实验指导书 - 《材料成型计算机模拟》

《材料成型计算机模拟》

铜陵学院机械工程系 材料成型教研室

2010

课程实验指导书

实验一 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。

锤头

工件

砧板

图1 圆柱体压缩过程模拟

（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，尺寸如表所示，温度室温。 圆柱体直径，圆柱体高度，摩擦系数，滑序号 mm 1 2 3 4 100 100 100 100 mm 150 150 250 250 动摩擦 0 0.2 0 0.2 度，mm/s 1 1 1 1 20 20 20 20 锤头运动速压缩程度，% （二）实验要求： （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。

说明：上述几何形体尽量在一个空间体系下用相对尺寸绘制，保证它们的装配关系；所有实体造型都要在空间体系的第一象限内，即几何点的坐标值非负。 2.2 压缩过程模拟 2.2.1 前处理

建立新问题：程序?DEFORM5.03?File?New Problem? Next?在Problem Name栏中填写“Forging” ? Finish?进入前前处理界面；

说明：在DEFORM中，所有文件名、路径名均用英文字符标识。

单位制度选择：点击Simulation Conrol按钮?Main按钮?在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。

添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“topdie”、“bottomdie”。

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（塑性）?点击Assign Temperature按钮?填入温度，如20?点击OK按钮；在对象树上选择topdie ?点击General按钮?选中Rigid选项（刚性）?点击Assign Temperature按钮?填入温度，如20?点击OK按钮?勾选Primary Die选项（定义为extusion dummy block主动工具）?如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die选项）。

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?根据挤压要求及实体造型调整相互位置关系?点击OK按钮完成；

模拟控制设置：点击Simulation Conrol按钮?Main按钮?在Simulation Title栏中填入“tuble extrusion” 或“stick extrusion” ?在Operation Title栏中填入“deform heat transfer” ?选中SI选项，勾选“Defromation”选项，点击Stemp按钮?在Number of Simulation Stemps栏中填入模拟步数?Stemp Increment to Save栏中填入每隔几步就保存模拟信息?在Primary Die栏中选择extusion dummy block（以挤压垫为主动工具）?在With Constant Time Increment栏中填入时间步长?点击OK按钮完成模拟设置；

说明：根据一个步长时间内，模拟增量（主动工具运行距离）不超过单元尺寸的一半这一原则确定时间步长，再由挤压时间计算出模拟步数。

实体网格化：在对象树上选择workpiece?点击 Mesh ?在Number of Elements卡上填入需要的网格数，如15000?点击 Generate Mesh ?工件网格生成；

说明：工模具不作分析，可以不进行网格划分。

设置对象材料属性：在对象树上选择workpiece?点击Meterial?点击other?选择DIN-CuZn40Pb2?点击Assign Meterial完成材料属性的添加；

设置主动工具运行速度：在对象树上选择topdie ?点击Movement?在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项?在Directiont选中主动工具运行，如-Y?在speed卡上选中

Define选项，其性质选为Constant，填入速度值，如1mm/s；

工件体积补偿：在对象树上选择workpiece?点击Property?在Target Volume卡上选中Active选项?点击Calculate Volumer按钮??点击Yes按钮?勾选Compensate during remeshing

边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮?在对话框上选择workpiece—topdie?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，如0.2 ? 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tolerace 按钮?点击OK按钮完成边界条件设置；

保存k文件：在对象树上选择extrusion 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（英文）?填入数据库文件名（英文），如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Exi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。 2.3 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） 观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；

3） 观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，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；

4） 观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain，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；

5） 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；

6） 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；

7） 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、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。 3 实验报告

实验结束后，每位学生提交一份实验报告。报告内容包括实验目的与要求，模拟控制参数的设计与选择，三维造型与模拟过程简述，模拟实验结果分析，实验总结等。

实验二 棒材热挤压过程模拟

1 实验目的与内容 1.1 实验目的

进一步熟悉DEFORM软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的模拟操作。深入理解并掌握DEFORM软件分析热挤压的塑性变形力学问题。 1.2 实验内容

运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜(DIN_CuZn40Pb2)棒挤压过程（已知：坯料?90?25mm）

（一）挤压条件与参数

挤压工具：尺寸如图所示，材质DIN-D5-1U,COLD，温度350。

0

5 9 60 15 25 450 140 100 40 60 挤压垫挤压垫 挤压筒挤压筒 挤压模挤压模 图2 棒材热挤压示意图

坯料：材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸?98×60，温度630。 工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数0.1。

0

（二）实验要求

（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

120

输出；

（2）设计模拟控制参数； （3）DEFORM前处理与运算；

（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）运用DEFORM后处理Flow Net（流动栅格）功能观察金属流动的不均匀性，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挤压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、挤压模、挤压针、挤压垫、挤压筒的几何实体，文件名称分别为extrusion workpiece，extrusion die，extusion mandrel，extusion dummy block，extusion chamber。输出STL格式。

说明：上述几何形体尽量在一个空间体系下用相对尺寸绘制，保证它们的装配关系；所有实体造型都要在空间体系的第一象限内，即几何点的坐标值非负。 2.2 挤压模拟 2.2.1 前处理

建立新问题：程序?DEFORM5.03?File?New Problem? Next?在Problem Name栏中填写“tuble extrusion”（管材挤模拟的学生）或“stick extrusion”（棒材挤模拟的学生）? Finish?进入前前处理界面；

说明：在DEFORM中，所有文件名、路径名均用英文字符标识。

单位制度选择：点击Simulation Conrol按钮?Main按钮?在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。

添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“top die”、“bottom die”和“object 4”，在Object Name栏中填入extrusion workpiece?点击Change按钮?点击 geometry ?点击import?选择extrusion workpiece.stl实体文件?打开；重复操作，依次添加extrusion die，extusion mandrel，extusion dummy block，extusion chamber。

定义对象的材料模型：在对象树上选择extrusion workpiece?点击General按钮?选中Plastic选项（塑性）?点击Assign Temperature按钮?填入温度，如630?点击OK按钮?在对象树上选择extusion dummy block?点击General按钮?选中Rigid选项（刚性）?点击Assign Temperature按钮?填入温度，如300?点击OK按钮?勾选Primary Die选项（定义为extusion dummy block主动工具）?如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选Primary Die选项）；

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?根据挤压要求及实体造型调整相互位置关系?点击OK按钮完成；

模拟控制设置：点击Simulation Conrol按钮?Main按钮?在Simulation Title栏中填入“tuble extrusion” 或“stick extrusion” ?在Operation Title栏中填入“deform heat transfer” ?选中SI选项，勾选“Heat transfer”和“Defromation”选项?点击Stemp按钮?在Number of Simulation Stemps栏中填入模拟步数?Stemp Increment to Save栏中填入每隔几步就保存模拟信息?在Primary Die栏中选择extusion dummy block（以挤压垫为主动工具）?在With Constant Time Increment栏中填入时间步长?点击OK按钮完成模拟设置；

说明：根据一个步长时间内，模拟增量（主动工具运行距离）不超过单元尺寸的一半这一原则确定时间步长，再由挤压时间计算出模拟步数。

实体网格化：在对象树上选择extrusion workpiece?点击 Mesh ?在Number of Elements

卡上填入需要的网格数，如15000?点击 Generate Mesh ?工件网格生成；

说明：工模具不作分析，可以不进行网格划分。

设置对象材料属性：在对象树上选择extrusion workpiece?点击Meterial?点击other?选择DIN-CuZn40Pb2?点击Assign Meterial完成材料属性的添加；

设置主动工具运行速度：在对象树上选择extusion dummy block?点击Movement?在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项?在Directiont选中主动工具运行，如-Y?在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入数度值，如10mm/s；

工件体积补偿：在对象树上选择extrusion workpiece?点击Property?在Target Volume卡上选中Active选项?点击Calculate Volumer按钮??点击Yes按钮?勾选Compensate during remeshing

边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮?在对话框上选择extrusion workpiece—extusion dummy block?点击Edit按钮?点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数或选择摩擦类型如Hot Forging (Lubricated) ? 点击Thermal?选中Constant选项，填入传热系数或选择传热类型如Fomging ? 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tolerace 按钮?点击OK按钮完成边界条件设置；

保存k文件：在对象树上选择extrusion 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（英文）?填入数据库文件名（英文），如stick extrusion 或tuble extrusion ?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Exi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stick extrusion.DB 或tuble extrusion.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。 2.3 后处理

模拟运算结束后，在主控界面上单击stick extrusion.DB 或tuble extrusion.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）观察温度变化：在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；

（3）观察最大应力分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，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；

（4）观察最大应变分布：在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain，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；

（5）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；

（6）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；

（7）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、温度、破

坏系数，保存相应的曲线图。

（8）流动网格分析：点击Flow Net按钮，在对话框中分别选择Starting step和Ending step的数值，点击Next，选择Surface net，点击Next，选中Parallel，点击Next，确定起点平面、终点平面，输入方向矢量和分割面的数量，点击Next，点击Finish，生成金属流动网格数据，点击播放按钮查看流动格变化情况，如图3所示。

图3 金属流动网格

3 实验报告

实验结束后，每位学生提交一份实验报告。报告内容包括实验目的与要求，挤压工艺参数、工模具结构与参数、模拟控制参数的设计与选择，三维造型与模拟过程简述，模拟实验结果分析，实验总结等。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k27f.html