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锻造成形软件锻造成形软件锻造成形软件锻造成形软件DEFORM3DEFORM3DD培训培训培训培训 報告人報告人：许沛许沛 日日 期：期：20122012年年9 9月月1717日日 課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示DEFORM-3D简介DEFORM-3D-专门用于处理各种制造工艺问题n锻造n冷成形 n热处理n旋转成型n轧制n开坯锻造n金属切削 n板材成形 課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示3D模拟的特点3D模拟用于2D模拟不能求解的问题,主要有以下三类：n非轴对称几何形状n轴对称形状，但是非轴对称变形行为(屈曲/坯料剪切)n非轴对称变形行为(摆碾成形或旋压)（最终零件为轴对称形状）DEFORMDEFORM锻造问题基本模拟流程锻造问题基本模拟流程n定义模拟对象n定义几何模型n根据模拟对象划分网格n定义边界条件n定义材料属性n定义模具运动控制n定义各对象之间关系n定义模拟控制参数n生成计算数据库文件，进行求解计算n后处理计算结果模拟前的工作n为什么进行模拟?n制定新的工艺n新工艺的可行性分析n工艺缺陷的形成原因n通过模拟得到什么?n折叠n流动缺陷n成形载荷n温度n模拟需要花费的时间?n快速模拟：1小时以内n详细模拟：数小时甚至更多.n1夜n数天（非常复杂的问题）几何模型定义n几何模型来源nCAD 实体造型软件，.stl格式文件n其他的网格划分软件(例如Patran,Hypermesh)n其他的DEFORM-3D database 或 keyword 文件nDEFORM-2D文件，通过2D-3D 转换器n几何模型对于后续建模和计算至关重要n对于对称模型，利用对称性建模，降低计算量。网格划分n网格划分对计算时间和求解精度影响最大n用户应对网格生成进行精确控制n单元细小，计算精度提高，计算时间增加n单元粗大，计算时间降低n适用于快速模拟n可能会造成遗漏细节问题n根据模拟问题选择合适的单元尺寸边界条件n主要的边界条件：n热边界条件：温度计算问题n对称边界条件：对称性问题n其他的边界条件用于高级计算n并不是所有的计算问题都需要定义边界条件其他设置n其他的前处理设置n材料n各对象之间关系n模拟控制集團沖壓技委會集團沖壓技委會模拟对象和计算时间n模拟计算时间从几分钟几天，取决于计算问题及前处理设置。n选择计算步数n选择计算精度计算精度选择 n单元尺寸/单元总数n步长n对称性模拟目的n精确分析，验证设计n精确模拟载荷，流动和填充情况n精确确定可能潜在的折叠或缺陷n所有的成形工步要求精确模拟n解决问题n确定缺陷存在的原因n要求详细的模拟n根据工程经验简化模型n快速模拟n大概了解载荷及流动情况等信息n可能会节省了计算时间，丢失细节n可以采用粗网格，大时间步长n采用简化CAD模型用户界面n开放式的前处理器，可以设置各种控制参数n强大、友好n以任何顺序输入数据 nF3 前处理器 采用向导式操作，对于传统的成形工艺n单变形对象n工具直线运动n用户根据提示一步步设置数据n专用模板n机械加工n开坯n预成形设计集團沖壓技委會集團沖壓技委會小结n模拟前明确模拟目的。n对于不能进行2D模拟的时候采用3D计算。n模拟设置对于计算时间和求解精度有重要影响，根据模拟对象合理的进行模拟设置。n计算硬件对于计算时间有直接影响。nDEFORM有开放式的前处理器，并针对专门问题提供模板，方便易用。課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示几何模型定义n基本几何模型定义n输入文件要求n各工具之间关系n潜在的问题n平面化&离散影响n平面数量的影响n常见的.stl 错误n几何模型编辑几何模型定义n采用面几何信息描述n初始工件网格生成的边界n工具几何形状n单个、连续表面n几何模型信息 nCAD 实体造型软件，.stl格式文件n其他网格生成软件(例如：Patran,Hypermesh)n其他的DEFORM-3D模拟数据库，或者 keyword 文件nDEFORM-2D模拟结果，通过2D-3D转换器导入。几何模型要求n每个文件一个对象n单个表面n间隙、孔洞、重叠及其他的不连续会造成计算时错误n表面的法向必须向外n对.stl文件一般不会出现这样的问题n由别的网格划分软件导入之前检查法向nDEFORM几何模型检查可以检查出多个表面或者不连续表面几何模型要求n实体模型产生工具的完全实体描述n“Skin”仅包含了接触表面的表示也是允许的，但是不推荐采用该方法。几何干涉n对于成形模拟，组装的工具应该合并为单个工具n发生相对滑动接触的表面不需要重叠与2D不同与早期的3D版本也不相同n标记冲头的侧面避免节点进入小间隙几何干涉n节点可能穿透工具滑动接触面的小间隙（例如：凸模与凹模之间的间隙）n这是数值处理的结果，不是实际成形的“飞边”。几何干涉n标记冲头非接触表面，使得计算时这部分不会参与接触计算。几何模型问题n平面化n离散化影响n对计算时间的影响nSTL 错误n多个表面n间隙n重叠&非法表面12343D几何模型n多边形相互独立-空间3个顶点组成；n在一定误差范围内的顶点进行合并；n在导入.stl 文件进入DEFORM时，定义合并误差；n误差过大会造成边界之间形成间隙。3D几何模型在边中点相交的顶点不能描述封闭的曲面在后续的计算中会出问题平面化影响n平面化影响会导致工具和工件之间的间隙和重叠。平面化影响n详细描述圆柱体需要大量细小平面n几何精度与文件大小及计算时间存在矛盾n过多的.stl平面要求n更大的存储空间n用户界面中加载和显示时间增加n数值模拟中计算时间增加n合理的平面数量n对于非常简单的形状，100多个平面即可满足n对于简单的模具，需要上千个平面描述n对于非常复杂的模具，需要50,000到75,000 个平面n平面的尺寸应该与单元尺寸相关联小结n几何模型用于定义n工具n表面用于初始网格生成n推荐采用STL作为几何模型交换格式n根据几何模型确定恰当的选择描述平面的大小及数量n非法的.stl几何模型会对计算造成问题。n通过标记几何表面，可以避免节点虚假的侵入滑动工具表面 課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示有限元网格n有限元网格用于存储数值信息:n变形体几何n场变量n边界条件n计算每一步,重新计算所有信息n矛盾之处:n单元越多，模型表示越好，越能描述实际情况。n单元越多，计算量越大，计算时间越长。有限元网格nDEFORM-3D包含了用户控制自动生成四面体单元n用户可以控制下列信息n最小单元尺寸n最大/最小单元边长比n模拟计算中，这些因素用于分配单元尺寸，重新划分部件网格导入网格n可以通过其他的网格生成软件(例如：Hypermesh,Patran,等)划分网格后导入nIDEAS 或者 PATRAN 网格格式n必须是全 TET-4 or HEX-8单元n不能包含退化单元(例如，HEX网格中包含楔单元)n单元必须全部相连接(不能存在中点约束)n也可以利用2D-3D 转换功能将DEFORM-2D 模拟计算的网格导入3D中n保存了状态变量网格生成nDEFORM-3D 包含了用户控制自动生成四面体单元n网格生成包含以下两步n根据用户定义的单元尺寸及尺寸比生成表面网格n采用“advancing front”生成实体单元n内部单元尺寸取决于表面单元尺寸 单元生成n单元尺寸决定了几何精度n小于最小单元的折叠不能模拟n角部或者小细节处的尺寸不能小于最小单元尺寸n单元越细小，场变量(eg.应变，温度，损伤)越准确n定义单元尺寸时，应该考虑所有这些因素。网格定义nDEFORM-3D 提供两种定义网格的方法n绝对尺寸用户定义的单元尺寸系统计算的单元总数整个模拟过程中保持特定精度部件复杂程度增加，单元总数增加n相对密度用户定义单元总数系统调整单元尺寸来满足总的单元数。当部件复杂程度增加时，单元总数不变n混合方法n分配单元总数生成单元n网格重划时变为绝对密度控制单元定义n最大的单元尺寸比为最大单元与最小单元尺寸比。n权重因子(应变、应变率、温度及曲率)用于定义小单元的位置。n通常情况下，单元尺寸比为 2:1或 3:1 比较合适。n单元比过大会造成网格重划困难或者重划时间很长。大、平滑表面顶部小圆角台阶小圆角处简单几何形状网格定义n实例:1999 德国锻造工业协会(IDS)考题网格定义n自动网格细划n网格开始以全局尺寸生成n在某些特征明显处例如圆角处进行细化网格定义n圆角处网格细划网格定义n相对网格尺寸定义-20,000 单元n12,000 elements at start-0.6 to 1.6mmn13,000 elements at end-0.9 to 3.0mm网格定义n绝对网格尺寸定义 单元尺寸0.5 mmn12,000 elements at start-0.3 to 1.6mmn55,000 elements at end-0.3 to 1.3mm单元定义n单元尺寸大小应该根据对象特征要求定义n大的单元计算快，但是可能会丢失细节或者错失缺陷。n小的单元计算时间长，但是能够模拟细节。模具尖角处的尺寸最小单元定义n可以根据工具的尺寸特征定义单元尺寸nDEFORM输入:n最小的单元尺寸n尺寸比网格重划准则n模拟过程中网格发生过度扭曲时需要进行网格重划:n负 Jacobian(单元过度扭曲)n工件过度侵入模具(穿透深度)n单元边长被过度拉长或者压缩n当开始网格重划时:n计算停止n生成新的网格n场变量及边界条件由旧网格传递到新网格。n生成重启动步，重启动计算。集團沖壓技委會集團沖壓技委會单元类型nDEFORM 可以用四面体单元Tet和六面体单元（Hex,brick)n两类单元各有优缺点：四面体单元u可以更好地描述几何模型.每个单元节点较少(因此，计算量降低)u对于任意形状都可以自动划分质量较好的单元u有时候出现不规则的热和应变率行为六面体单元u能够很好地计算热和应变率行为u对于任意形状不能很好地离散u效率较低，对于同样规模的单元数，节点较多。labs1n模型修复和网格划分 課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示前处理n前处理步骤n一般设置(对象类型,温度)n几何n网格n材料n运动控制n边界条件n其他对象特性前处理n模拟控制n对象定位n对象间关系n数据检查及数据库生成材料数据nDEFORM-2D和DEFORM-3D之间，材料数据可以通用n其他的设置n数据应该含盖整个工艺范围应变 应变率温度n如果进行温度计算则需要热数据n对于弹性和弹-塑性分析，需要弹性数据运动控制n运动控制包括n恒定速度n恒定力n成形设备模型机械压力机液压机螺旋压力机锻锤n采用方向矢量定义运动方向n对于复杂工具运动进行高级控制n旋压n轧制n摆碾成形边界条件n边界条件主要用于定义n热边界条件n对称边界条件n模具应力边界条件n非对称等温过程模拟不需要任何边界条件对象特性n3D模拟中体积损失是非常显著的n如果设置目标体积（target volume），每一步都会计算体积。n目标体积（target volume）可以在运行时或者网格重新划分时计算n网格重划分时的体积补偿一般不是必须的。模拟控制n步长控制n停止控制n控制文件模拟控制n计算时间步数取决于计算模型的复杂程度 n100步 简单问题n200-400步 中等复杂n500-5000步 复杂问题n对于非常复杂的问题，由于对于发生材料脱离工具的情况，时间步长控制应该满足工具运动的距离不超过单元尺寸的1/4.停止控制n停止控制n工艺时间n主模行程n两工具参考点之间的距离n主模载荷n高级停止控制n主模最小速度n工件最大应变n最大/最小 温度控制文件nDEFORM-3D 采用两种求解算法n“Conjugate Gradient”or“CG”算法内存要求低，计算速度快，但是经常发生不收敛。n“Sparse”算法内存要求高，但是收敛较容易。n大多数计算中,DEFORM 自动在CG 和Sparse算法之间转换n对于大型问题，sparse求解器可能超出内存范围。n求解器转换控制（控制文件中）可以增加或减少单元数量。对象间关系n对象定位包括n鼠标定位n3方向的移动 n绕任意轴旋转n间隙定位n下落定位n对象之间的关系对象定位方法n鼠标定位:沿轴向拖拉物体对象定位方法n给定方向偏移nx,y,z 方向的移动距离n开始点和结束点n可以用鼠标选择点对象定位方法nInterference Positioning n确定方向n移动到与对象接触指定定位方向使用重力定位找到合适的稳定位置对象定位方法n跌落定位：主要用于不规则工件和模具的定位对象定位方法n旋转n旋转轴X,Y,or Z 轴任意轴 n键盘输入n鼠标定义2个点n旋转角度集團沖壓技委會集團沖壓技委會对象间关系n对于单变形体对象，主-从关系自动定义n刚体为主动体n变形体为从动体n对于多变形体情况，手动添加接触对象关系n如果所有的接触对之间的摩擦情况和热交换情况一样，则可以设置一个，然后选择“apply to other relations”容差带节点位置改变工具表面边界接触条件n当生成接触条件时，工具表面周围的容差带用于检查节点。生成各接触对象间关系BCC定义了不同对象之间的接触关系步骤:n定义主/从关系n定义容差带 任意从节点落在几何容差带范围内，都将调整到主动面上。“锤头”图标自动设置容差带值n生成边界条件n检查网格.网格是否发生扭曲:保存网格降低容差值，重新生成计算数据库生成数据检查n红色标记表示存在错误 不能生成数据库文件n黄色标记表示可能存在问题，可能影响计算精度或者导致计算失败，但是不影响生成数据库文件在生成计算数据库文件之前，仔细检查所有警告发生的原因。即使存在警告，也可能计算成功进行模拟计算n退出前处理器，开始进行计算 Simulation-Start Simulationn计算信息写入message文件及 log 文件n计算进行时n文件管理器显示“running”或者“remeshing”集團沖壓技委會集團沖壓技委會进行计算n计算机具有多个处理器时,DEFORM可以利用所有处理器进行并行计算n用户必须定义使用处理器的个数，具体设置“Multiple Processor”选项nDEFORM 也可以采用多个计算机或者机群进行计算。检查模拟n运行中，通过加载FOR003文件可以在后处理器中查看计算结果。n如果计算结果数据库正在更新，则查看最后一步计算结果会crash 后处理器n不要破坏模拟计算n模拟完成后nLOG文件中显示Simulation completed 信息nDEFORM 可以采用自动发送Email小结n3D 前处理与2D前处理类似n主要的差别在于n几何模型n网格生成n定位n体积补偿重启动模拟n完成工艺n增加新的操作n重新运行重启动模拟n因下列原因未完成计算n错误行程n载荷不够n计算步数太少n继续完成计算n前处理器中加载最后一步计算结果（Load the last step into the preprocessor）n重新设置计算步数，停止控制n生成计算数据库n重启动计算n模拟将按照更新后的停止控制计算增加新的操作n可以添加新的操作n改变模具n改变环境条件(例如：从空气中移动到模具上）n工件在模具上重新定位n改变移动控制n增加新的操作要求n从计算结果文件中加载恰当的计算步n导入新的工具n改变环境条件n工件和工具重新定位n重新设置停止和步长控制n生成计算数据库n运行模拟重新运行n可以在不同的条件下重新运行操作n不同模具n不同的环境n不同的边界条件n保存当前计算结果:n生成新的问题n用 File-Load Database 加载原始计算问题n作必要的修改n生成计算文件，运行模拟n覆盖当前计算结果n打开当前计算结果数据库 n做必要的修改n生成计算文件，运行模拟labs2n成形计算 課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示热传输n工件温度和温度分布的影响n材料流动n载荷n材料性能n可以计算下列过程工件温度变化n变形过程n工件在空气中的热传输n工件在工具上的热传输n模具的温度变化也可以计算热传输n包含工件的温度计算n打开模拟控制的“heat transfer”选项n添加材料的热相关数据 n热传导率n热容n辐射率n增加边界条件n与环境的热交换条件（Heat exchange with the environment）n设定工件初始温度n设定工具初始温度n设定各物体间热传输系数热传输n工具的温度可以采用两种模型n计算实际温度n假定为常数，均匀分布n工具的温度分布或温度计算需要划分有限元网格n如果设置为恒温，则不需要划分网格热传输n工具要求的数据n工具材料的热性能参数n与环境热交换边界条件n初始温度n计算工具温度可以提高工件温度计算的精度 n热表面之间的热损失较热表面与冷表面之间的热损失少；n对于划分了网格的模具，热工件将加热模具表面，从而阻止了热传输；n而对于恒温的模具，忽略了这种影响。热传输n对于全工序模拟计算时，必须考虑工件的温度情况全工序包括：n加热n空气中的运输n置模待锻n成形n停模n传递到下一工序n置模待锻n下一步成形nn运用工程经验考虑每一工步的相对影响。对称性n对于复杂零件,可以选则典型的部分进行分析，显著降低模拟计算时间；n仅对工件的典型部分建模；n对剖分截面施加对称性边界条件。对称性n利用对称性可以降低计算时间，而保持精度不变。n对称面上的点不能在垂直对称面的方向运动。对称性n生成对称部分并导入前处理器n在对称面上施加对称边界条件n不在对称面上施加热边界条件对称性n在工件上标记对称边界条件。对称性n在工具模型对称剖分面上标记对称性对称性n即使几何模型对称，非对称变形行为也不能模拟n屈曲n工件偏心定位n工件由于剪切或者变形发生扭曲n工具可以采用对称部分，也可以采用全模型n采用全模型的工具更方便n对于热计算，模具划分网格，应该采用对称模型。对称性问题小结n采用对称性可以降低计算规模和时间n大量重复特征的零件n齿轮nHex or TORX 纽扣n齿条零件n标记对称性n工具几何模型的剖切面上标记对称n工件边界上标记对称边界条件n在对称面以外的所有表面上施加热传输边界条件n在 F3中,仅在工件剖切面上施加边界条件 模具应力分析n耦合分析 vs.一步分析:n耦合分析 变形过程中将模具设为弹性.n优点:每一步都进行模具应力分析n缺点:n计算时间显著增加n角部接触时可能发生问题模具应力分析n非耦合分析(一步分析)变形分析中模具视为刚体，仅对关键步进行弹性分析.n优点:显著降低了计算时间模具应力分析n非耦合分析步骤:n采用刚性模具进行变形分析；n将关键步的计算结果导入前处理器；n将模具转换为弹性，添加恰当的支承部件及收缩环等。对模具进行网格划分，接触面采用细小的网格；n设置对称边界条件及速度边界条件，确保模具在所有的3方向约束；n将接触力由工件界面插值到模具表面；object-bccs-force-interpolaten调整误差使得模具受力和工件受力等够很好的匹配；n对模具的弹性性能进行设置；n设置恰当的主从面接触关系，生成接触节点；n对于多工具，由于涉及到接触问题，要求设置多个计算步，一般可以设置10个计算步；n生成数据库，进行计算；n为了提高精度：在边界处采用细小的网格，小时间步长。后处理器n后处理器功能n多个数据库后处理n多切片n检查折叠缺陷n填充情况labs3n结构和热耦合分析n换模n模具应力分析 課程大綱課程大綱：n1.1.DEFORM-3D简介n2.2.DEFORM-3D模拟的技术特点n3.3.几何模型处理几何模型处理n4.4.网格划分准则网格划分准则n5.5.边界条件、加载、接触设置以及重启动边界条件、加载、接触设置以及重启动分析分析n6.6.热分析、模型对称性以及模具应力分析热分析、模型对称性以及模具应力分析n7.7.工程案例演示工程案例演示labs4n齿轮盘热成形 谢谢！