金属塑性成形过程模拟大学.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H=30mm，摩擦系数=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：=8.9103 /m3；弹性模量：E=120109 Pa；泊松比：=0.33；屈服极限=75106 Pa；Cr12MoV密度：=7.854103 /m3；弹性模量：E=220109 Pa；泊松比：=0.28；屈服极限=750106 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；Contact3D target 170（刚性面）；Contact8 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/Soln 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.目 录第一章 总 论 11.1项目概况 11.2研究依据及范围 31.3主要技术经济指标 41.4研究结论及建议 4第二章 项目建设的背景和必要性 62.1项目建设的背景 62.2项目建设的必要性 8第三章 项目服务需求分析 11第四章 项目选址与建设条件 134.1选址原则 134.2项目选址 134.3建设条件 144.4项目建设优势条件分析 15第五章 建设方案 185.1建设规模与内容 185.2总体规划设计 195.3建筑方案 245.4结构方案 265.5给水工程 275.6排水工程 295.7电气设计 315.8暖通设计 345.9项目实施进度 35第六章 节能措施 376.1设计依据 376.2节能措施 37第七章 环境影响分析 397.1 环境影响分析 397.2 环境保护措施及治理效果 40第八章 消防与安全卫生 428.1 消防 428.2 劳动安全 438.3 卫生防护 44第九章 组织机构与运作方式 459.1 组织机构 459.2组织管理 469.3劳动定员 46第十章 投资估算 4710.1编制依据 4710.2 投资估算 4710.3资金筹措 48第十一章 经济效益评价 4911.1 成本核算 4911.2 利润估算 5111.3经济风险分析 5211.4财务评价结论 54第十二章 结 论 55