属金塑性成形过程模拟--毕业设计.doc

金属塑性成形过程模拟

材型10-3班
畅波
20100865
一、模拟题目
采用ANSYS对圆柱形紫铜管进行挤压分析。如下图示，图1为圆柱形紫铜管坯料尺寸；图2为凸模压头尺寸；图3为凹模尺寸。规定坯料材料选用紫铜，凸模压头及凹模材料为Cr12MoV，下压量ΔH=30mm，摩擦系数μ=0.15。
题目分析：紫铜管在挤压过程中会发生塑性变形，因此其模拟属于大变形问题。接触类型属于非线性接触。由于模具与工件均为对称件，因此在模拟过程中建立1/4三维模型，不仅可以观察工件外部变形情况，同时易于观察内部变形情况。由于ANSYS中不存在单位，为了数据统一，因此所有参数采用国际统一单位。

图一 图二

图三
二、材料分析
通过查阅相关材料手册，信息如下：
紫铜
密度：ρ=8.9×103 ㎏/m3；
弹性模量：E=120×109 Pa；
泊松比：μ=0.33；
屈服极限σ=75×106 Pa；
Cr12MoV
密度：ρ=7.854×103 ㎏/m3；
弹性模量：E=220×109 Pa；
泊松比：μ=0.28；
屈服极限σ=750×106 Pa；
三、操作过程
简要概述：
1.建立有限元模型
可以通过Pro/E或者UG软件建立模型，导入ANSYS中；或者直接在ANSYS软件中建立模型。本次模拟选择ANSYS直接建立模型。
创建凹模平面。首先，以凸、凹模及坯料平面中轴线和凹模底端为坐标轴建立坐标系，根据题目所给尺寸计算关键点坐标并作图；然后，根据关键点坐标连线，连线时要注意线的方向要一致，否则在创建角度线的时候会出现错误（多次错误后总结）。最后，删除多余线，生成线倒角并旋转凹模生成面，完成凹模的平面的创建。
创建坯料平面。创建坯料模型时使用的是角端点坐标建立，角端点建立需要输入坯料左下角的横坐标、纵坐标，坯料的宽度和高度。
创建凸模平面。同样采用角端点坐标建立的方法，由于凸模上下表面积不同，故把凸模分成上下两部分分部建立。
完成凹模、坯料、凸模平面的建立后，由于模具与工件均为对称件，因此在模拟过程中建立1/4三维模型，所以旋转90°。模型创建完成。
2.选择单元类型（3种单元类型）
Solid 8node 185；Contact—3D target 170（刚性面）；
Contact—8 nd surf 174（柔性面）；
3.设置实常数
4.定义材料参数
5.划分网格
多次尝试给定网格大小划分网格不成功，所以选取自由划分形式，为避免错误，划分时，对各部分单独进行划分。
6.赋予接触面类型
选用meshtool中的element attribute将2种接触单元分别附给模具、工件；
7.定义接触对
需要创建三组接触对，分别为凸模两部分之间表面接触，凸模与工件上表面接触；凹模与工件后表面接触。
8.施加约束与载荷（位移）
1）凹模下表面全部固定；
2）模具与工件对称面全部施加对称约束；
3）凸模下表面施加向下的位移约束；
9.求解运算
10.结果分析，动画演示
详细过程：
第一步：更改工作名和工作标题
1）选择Utility Menu/File/Change Jobname命令，弹出【Change Jobnanme】对话框，在Enter new jobname中输入新工作文件名changbo，单击OK按钮，关闭对话框。
2）选择Utility Meum/File/Change Title命令，出现【Change Title】对话框，输入新标题cb，单击OK按钮，关闭对话框。
第二步：建立模型
1）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Keypoints/In Active Cs命令，出现【Creat Keypoints in Active Coordinate System】对话框。在弹出的对话框中依次输入1（0.015,0,0）、2（0.055,0,0）、3（0.055,0.122,0）、4（0.0205，0.122,0）、5（0.0205,0.047,0）、6（0.015,0.047,0），点击OK按钮，关闭该对话框，结果如图4所示。

图4 创建关键点
2）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Lines/Straight Line命令，弹出【Creat Straight Line】对话框。依次拾取点1和2、点2和3，点3和4、点4和5、点1和6，单击OK按钮，关闭该对话框，结果如图5所示。

图5 连接关键点
3）选择Utility Menu/PlotCtrls/Numbering命令，在弹出的【Plot Numbering Controls】 对话框中将Lines numbers和Keypoint numbers改为on，其余默认。选择Utility Menu/Plot/Lines命令，使当前窗口显示线。
4）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Lines/At angle to line命令，弹出【Straight line at angle to line】对话框，选择5号线，单击OK；然后选择5号点，单击OK；在Angle in degrees中输入30，结果如图6所示。

图6 创建角度线
5）选择Preprocessor/Modeling/Delete/Lines Only命令，弹出【Delete Lines Only】对话框，选择6号线，单击OK；选择Preprocessor/Modeling/Delete/Keypoints命令，弹出【Delete Keypoints】对话框，选择6号点，单击OK，结果如图7所示。

图7 删除多余线
6）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Lines/Line Fillet命令，弹出【Line Fillet】对话框，选择4号线7号线，弹出【Line Fillet】对话框，选择4号线和7号线，单击Apply按钮，在Fillet radius中输入0.002，单击OK按钮；选择5号线和7号线，单击OK按钮，结果如图8所示。

图8 生成线倒角
7）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Areas/Arbitrary/By Lines命令，弹出【Creat Areas by Lines】对话框，选择屏幕中所有的线，单击OK按钮，完成凹模旋转面创建，结果如图9所示。

图9 创建凹模旋转面
8）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Areas/Rectangle/By 2 Corners命令，弹出【Rectangle By 2 Corners】对话框。在WPX输入0.0185，WPY输入0.047，Width输入0.002，Height输入0.06，单击Apply按钮；在WPX输入0，WPY输入0.107，Width输入0.0205，Height输入0.08；在WPX输入0，WPY输入0.187，Width输入0.05，Height输入0.015，结果如图10所示。

图10 生成工件、凸凹模旋转面
9）选择Preprocessor/Modeling/Creat/Keypoints/In Active Cs命令，弹出【Creat Keypoints in Active Coordinate System】对话框。在弹出的对话框中依次输入100（0,0,0）、101（0,0.21,0），完成中心旋转点的建立。
10）选择Preprocessor/Modeling/Operrate/Extrude/Areas/About Axis命令，弹出【Sweep Areas Axis】对话框。单击Pick All按钮，在弹出对话框中拾取点100和点101，单击OK按钮，在Arc length in degrees中输入90，完成模型建立，如图11所示。

图11 生成模型
第三步：定义单元类型
1）选择Preprocessor/Element Type/Add/Edit/Delete命令，弹出【Element Types】对话框。
2） 单击Add按钮，出现【Library of Element Types】对话框。在Library of Element Types的第一个列表中选择Structural Soild，在第二个列表框中选择Brick 8node 185，单击Apply按钮。
3）重新在Library of Element Types第一个列表中选择Contact,在第二个列表框中选择3D target 170,单击Apply按钮。
4）重新在Library of Element Types第一个列表框中选择Contact,在第二个列表框中选择8 nd surf 174,单击OK按钮，关闭对话框，如图12所示。

图12 定义单元类型
第四步：定义实常数
1）选择Preprocessor/Real Constants/Add/Edit/Delete命令,弹出【Real Constants】对话框，单击Add按钮，在Type 2 TARGE170下点OK，在弹出对话框中点击OK；在Set 1下单击Add按钮,选择Tpye 3 CONTA174,点击OK按钮,在Real Constant Set No.中输入1，单击OK按钮。
2）按照同样的方式定义另一组实常数，选择编号2，如图13所示。

图13 定义实常数
第五步：定义材料性能参数
1）选择Preprocessor/Material Props/Material Models命令，弹出【Define Material Model Behavior】对话框。
2）在Material Models Available一栏中双击Structural选项中的Linear选项，接着双击Elastic选项，最后双击Isotropic选项，弹出【Linear Isotropic Properties for Material Number 1】对话框。在EX文本框中输入材料弹性模量120e9，在PRXY文本框中输入材料泊松比0.33，单击OK按钮,关闭该对话框。
3）在Material Models Available一栏中双击Structural选项中的Nonlinear选项，接着双击Inelastic选项，再双击Rate Independent选项，然后双击Isotropic Hardening Plasticity选项，接着双击Misese Plasticity选项，最后双击Bilinear选项，弹出【Bilinear Isotropic Hardening for Material Number 1】对话框，在Yield Stss文本框中输入屈服极限75e6，单击OK按钮，关闭对话框。
4）双击Structural选项中的Density选项，弹出【Density for Material Number 1】对话框，在DENS中输入密度8900，单击OK按钮,关闭该对话框。
5）双击Structural选项中的Friction Coefficient选项，弹出【Friction Coefficient for Material Number 1】对话框，在MU中输入摩擦因数0.15，单击OK按钮,关闭该对话框。
6）单击Material中的New model，定义第二组材料性能参数。
7）在Material Models Available一栏中双击Structural选项中的Linear选项，接着双击Elastic选项，最后双击Isotropic选项，弹出【Linear Isotropic Properties for Material Number 2】对话框。在EX文本框中输入材料弹性模量230e9，在PRXY文本框中输入材料泊松比0.28，单击OK按钮,关闭该对话框。
3）在Material Models Available一栏中双击Structural选项中的Nonlinear选项，接着双击Inelastic选项，再双击Rate Independent选项，然后双击Isotropic Hardening Plasticity选项，接着双击Misese Plasticity选项，最后双击Bilinear选项，弹出【Bilinear Isotropic Hardening for Material Number 1】对话框，在Yield Stss文本框中输入屈服极限750e6，单击OK按钮，关闭对话框。
4）双击Structural选项中的Density选项，弹出【Density for Material Number 1】对话框，在DENS中输入密度7854，单击OK按钮,关闭该对话框。
5）双击Structural选项中的Friction Coefficient选项，弹出【Friction Coefficient for Material Number 1】对话框，在MU中输入摩擦因数0.15，单击OK按钮,关闭该对话框。
图14 设置材料参数
第六步：划分网格
1）选择Preprocessor/Meshing/MeshTool选项，弹出【MeshTool】对话框。将small size挑勾。
2）选择Utility Menu/Plot/Specified Entities/volume, NV1输入2,NINC输入2点击OK，选择Element Attributes旁的Set，将【mat】改成1，点击mesh,选中坯料，点击OK,完成如15图所示：

图15 划分坯料

3）按照上述方法对凹模进行网格划分，如上图NV1输入1,NINC输入1，点击OK，选择Element Attributes旁的Set，将【mat】改成,2，点击mesh,选中凹模，点击OK,完成如图16所示;

图16 划分凹模
4）按照上述方法对冲头进行网格划分，如上图NV1输入3,NINC输入3，点击OK，选择Element Attributes旁的Set，将【mat】改成,2，点击mesh,选中冲头，点击OK,完成如图17所示;

图17 划分凸模
5）按照上述方法对冲头进行网格划分，如上图NV1输入4,NINC输入4，点击OK，选择Element Attributes旁的Set，将【mat】改成,2，点击mesh,选中冲头，点击OK,完成全部网格划分，如图18所示;

图18 网格划分
第七步：定义接触对
1）选择Utility Menu/PlotCtrls/Numbering命令，在弹出的【Plot Numbering Controls】对话框中将Area numbers改为on。选择Plot/Areas命令，使当前窗口面。并且记录下来相应面的编号。如图19所示。
凸模下表面——19 坯料上表面——16 坯料后表面——15
凹模内表面——8,9,10,11,12 凹模下表面——5
坯料内表面——17

图19 显示模型面编号
2）选择Preprocessor/Modeling/Create/Contact Pair命令，弹出【Contact Manager】对话框。单击Contact Wizard命令，在弹出的对话框中单击Pick Target按钮，输入19，点击Apply按钮；点击Next，在弹出的对话框中单击Pick Contact按钮，输入16，点击Apply按钮；点击Next，点击Optional settings选项，选择Friction，将Stiffness matrix选项改为Unsymmetric，单击OK按钮，然后点击Creat，在弹出对话框中点击Finish按钮，完成凸模下表面与坯料上表面接触对的创建。
3）选择Preprocessor/Modeling/Create/Contact Pair命令，弹出【Contact Manager】对话框。单击Contact Wizard命令，在弹出的对话框中单击Pick Target按钮，输入15，点击Apply按钮；点击Next，在弹出的对话框中单击Pick Contact按钮，输入8,9,10,11,12，点击Apply按钮；点击Next，点击Optional settings选项，选择Friction，将Stiffness matrix选项改为Unsymmetric，单击OK按钮，然后点击Creat，在弹出对话框中点击Finish按钮，完成坯料后表面与凹模内表面接触对的创建。
4）选择Preprocessor/Modeling/Create/Contact Pair命令，弹出【Contact Manager】对话框。单击Contact Wizard命令，在弹出的对话框中单击Pick Target按钮，输入23，点击Apply按钮；点击Next，在弹出的对话框中单击Pick Contact按钮，输入21，点击Apply按钮；点击Next，点击Optional settings选项，选择Friction，将Stiffness matrix选项改为Unsymmetric，单击OK按钮，然后点击Creat，在弹出对话框中点击Finish按钮，完成冲头间接触对的创建。
第八步：施加约束与载荷（或者位移）
1）选择Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/
On Areas命令，弹出【Apply U，ROT on Areas】命令，选择凹模下表面5，单击OK按钮，弹出对话框中选择ALL DOF，在VALUE文本框中输入0，单击OK。
2）选择Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/
Symmetry B.C./On Areas命令，弹出【Apply SYMM on Areas】对话框，选择1,13,2,18,3,22,4,26，单击OK按钮。完成对称约束建立。
3）选择Solution/Define Loads/Apply/Structural/Displacement/
On Aeas命令，弹出【Apply U，ROT on Areas】命令，选择凸模下表面19，单击OK按钮，弹出对话框中选择UY，在VALUE文本框中输入-0.03，单击OK。完成位移约束。
第九步：求解
1）选择Solution/Analysis Type/New Analysis命令，出现【New Analysis】对话框。在Type of analysis中选择Static，单击OK按钮，关闭该对话框。
2）选择Solution/Analysis Type/Sol′n Controls命令，弹出【Solution Controls】对话框。将Analysis Options改为Large Displacement Static,将Time at end of loadstep改为20，Automatic time stepping改为on；在Number of substeps中输入45，在Max no. of substeps中输入360, 在Min no. of substeps中输入45,单击OK按钮，关闭对话框，如图20所示。

图20 设置求解器
3）选择Solution/Slove/Current LS命令，出现【Solve Current Load Step】对话框,同时出现【Status Command】窗口，选择File/Close命令，关闭该窗口。单击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮，ANSYS开始计算求解。
4）求解结束时，出现Solution is done提示框，单击close按钮，关闭该提示框，显示迭代过程的时间跟踪图。如图21所示：

图21 时间跟踪图
四、结果分析
1）选择General Postproc/Read Results/Last Set命令。
2）选择General Postproc/Plot Results/Deformed Shape命令，弹出【Plot Deformed Shape】对话框，选择Def+undef edge选项，查看变形前后的结果，如图22所示。

图22 单元变形结果
3）选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solution命令，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，选择Nodal Solution/DOF Solution/Y-Component of displacement，查看工件Y方向位移，如图23所示。

图23 Y方向位移图
4）选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solution命令，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，选择Nodal Solution/Stress/von Mises stress，查看工件和模具节点所受等效应力。如图24所示。

图24 节点等效应力图
5）选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Nodal Solution命令，弹出【Contour Nodal Solution Data】对话框，选择Nodal Solution/Plastic Strain/von Mises plastic strain，查看工件和模具节点塑性变形部分所受等效应力。如图25所示。

图25 节点塑性变形等效应力图
6）选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Element Solution命令，弹出【Contour Element Solution Data】对话框，选择Element Solution/Stress/von Mises stress，查看工件和模具单元所受等效应力，如图26所示。

图26 单元等效应力图
7）选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Element Solution命令，弹出【Contour Element Solution Data】对话框，选择Element Solution/Plastic Strain/von Mises plastic strain，查看工件和模具单元塑性变形部分所受等效应力，如图27所示。

图27 单元塑性变形等效应力图
8）选择General Postproc/Plot Results/Contour Plot/Element Solution命令，弹出【Contour Element Solution Data】对话框，选择Element Solution/Elastic Strain/von Mises elastic strain，查看工件和模具单元弹性变形部分所受等效应力，如图28所示。

图28 单元弹性变形等效应力图

9）选择Utility Menu/PlotCtrls/Animate/Deformed Shape命令，查看单元变形动画，如图29所示。

图29 单元变形动画图
10）选择Utility Menu/PlotCtrls/Animate/Deformed Results命令，弹出【Animate Nodal Solution Data】对话框，选择所需要查看的变形动画，如图30所示。

图30 等效应力动画变形图
11）选择Main Menu/Finish命令,退出ansys。

四、结果分析
通过对紫铜管挤压应力应变图分析，可以看出：在凹模出口附近剧烈变形，金属流动不均匀，中心层的流动快，外层的流动慢，坯料与凹模接触部分较中心金属是凹进去的
由于铜管通过模具，因此凹模与被挤压坯料之间存在较大的接触摩擦，磨具口处的扭曲变形最显著。通过分析图可以看出，凹模在管径过渡处受力最大，因此该处容易导致模具造成失效。失效形式可能为磨损、咬合、开裂、塑性变形、金属疲劳。

五、心得体会
通过了解，熟悉，使用ansys软件对紫铜材料进行挤压变形模拟，我基本学会了用ansys创建简单模型，应用有限单元的理论对不同材料，不同形状的工件坯料进行相关应力应变分析。锻炼了自身的学习能力与动手能力。了解了一些材料的基本力学性能参数，对选用材料应该注意什么有了进一步的了解。弥补了一些知识盲点，通关与组员的讨论学到了更多的知识，培养了自己的合作意识。

六、参考文献
（1） ANSYS 10.0有限元分析自学手册 邓凡平.北京：人民邮电出版社，2007.
(2) ANSYS 10.0基础及工程应用 李红云，赵社戌，孙雁　编著 2008. 机械工业出版社
(3) ANSYS 10.0材料工程有限元分析实例教程 胡红军,杨明波,张丁非 2008-04-01 电子工业出版社
（4）盛和太，喻海良，范训益.ANSYS有限元原理与工程应用实例大全[M].北京：清华大学出版社，2006.
（5）刘相新，孟宪颐. ANSYS基础与应用教程[M].北京：科学出版社，2006.