De棒材热挤压过程模拟

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1、铜陵学院课程实验报告实验名称棒材热挤压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10材控（2）.姓名彭建新.学号1010121064.2012 年04 月23日实验二 棒材热挤压过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉 DEFORM 软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的 模拟操作。深入理解并掌握 DEFORM 软件分析热挤压的塑性变形力学问题。1.2 实验内容运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜（DIN_CuZn40Pb2）棒挤压过程（已知：坯料90x25mm）。（一）挤压条件与参数5 960 1525图1棒材热挤压示意图挤压工具：尺寸如图所示，材质

2、DIN-D5-1U,COLD，温度350。坯料：材质 DIN_CuZn40Pb2，尺寸98X60，温度 630。 工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数0.1。二）实验要求(1) 运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以st格式输 出；(2) 设计模拟控制参数；(3) DEFORM 前处理与运算；(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) 运用DEFORM后处理FlowNet (流动栅格)功能观察金属流动的不均匀性， 说明原因；(6) 提交分析报告(纸质和电子版)、模拟数据文件、日

3、志文件。2 实验过程2.1 挤压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、挤压模、挤压 垫、挤压筒的几何实体，文件名称分别为 extrusion workpiece， extrusion die， extusion mandrel， extusion dummy block， extusion chamber。输出 STL 格式。说明：上述几何形体尽量在一个空间体系下用相对尺寸绘制，保证它们的装配 关系；所有实体造型都要在空间体系的第一象限内，即几何点的坐标值非负。2.2 挤压模拟1 前处理2建立新问题：注：单位制度选择：点击Simulation C

4、onrol按钮TMain按钮T在Units栏中选 中SI (国际标准单位制度)。3. 添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“workpiece、“top die、“bottom die和“object 4，在 Object Name 栏中填入 extrusion workpieceT点击 Change 按钮T点击geometry T点击importT选择extrusion workpiece.stl实体文件T打开；重复操作， 依次添加 extrusion die， extusion mandrel， extusion dummy block， extusion chamber。4. 定义对象的

5、材料模型5. 模拟控制设置6. 实体网格化说明：工模具不作分析，可以不进行网格划分。7. 设置对象材料属性：在对象树上选择extrusion workpieceT点击 MeterialT点击 otherT选择DIN-CuZn40Pb2T点击Assign Meterial完成材料属性的添加；8. 设置主动工具运行速度:在对象树上选择extusion dummy blockT点击MovementT 在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项T在Directiont选中主动工具运行， 如-Yt在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constant，填入数度值，如10mm

6、/s；9. 工件体积补偿：在对象树上选择 extrusion workpieceT点击PropertyT在Target Volume卡上选中Active选项T点击Calculate Volumer按钮tt点击Yes按钮T勾选 Compensate during remeshing10.边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮T在对话框上选择extrusion workpiece一extusion dummy blockT点击 Edit 按钮T点击 Deformation 卡 Friction 栏 上选中 Shear 和 Constant 选项，填入摩擦系数或选择摩擦类型如 Ho

7、t Forging (Lubricated) T点击ThermalT选中Constant选项，填入传热系数或选择传热类型 如Fomging T点击Close按钮T如此重复，依次设置其它接触关系T点击Generate all按钮点击tolerace按钮T点击0K按钮完成边界条件设置；保存k文件：在对象树上选择extrusion workpieceT点击Save按钮T点击保存 按钮T保存工件的前处理信息T重复操作，依次保存各工模具的信息。2.2.1 生成库文件2.2.2 退出前处理程序在工具栏上点击Exi按钮，退出前处理程序界面。2.2.3 模拟运算在主控程序界面上，单击项目栏中的 stick e

8、xtrusion.DB 或 tuble extrusion.DB 文 件T单击Run按钮，进入运算对话框T单击Start按钮开始运算T单击Stop按钮停 止运算T单击Summary, Preview, Message, Log按钮可以观察模拟运算情况。2.3 后处理模拟运算结束后，在主控界面上单击 stick extrusion.DB 或 tuble extrusion.DB 文 件T在Post Processor栏中单击DEF0RM-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

9、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

10、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。(8) 流动网格分析：点击Flow Net按钮，在对话框中分别选择Starting step和 Ending step 的数值，点击 Next，选择 Surface net，点击 Next，选中 Parallel，点击 Next，确定起点平面、终点平面，输入方向矢量和分割面的数量，点击Next，点击 Finish，生成金属流动网格数据，点击播放按钮查看流动格变化情况，如图3所示。3 实验结果与分析3.1黄铜挤压变形过程CSte;pStep 100匚匸4图2黄铜挤压的变

11、形过程3.2黄铜挤压过程中温度变化在整个挤压过程中，中部的温度分布比较均匀且较高，因为工件中心不与空气 和挤压模具接触，散热和传热都很少；远离挤压垫一端的温度最高，而与挤压垫相 接触的一端温度最低，主要是由于在挤压过程中与挤压垫接触的一端存在着热交换, 散热较快，使温度降低，不接触的一端在整个过程中金属流动较激烈，且因传热不 好和时间短，温度较接触端高且变化不大。Sir勺常5-1- 图3黄铜挤压变形过程中温度变化3.3黄铜挤压终止时最大应力分布图4挤压终止时最大应力分布从图中可以清晰地看出，中间部位应力分布较均匀，且数值较大，为三向压应 力状态，从中还可以看出挤压过程中应力最大的位置出现在工件

12、刚刚进入挤压模的 位置，因为在此处由于工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不均匀变形也 最大，在此处将产生较大的附加应力。在挤压筒与工件的接触部位残余应力和应力都影响最小。3.4黄铜挤压终止时最大应变分布黄铜挤压终了最大应变分布如图5所示。从上图 中可以清晰的看出，在整个挤压过程中应变最大的位 置出现在工件刚刚进入挤压模的位置，此时工件部的 主变形量最大，也即应变最大。中间位置应变其次， 中心内部位应变较小，两端应变最小。3.5黄铜挤压终止时损伤系数分布如图6所示胚料破坏系数几乎分布均匀，且为0。理论上随 着坯料变成程度的增大，在变形区出破坏应该最大，这是坯 料在变形区变形程度很大，晶体发

13、生畸变，破坏其点阵结构 从而产生破坏。另外，由于物体变形协调性会使变形区对周 围金属产生附加应力，从而在变形区出存在附加拉应力，使 坯料破坏。而本次模拟效果不是很明显，可能是由于挤压模 设计不合理，摩擦力小和不当的操作有关，也可能与deform 软件有关。图5挤压终止时最大应变分布图6黄铜挤压终止时的损伤分布3.6挤压过程中载荷曲线从图中可以看出，从0-4.05秒，上模的载荷曲线 为0，在此时间段内，挤压垫与圆棒还未接触。4.05 秒至6.08秒整个挤压过程的成型载荷总体上是沿直 线逐渐增加的趋势，这是因为主延伸变形随着压出制 品长度的增加而增大，而挤压力与主延伸变形量大小 大致成正比，然而变

14、形过程中应变不均匀造成曲线有 点小起伏；随着挤压过程的进行，工件和挤压模的接 触面积越多，则受挤压模具的摩擦力就会逐渐增大， 同时还会受到金属内部原子的相互作用力，金属流动 越来越困难，要求的挤压力也越大。在6.08秒后， 出现了一段上下起伏的曲线，原因可能时在模拟时计 算机计算不了原始网格划分而进行的网格重划分。3.7点追踪分析3.7.1点追踪最大应力分布Laid Pt*c4c: 口耳rsKj图7黄铜挤压过程中载荷=ai3i |e-n-图8点追踪最大应力分布图从图8可以看出，应力分布不均匀，且变化幅度较 大，因为在挤压过程中工件的变形区部位有很大的不 均匀变形，同时附带了大量的残余应力，残余

15、应力在 整个工件上的分布也是不均匀的，所以也就出现了如 图所示的情况。从上图中可以分析出坯料表面的一直 处于三向压应力状态，变形比较均匀。3.7.2点追踪最大应变分布从图9点追踪最大应变分布图可以看出，应变整 体上市呈上升趋势，由于挤压过程中变形不断增 加，故各处的最大应变均呈现出上升趋势3.7.3点追踪破坏系数分布从上图10可以看出，破坏系数的变化趋势整体是 增大的，因为随着挤压过程的进行工件的应变越 来越大，不均匀变形也越严重，同时残余应力也 增加，金属内部晶格畸变也是越来越严重，则挤压 变形的进行旧越容易破坏，所以工件的破坏系数是 逐渐增加的。3.8.4点追踪温度分析此次试验，挤压后，胚

16、料的温度均匀几乎不变，因 而温度分布系数为一条纵坐标为0的曲线。与理论 上有差别，可能是因为挤压产生的热量不足以产生 显著地温度变化造成的。CnmiEftrrelFort TrKInt说沁I图9点追踪最大应力分布图rglrt rnrig图10挤压终止时破坏系数分布3.9流动栅格4实验小结通过本次模拟，是我学会了怎样去设计挤压模具，挤压工艺基本流程，挤压参数。 采用DEFORM三维有限元模拟软件，能够准确地计算黄铜挤压过程中的挤压力、温度、 挤压速度、应力和应变，输出便于观察的各种等值线图，形象地展示黄铜热挤压变 形过程，并精确地揭示变形过程中各参数的演变规律。通过这次实验，验证了挤压 变形的特

17、点，即挤压过程变形不均匀，应力分布也不均匀。把书本的知识应用到模 拟当中，使我对课本的知识有了更进一步的理解。本次模拟棒材热挤压训练，使我熟悉并掌握AUTOCAD、DEF0RM-3D 、OFFICE(Word、 Excel)等软件的实用方法，同时也提高了专业知识和计算机技术综合分析问题、解 决问题的能力。学习并掌握了 DEFORM-3D软件的实用的环境，学会了使用DEFORM-3D 进行简单的材料成型模拟,DEFORM-3D是模拟3D材料流动的理想工具。在模拟过程中，部分模拟试验结果与里理论不符，这是 DEFORM 软件的缺点之 一。因此，我们应该将理论模拟和实际试验相结合，一方面可以减少费用，节约人 力物力，一方面又实事求是，尊重事实，以事实为基础。