的图形文件，便于进行网络传n n输。输。第45页/共90页第四十六页，共90页。第46页/共90页第四十七页，共90页。体积成形体积成形(chn xn)模拟软件模拟软件DEFORMn nDEFORM 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(li xin)、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它相关的工艺分析数据。第47页/共90页第四十八页，共90页。n nDE
49、FORM DEFORM 源自塑性有限元程序源自塑性有限元程序ALPIDALPID（Analysis of Large Plastic Analysis of Large Plastic Incremental DeformationIncremental Deformation）。在）。在1980 1980 年代初期，美国年代初期，美国Battelle Battelle 研究室在美研究室在美国空军基金的资助下开发了用于塑性加工过程模拟的有限元程序国空军基金的资助下开发了用于塑性加工过程模拟的有限元程序ALPIDALPID，n n后来开发人员对程序进行了逐渐后来开发人员对程序进行了逐渐(zhji
50、n)(zhjin)完善，并采用完善，并采用Motif Motif 界面设计界面设计工具，并将程序发展成为了商品化的软件工具，并将程序发展成为了商品化的软件DEFORMDEFORM（Design Design Environment for FORMingEnvironment for FORMing），由美国），由美国SFTCSFTC（Scientific Forming Scientific Forming Technologies CorporationTechnologies Corporation）公司推广应用。）公司推广应用。第48页/共90页第四十九页，共90页。n nDEFORM