DEFORM实验报告——镦粗

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 张 金 标 专业班级 09材控（1） . 姓 名 万 伟 学 号 0910121059

2012年04月29日

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1所示，温度室温。

表1 实验参数 序号 1 2 3 4 圆柱体直径，圆柱体高度，摩擦系数，滑mm 100 100 100 100 mm 150 150 250 250 动摩擦 0 0.2 0 0.2 锤头运动速度，mm/s 1 1 1 1 压缩程度，% 20 20 20 20 （二）实验要求

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（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，top die，bottom die，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?DEFORM-3D Ver 6.1?File?New Problem? Next?在Problem Name栏中填写“Forging” ? Finish?进入前前处理界面；

单位制度选择：点击Simulation Control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”。 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20?点击OK按钮；在对象树上选择top die ?点击General按钮?选中Rigid选项（刚性）?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）。

实体网格化：在对象树上选择workpiece?点击 Mesh （采用绝对划分）?点击Detail Settings?选择Absolute?将Min Element Size中数据改为3?点击Surface Mesh?Solid Mesh，工件网格生成；

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 Volume按钮?点击Yes按钮。

设置对象材料属性：在对象树上选择workpiece?点击Material右边；Load material from library?点击other?选择DIN-CuZn40Pb2?点击了Load完成材料属性的添加；同理应用于top die，bottom die 材料的添加。

设置主动工具运行速度：在对象树上选择top die ?点击Movement?在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项?在Direction选中主动工具运行，选择-Z?在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant value，填入速度值，1mm/s；

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步数和步长的设定：在工具栏上点击Simulation Control按钮?点击Step，在Number of Simulation Steps右格中填入30?Step Increment to Save 格中输入3?点击With die Displacement ，输入1mm。（后面三个实验根据实际设定步数及步长）

边界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0（一般默认是0） ? 点击Close按钮?点击Apply to other Relations，点击Generate all按钮?点击OK按钮完成边界条件设置； 2.2.2 生成库文件

在工具栏上点击Database generation按钮 ?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Quit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。 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 实验结果与分析

以下实验（a）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0； （b）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0.2； （c）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0； （d）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0.2；

3

3.1圆柱体压缩变形大致过程

（c） 高度为250mm、摩擦系数为0压缩变形过程

（a） 高度为150mm、摩擦系数为0压缩变形过程

（b） 高度为150mm、摩擦系数为0.2压缩变形过程

4

（d）高度为250mm、摩擦系数为0.2压缩变形过程 图2 （a）、（b）（c）（d）四种方案的压缩变形过程

形属于均匀变形，损伤系数应该为0，但是方案（b）和方案（d）压缩变形属于不均匀变形，如方案（b）在压缩过程中产生单鼓形，在圆柱体四周产生较大的环向拉应力作用，也就意味着由于处于拉应力的作用下，圆柱体四周会出现裂纹或者潜在的微观裂纹，即使压下率只有20％。所以在用DEFORM进行模拟时，也存在一些缺陷。

(a) (b)

(c) (d)

图5 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后破坏系数变化

3.6 行程载荷曲线分析

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(c) (d)

图7 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形过程中行程载荷曲线

观察上图7、下图8和表二所示：

（1）总体分析：四种方案中行程载荷曲线的大致走向呈逐渐上升趋势，整个过程大致可以分两个阶段，第一阶段为弹性变形阶段，此阶段载荷曲线的斜率大，即行程变化小而载荷力变化大，这是由于要克服原子间的相互作用力；第二阶段为塑性变形阶段，此阶段载荷曲线的斜率较小，即行程变化大而载荷力变化小，在压缩变形过程中产生了加工硬化，使其变形抗力增加，故载荷力继续增加。

（2）高度相同，摩擦系数不同： ①比较方案（a）和方案（b），两者在弹性变形阶段和塑性变形阶段的行程载荷曲线大致平行（通过图7），有接触摩擦系数的压缩过程载荷力在相同时刻大于无摩擦的载荷力（通过表二）。

②比较方案（c）和方案（d）的结果与①大致相同，不过相对于方案（a）、（b）在塑性变形阶段，相同的变化行程，前者的载荷力变化较大。仔细观察（d）载荷曲线，在弹性变形结束后出现载荷力瞬间回落阶段，此阶段可能是由于接粗摩擦导致表面金属流动困难而使整体延45°方向发生滑移所致。

由上可知，接触摩擦系数影响行程载荷力，摩擦系数越大，载荷力越大，摩擦系数越小，载荷力越小（相对的）。 （3）摩擦系数相同，高度不同：

①比较方案（a）和方案（c），虽然两者都是属于均匀变形，但是从图7中可以明显看出，行程相同时，高度越低，载荷力越大；反之，越小。即使压下程度相同

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时，最终结果，高度越低，载荷力越大；反之，越小。

②比较方案（b）和方案（d），两者都属于不均匀变形，比较同上述①类似。

综上可知圆柱体的接触摩擦系数和高度对其镦粗变形过程中行程载荷有较大影响，接触摩擦系数越大，载荷力越大，高度约低，载荷力越大。

Time (sec) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

图8 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案下载荷曲线对比

表二 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形过程中行程载荷数据

Z Load（N） (a) 0 (b) 0 (c) 0 916138.0 925071.2 934264.6 940890.9 948873.3 956557.3 964378.0 972310.2 980348.8 988488.4 996734.0 1005084.6 1013540.9 1022103.4 12

(d) 0 982345.2 936406.3 947763.8 954821.9 961347.2 969894.0 978061.6 986152.4 994291.8 1002602.6 1011118.5 1019615.2 1028277.6 1037049.9 1536559.1 1555359.3 1576448.0 1597950.8 1620114.7 1642423.6 1665312.3 1688665.2 1712503.6 1736855.5 1761708.8 1787111.9 1813089.4 1839622.3 1571013.9 1592030.3 1613672.3 1636006.2 1658812.1 1682114.6 1705904.9 1730207.0 1755036.4 1780403.0 1806322.6 1832813.4 1859893.2 1887578.6

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50

1866743.3 1894469.2 1922816.9 1951804.4 1981457.6 2011783.2 2042808.0 2074562.6 2107058.0 2140323.3 2174381.4 2209267.2 2244991.1 2281589.0 2319088.9 2357519.8 . 1915880.9 1944828.4 1974434.6 2004737.1 2035737.8 2067456.9 2099921.4 2133151.6 2167163.6 2202027.5 2237730.5 2274304.3 2311777.2 2350185.9 2391299.5 2431706.0 . 1030776.8 1039561.7 1048458.0 1057470.5 1066599.6 1075846.5 1085214.3 1094707.3 1104323.2 1114066.8 1123938.4 1133942.9 1144081.0 1154355.0 1164770.5 1175325.6 1186025.6 1196872.2 1207868.4 1219018.3 1230322.8 1241784.2 1253405.5 1265192.6 1277145.4 1289268.2 1301565.1 1314041.0 1326694.3 1339530.9 1352553.2 1365772.9 1379179.5 1392787.6 1406598.8 1420616.6 1045936.1 1054940.8 1064061.3 1073302.2 1082616.0 1092142.3 1101750.2 1111485.6 1121349.5 1131345.9 1141480.2 1151747.6 1162154.8 1172701.9 1183394.1 1194237.3 1205223.6 1216364.6 1227660.1 1239115.2 1250732.0 1262512.0 1274459.4 1286576.8 1298868.7 1311336.5 1323982.6 1336815.1 1349835.0 1363046.2 1376451.2 1390056.3 1403864.5 1417877.8 1432097.1 1446536.5 3.7 点追踪最大应力变化.

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（a） （b）

图9 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案下点追踪最大应力变化趋势

总体上来分析，无论是均匀变形还是不均匀变形，在变化趋势上主要分两个阶段，一是弹性变形阶段，应力变化大；二是塑性变形阶段，应力变化小（相对于弹性变化阶段）。

（1）比较方案（a）和方案（b），在选取的8个追踪点中，最大的不同点就是其中方案（a）中7号点的应力为拉应力且逐渐变大，而方案（b）中7号点的应力为压应力，且压应力逐渐增大。其余对应点的变化趋势大致相同。如果细看（b），点1、2、3三点的应力在相同时刻依次减小，由于圆柱体表面有接触摩擦，产生粘着区，都处于三向压应力状态。

（2）比较方案（c）和方案（d），其变化趋势同（1）大致相同。方案（d）中

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(c) (d)

圆柱体上表面处于强烈的三向压应力状态，而曲线的走势与其他点明显不同，其他点的应力变化几乎很小，甚至没什么变化。

（3）比较方案（a）和方案（c），虽然选取的点的位置不一样，但是应力的变化趋势大致一样，例如，方案（a）选取的点7和方案（c）中选取的点6差不多都位于圆柱体表面，其变化趋势大致相同。

（4）比较方案（b）和方案（d），从图中可以明显看出位于圆柱体上表面的应力变化趋势大致相同，而其他部位的应力变化相差较大，方案（b）中4、5、6、7、8五点的应力均为压应力，且压应力逐渐增大，变化趋势明显；方案（d）中其余点的应力变化很小，变化趋势比明显。

3.8 点追踪最大应变变化

（c） （d）

图10 （a）、（b）、（c）、（d）四种方案下点追踪最大应变变化趋势

（a） （b）

总体分析得出，方案（a）、（b）、（c）、（d）中点追踪最大应变变化趋势基本上

相同，呈上升趋势，每个点的应变大致相同，唯一明显不同的是方案（d）中点1、

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2、3、4四点的上升变化趋势较其他点缓慢，这是由于产生的粘着区和侧面翻平导致的。高度越高，这种变化趋势越明显。

4 实验小结

本实验通过AUTOCAD和DEFORM对镦粗过程进行了模拟，通过对有无接触摩擦、坯料高度不同的对比分析，验证接触摩擦和坯料高度对均匀变形及不均匀变形的变形特点，本次DEFORM模拟实验，对镦粗过程有了更一层次的了解。

通过自己在图书馆借阅书籍查看，初步运用了DEFORM进行简易的应用，通过镦粗的前处理和求解以及后处理。在模拟过程中，镦粗变形后坯料的温度与破坏系数均为发生变化，从理论上分析应有稍微的变化，这可能就是DEFORM模拟的一个缺点。

DEFORM能够帮助我们设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。提高了工模具设计效率，降低生产和材料成本。缩短了产品的研究开发周期。同时我也学会了使用DEFORM-3D进行简单的材料成型模拟，分析成型过程中工件的应力、应变、破坏系数及挤压工具载荷的变化。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/kb23.html