DEFORM_2D和DEFORM_3DCAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用

DEFORM-2D和DEFORM-3D CAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用

林新波

(上海交通大学塑性成形工程系,上海　200030)

摘　要:介绍了塑性变形有限元分析软件DEFORM的模块结构,并通过实例分析介

绍了此软件在应力、应变分布、载荷计算、点的跟踪、模具填充、缺陷分析和缺陷预防

等方面的应用。

关键词:DEFORM软件;有限元分析;塑性变形

中图分类号:TG113.25+3　　文献标识码:A

Abstract:In this paper,the m odule structure of DEFORM is described sim ply.S ome typical

applications are analyzed to dem onstrate the feasibility of DEFORM in simulating metal plastic

deformation such as the distribution of effective stress and effective strain,calculation of load2

stroke,tracing of point,fill of m ould,analysis and prevention of defect.

K ey w ords:DEFORM s oftware;FE M analysis;plastic deformation

0　引言

最近几年,随着计算科学的快速发展和有限元技术应用的日益成熟,C AE技术模拟分析金属在塑性变形过程中的流动规律在现实生产中得到愈来愈广泛的应用。C AE技术的成功运用,不仅大大缩短了模具和新产品的开发周期,降低了生产成本,提高企业的市场竞争能力,而且有利于将有限元分析法和传统的实验方法结合起来,从而推动模具现代制造业的快速发展。

1　DEFORM系统简介

DEFORM(Design environment for forming)是由美国Battelle C olumbus实验室在八十年代早期着手开发的一套有限元分析软件。早期的DEFORM-2D软件只能局限于分析等温变形的平面问题或者轴对称问题。随着有限元技术的日益成熟,DEFORM软件也在不断发展完善,目前,DEFORM软件已经能够成功用于分析考虑热力耦和的非等温变形问题和三维变形(DE2 FORM-3D),此外,DEFORM软件可视化的操作界面以及强大而完善的网格自动再划分技术,都使DEFORM这一商业化软件在现代工业生产中变得愈来愈实用而可靠。

　　收稿日期:1999-06-16

　　作者简介:林新波(1973～),男,硕士研究生。

2　DEFORM软件的模块结构

DEFORM-2D和DEFORM-3D的模块结构基本相同,都由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成,不同的是DEFORM-2D自身可以制作简易的线框模具,DEFORM-3D不具备实体造型能力,但它提供一些通用的C AD数据接口,如IGES和ST L接口。

2.1　前处理器

前处理器包括三个子模块(1)数据输入模块,便于数据的交互式输入,如:初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。(2)网格的自动划分与自动再划分模块。

(3)数据传递模块,当网格重划分后,能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递,从而保证计算的连续性。

2.2　模拟处理器

真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的,DEFORM运行时,首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组,然后通过直接迭代法和Newton-Raphs on法进行求解,求解的结果以二进制的形式进行保存,用户可在后处理器中获取所需要的结果。

2.3　后处理器

后处理器用于显示计算结果,结果可以是图形形式,也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的(1)有限元网格;(2)等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图;(3)速度场;(4)温度场;(5)压力行程曲线等。此外用户还可以列点进行跟踪,对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察,并可根据需要抽取数据。

3　DEFOM-2D和DEFORM-3D实例分析

3.1　镦粗

为了评估DEFORM-2D和DEFORM-3D的计算结果,现将一镦粗过程分别在2D与3D平台上进行模拟计算,虽然在网格划分上有些不同,但两者在材料流动、应力、应变分布、行程载荷方面的计算结果都显得十分吻合。

图1,2和图3,4分别为圆柱在DERORM-2D与DEFORM-3D平台上的网格变形图(圆柱起始高度(step1)为30,镦粗后(step50)为15),图5,6为应力分布等高线,图7,8为应变分布等高线,图9为各示意图等高线数据,将图示形状和数据大小进行比较,如图5对应等高线Ⅰ数值为1.7878,图6对应等高线B数值为1.7440,其结果非常接近。图10为1/4圆柱在3D平台上的压力行程曲线,从图示可得最大载荷约为6.8t,图11为整个圆柱在2D平台上的压力行程曲线,图示可得最大载荷约为28t,约为前者的4倍,整个计算结果的比较都显得非常接近。

图1　二维镦粗初始网格划分(step=1)　　图2　三维镦粗初始网格划分(step=1)

图3　二维镦粗过程中的网格(step=50)　　　图4　三维镦粗过程中的网格(step=50)

图5　二维等效应力分布图(step=50)　　　　　　图6　三维等效应力分布图(step=50)

图7　二维等效应变分布图(step=50)　　　　　　图8　三维等效应变分布图(step=50)

图9　等效应力、应变等高线对应值

图10　DEFORM-3D1/4圆柱三维镦粗压力行程曲线　图11　DEFORM-2D圆柱平面镦粗压力行程曲线

3.2　点的跟踪与缺陷分析

下面实例为一铝件的正向挤压模拟,实际生产中,当变形量达到一定的程度,在零件后端中心会出现凹状缩孔。

图12以有限元网格的形式显示了挤压过程中金属的流动情况,在难变形区,网格会自动进行重划分,在图示中可以明显观察到网格的畸变和重划分情况,整个变形过程共进行了12次网格自动重划分。

图13则对配料表面三个点进行点的跟踪,当变形量达到一定程度时,可以明显观察到表面上的点开始向中心转移,从而导致凹状缩孔的形成,从点的移动情况可以看出,适当地控制变形量可以阻止缺陷的形成。

3.3　极爪零件的温镦成形

极爪是汽车发动机电极零件,它的成形过程:首先将一圆形坯料温镦成形获取枝丫状毛坯,然后对枝丫进行剪切和弯曲,获取最终产品,其中,将枝丫尺寸镦挤到位是成形的关键。由于变形体有6个爪,且形状对称,故只选取工件的1/12进行模拟。成形材料:08F钢,初始坯料尺寸:<31.4mm×21.6mm,冲头速度:120mm/s,温度:700℃,摩擦系数:0.15。

初始网格如图14,它是由DEFORM-3D自动生成的四面体单元网格,对变形剧烈的区域预先实行网格局部细化分,该网格包括1406个节点和5678个单元。

从变形过程网格的重划分情况(如图15,16)可以看出,材料的难变形区在模具的入口处,在此处材料发生剧烈变形,离开入口处后,材料变形趋向均匀,网格分布也比较均匀。另外,对

图12　个别迭代步的网格生成与网格的自动再划分

图13　变形过程点的跟踪

毛坯变形过程的破坏程度进行分析,发现靠近枝丫末端处破坏因子较大且呈层状分布(如图17),说明变形过程中,上层的金属流动较下面的快,结果在金属内部形成拉应力,随着变形程度的加剧,拉应力增大,破坏程度也随着增大,但是破坏因子的数值比较小,在D等高线处数值仅达到0.0760,尚不会引起裂纹。

4　结论

利用类似DEFORM等有限元软件,模拟分析金属的流动规律,有利于帮助设计人员优化

工艺参数和模具设计,减少模具的前期开发费用,其健壮而有效的有限元代码,方便而可行的

图14　坯料初始网格(step =1)　图15　中间成形步网格(step =20)　图16　终了成形步网格(step =77)图17　损伤程度等高线(step =50)前后模拟处理器,以及现在愈

来愈快的工作站都大大减少

了设计人员的工作量,从而有

利于缩短模具的设计开发周

期。

但是,对于一些复杂的工

艺过程进行模拟时,模拟过程

的计算量会很大,可达几个星

期甚至几个月,有时这种模拟

是很不经济的,为此,可根据

实际需要对模拟过程做适当的简化,以期在较短的时间内获取所需的主要信息。下面一些假设是在有限元模拟中常用的一些简化方法。

(1)用等温变形代替非等温变形。这种假设能够获取基本数据,常用于变形过程对温度变化不非常敏感的材料,如碳素钢等;另外,也适用于变形速度比较快,模具冷却效果不明显的场合,如机械压力机锻造或者螺旋压力机锻造等。

(2)忽略模具上一些次要的几何特征。例如,忽略零件上定位槽的几何形状,不会对金属的流动产生明显的影响,但是,这种简化却能大大减少计算时间以及网格重划分的次数。

(3)确定适当的网格数目,合理的分配网格密度。网格数目过多或者过少都不利于有限元的模拟计算,可根据零件变形情况,适当的预设定网格数目,并对变形剧烈的区域预先实行细划分,可大大减少计算时间。

显而易见,为了保证模拟过程的不间断性,网格的自动划分与再划分技术,网格密度分布的自动优化技术,以及新旧网格间数据的自动传递技术在有限元代码中是必需的。参考文献:

[1]　T aylan Altan ,Markus K noerr.Application of the 2D Finite E lement Method to S imulation of C old -F orging Processes

[J ].Journal of Materials Processing T echnology ,1992,35:275～302.