Morfeo多过程加工变形仿真技术

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1、 Morfeo 多过程加工变形仿真技术多过程加工变形仿真技术技术交流系列之技术交流系列之-基于切削过程的基于切削过程的物理仿真技术物理仿真技术 内容提要uMorfeo仿真软件简介u传统过程仿真存在的局限uMorfeo软件的特点u仿真过程简介u结束语 航空领域客户航空领域客户 汽车制造业汽车制造业铁路和造船业铁路和造船业 重工业重工业能源能源 一、一、MorfeoMorfeo软件简介软件简介-部分客户部分客户比利时比利时Cenaero 有限元软件：有限元软件： Morfeo (Manufacturing ORiented Finite Element tOol 制造业定向有限元工具制造业定向有限

2、元工具Morfeo主要应用方向主要应用方向: 机械加工机械加工 焊接和热处理焊接和热处理 附加制造附加制造 热成型热成型 和过程链接和过程链接. 大量真实的工业案例大量真实的工业案例 基于当前发展水平的持续累积基于当前发展水平的持续累积 专门为高端应用而开发专门为高端应用而开发 一、一、MorfeoMorfeo软件简介软件简介设计设计材料材料AA5024 板材板材 前舱壁(FB) 起落架舱(LGB)减轻重量: 低密度热成型热成型节约时间和成本:无淬火无应力消除无时效处理仿真仿真机加工机加工节约时间和成本:减少变形（降低残余应力）仿真仿真 加工挑战加工挑战一、一、MorfeoMorfeo软件简介

3、软件简介-完整的加工链模拟仿真完整的加工链模拟仿真Morfeo model3D symmetry + clamping system 400,000 nodes (1,600,000 DOFs) Parallel simulation 32 processorsComputation time: 2 hours热成型热成型 铣槽加工铣槽加工夹具固定夹具固定铣槽加工完成铣槽加工完成去掉夹具去掉夹具前舱壁的加工前舱壁的加工热成型热成型-机加工机加工 (链链) 一、一、MorfeoMorfeo软件简介软件简介-完整的加工链模拟仿真完整的加工链模拟仿真Morfeo model3D symmetry +

4、 clamping system 400,000 nodes (1,600,000 DOFs) Parallel simulation 32 processorsComputation time: 2 hours 一、一、MorfeoMorfeo软件简介软件简介-完整的加工链模拟仿真完整的加工链模拟仿真前舱壁的加工前舱壁的加工热成型热成型-机加工机加工 (链链)热成型热成型夹具固定夹具固定 铣槽加工铣槽加工铣槽加工完成铣槽加工完成去掉夹具去掉夹具机械加工的目标机械加工的目标:变形扭曲最小化变形扭曲最小化缩短加工时间缩短加工时间最大程度延长机床、工具寿命最大程度延长机床、工具寿命国际标准代码兼容

5、性的验证国际标准代码兼容性的验证MorfeoMorfeo的专长是通过仿真对以下因素进行验证的专长是通过仿真对以下因素进行验证: :仿真机械加工顺序对零件变形的影响仿真机械加工顺序对零件变形的影响仿真可获得加工后的形状仿真可获得加工后的形状/ /厚度厚度仿真过程可对零件夹具进行设置仿真过程可对零件夹具进行设置原生支持多核计算，处理速度快，无需专门授权原生支持多核计算，处理速度快，无需专门授权仿真速度快，右下图所示零件机械加工变形仿真分析时间仅仿真速度快，右下图所示零件机械加工变形仿真分析时间仅为为2 2小时左右小时左右输出输入输入Morfeo输出 一、一、MorfeoMorfeo软件简介软件简介

6、-MorfeoMorfeo的仿真优势的仿真优势传统的有限元分析的局限：传统的有限元分析的局限：预测变形扭曲的原因预测变形扭曲的原因 ( (越来越多的复杂因素越来越多的复杂因素):): 逆残留应力的释放逆残留应力的释放 ( (锻造、铸造等锻造、铸造等) ) 刀具和工件的振动刀具和工件的振动 ( (常说的物理现象常说的物理现象) ) 夹具和刀具的转向力夹具和刀具的转向力 加工过程中残余应力的减少加工过程中残余应力的减少 ( (局部作用局部作用) )二、传统过程仿真存在的局限二、传统过程仿真存在的局限在加工开始，无平衡等效的应力场在加工开始，无平衡等效的应力场 最大值最大值.初始残余应力初始残余应力

7、: 220 MPa在加工结束时的变形、扭曲在加工结束时的变形、扭曲传统的有限元分析的局限：传统的有限元分析的局限：扭曲、变形的各种原因扭曲、变形的各种原因, , 包括包括: :q 消除残余应力消除残余应力q 加工过程的切削力作用加工过程的切削力作用仿真必须正确的复制整个操作顺序，也就是说加工路径、加工顺序、加仿真必须正确的复制整个操作顺序，也就是说加工路径、加工顺序、加工次数、和材料去除的的位置等工次数、和材料去除的的位置等必须用比较容易的方法，通过几何图形定义（包括参数）：比如使用必须用比较容易的方法，通过几何图形定义（包括参数）：比如使用CATIACATIA从一个加工过程到另一个加工过程，

8、自动转换程序从一个加工过程到另一个加工过程，自动转换程序 ( (输入变成输出，输入变成输出，. . ) )用初始状态定义所有路径，而且不能根据工件的变形而改变用初始状态定义所有路径，而且不能根据工件的变形而改变! !无法自动优化无法自动优化二、传统过程仿真存在的局限二、传统过程仿真存在的局限传统的有限元分析受到的限制传统的有限元分析受到的限制: :工件的网格划分必须适合切削路径工件的网格划分必须适合切削路径 ( (使用复杂的网格再划分技术使用复杂的网格再划分技术) )多工序加工的主要问题多工序加工的主要问题: :独立的确定之前操作的切削路径独立的确定之前操作的切削路径 ( (在初始刀路时工在初

9、始刀路时工件在变形状态件在变形状态) ) 需要大量网格再划分需要大量网格再划分多次转换后变得更棘手多次转换后变得更棘手二、传统过程仿真存在的局限二、传统过程仿真存在的局限优先次序优先次序Machining simulation with Morfeo预测: 残余应力造成的变形扭曲残余应力造成的变形扭曲加工过程中，刀具工件的振动加工过程中，刀具工件的振动夹具和刀具产生的转向力夹具和刀具产生的转向力 加工导致的残余应力减少加工导致的残余应力减少关注: 最终产品形状及品质最终产品形状及品质 生产优化生产优化 减少工业生产时间减少工业生产时间 为概念设计提供帮助为概念设计提供帮助三、三、 Morfeo

10、Morfeo软件技术特点软件技术特点三、三、MorfeoMorfeo软件技术特点软件技术特点-多工序加工仿真多工序加工仿真工件的网格划分适合切削路径工件的网格划分适合切削路径对于多工序加工的主要问题对于多工序加工的主要问题: :确定与之前的操作无关的切削路径确定与之前的操作无关的切削路径(当刀具路径在初始状态时工件处于变形的结构当刀具路径在初始状态时工件处于变形的结构) =需要大量的网格再划分需要大量的网格再划分用商业有限元软件包处理用商业有限元软件包处理两个工步之间的转换，两个工步之间的转换，会变得非常麻烦会变得非常麻烦5mm0.3mm1mm0 mmMorfeo Morfeo 是首先在工业上

11、应用是首先在工业上应用使用初始或变形网格划分，单独确定不同的切削路径。使用初始或变形网格划分，单独确定不同的切削路径。用一个标注距离的界面来描绘路径，就是用一个标注距离的界面来描绘路径，就是: the level-set (LS): the level-set (LS)LSLS（ level-set level-set）的数量是不受限制的）的数量是不受限制的需要初始压力说明需要初始压力说明三、三、MorfeoMorfeo软件技术特点软件技术特点-多工序加工仿真多工序加工仿真 三、三、MorfeoMorfeo软件技术特点软件技术特点-仿真过程简洁仿真过程简洁输入输入 ( (所需信息所需信息) )

12、 加工前工件的几何图形加工前工件的几何图形 加工次序加工次序 ( (比如比如: :切削面几何图形或机器的数字命令切削面几何图形或机器的数字命令) ) 材料参数材料参数( (杨氏模量杨氏模量, , 泊松比泊松比) ) 残余应力场残余应力场 ( (格式格式: Forge, Abaqus,: Forge, Abaqus, )输出输出 变形云图变形云图( (最终的几何形状最终的几何形状) ) 残余应力场残余应力场四、仿真过程简介四、仿真过程简介用morfeo 建立仿真模型分两个阶段第一阶段第一阶段 预处理阶段预处理阶段这个准备工作不在morfeoGUI用户界面里完成. 建好的几何模型和网格文件生成的切

13、削路径和工件最终的设计模型的网格文件；Material材料参数（属性）也准备好，包括残余应力第二阶段第二阶段 仿真项目创建及后处理阶段仿真项目创建及后处理阶段在 morfeoGUI用户界面里完成. 载入工件网格文件 和制定的材料属性和残余应力 载入的切削路径（已制定好顺序的）的网格文件决定加工顺序 规定边界条件 在morfeoGUI用户界面开始仿真. 每一工序的加工操作的结果被输出 后处理从morfeoGUI用户界面导出四、仿真过程简介四、仿真过程简介-预处理阶段预处理阶段这一阶段包含以下内容:u准备材料文件u准备切削路径的网格文件u准备工件的网格文件u准备残余应力场以下操作可不在morfeo

14、环境里完成为了填写材料文件，需要文本编辑器 (比如vim, notepad等)毛坯的几何建模和切削路径的几何建模（一般用CatiaV5等）网格文件的生成 (比如用CatiaV5/FMS-FMD, Gmsh).残余应力场可由morfeo生成 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-材料预处理材料预处理在所有的加工过程中，假设加工模拟的材料是个向同性和线弹性的.模型也是在恒温状态因此只需要两个恒定的材料参数 弹性系数(E) 和泊松比 (v)这两个参数被写入材料文件 用extension .mat extension .mat 格式 语法描述见morfeo的使用手册第6章（材料）的介绍.alloy.mat

15、使用文本编辑器 (比如. vim, notepadvim, notepad)是为了填写所需的材料参数语法描述在 morfeomorfeo 的手册文件里保存格式是是 extension .mat extension .mat 或 alloy.mat alloy.mat.没有单位指定，值应该与 morfeoGUImorfeoGUI 的一样(参看使用手册3.1章).切削路径的切削路径的 网格文件网格文件Gmsh 网格化网格化切削路径的切削路径的 STEP 文件文件 CAD 模型模型切削路径的切削路径的 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-切削路径预处理切削路径预处理根据最终的零件生成切削路径文件. 他

16、们被网格化并以Gmsh本身的格式导出网格文件.这里是用先进建模工具和 Gmsh.生成切削路径文件的流程 CAD 模型模型最终零件的最终零件的 切削路径的切削路径的网格划分文件网格划分文件切削路径的网格文件必须遵循以下限制条件: (1) 三角形网格文件(2) 网格尺寸一致 (3) 方向一致(4) 每个切削加工对应单独的网格文件.几何建模几何建模3-4小时小时建立网格文件建立网格文件 1-2小时小时Gmsh 转换转换 1小时小时没有建立没有建立网格文件网格文件1小时小时1-2小时小时5-7小时小时 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-切削路径网格划分预处理切削路径网格划分预处理模拟加工需要每一道加工

17、操作的网格文件 每个网格文件是要代表在相应的操作过程中去除材料的轮廓11 个孔个孔.5个个 槽槽.以右边图形为例，在这个例子中, 操作是铣槽、钻孔和铣面请看插图,有五个槽被去除，11个钻孔和一个铣面,因此需要生成17个网格文件网格划分时需遵循一下规则:仅有统一的网格尺寸和方向的三角形元每个网格文件对应每个加工工序Gmsh 自己的格式或兼容的网格文件格式 (比如Nastran) 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-残余应力场数据获取预处理残余应力场数据获取预处理零件残余应力通常用钻孔或X-射线法测量获得, 通过一个给定的应力的典型分布估计(定量数据)或通过超声波测得, 或从上一级的加工仿真获得（定

18、量数据)如果不考虑零件原始毛坯状态下下的初始应力，则初始应力场是以以夹具系统为基础确定的，对于本例来说，采用虎钳进行装夹，与源自成形过程的残余应力的影响相比较，这些应力被认为是可以忽略的夹具图.无论任何情况下, 残余应力作为一个文件必须提供，文件格式是Gmsh 的后处理格式extension .pos. 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-残余应力场数据获取预处理残余应力场数据获取预处理残余应力可通过软件自带的编辑器输入各方向受力数据，也可通过模拟获得。残余应力场可以打开, 形象化并且可以用Gmsh内置的后处理模型修改单轴抗压应力场的第二个轴向组件 (2.4-A)用 Gmsh (ToolsPlu

19、ginsMathEval).直观的展示米赛斯压力结果来自夹具系统的数值仿真 (2.4-B) 用Gmsh(ToolsPluginsSmooth)直观展示受力数据输入 四、仿真过程简介四、仿真过程简介-仿真项目创建及后处理阶段仿真项目创建及后处理阶段这一阶段包含以下内容 :u初始化的制造加工文件u载入工件网格文件u设定材料性能u指明残余应力u载入切削路径网格文件u规定边界条件u所需的数据导出1. 打开 morfeoGUI 点击Machining1.点击 Component scale (global)1. 命名一个加工和选取单位制 (参看 HelpUnit systems 的解释)1. 保存加工文

20、件 (FileSave)1 4.1 建立模拟建立模拟:初始值初始值234 4.2 建立模拟建立模拟: 工件工件211. 点击Workpiece1.浏览文件载入工件网格文件并点击OK 网格文件取决于网格文件展示选项 (看 ToolsOptionsMeshVisibility).命名点击选 all 是为了指定整个网格文件的材料浏览文件载入材料文件4.3 建立模拟建立模拟: 材料材料121. 点击Assign Material（选定材料）1. 指定材料并选定网格文件材料区域被用红色标注选择压力作为输入场浏览文件载入压力文件选择场的网格文件匹配工件的网格文件，如果压力场文件在工件的网格文件里定义(比如

21、 2.4-2 章节.). 保留它unselected otherwise (比如 2.4-1 章节.)点击 OK 4.4 建立模拟建立模拟: 残余应力残余应力211. 点击 Initial Conditions（初始条件）1. 指明材料并指定它的网格文件命名浏览加载相适合的网格文件如果需要，反转方向点击 Add path （增加路径）为了定义下一个切削路径 并执行相同的操作步骤点击 OK 完成 4.5 建立模拟建立模拟: 切削路径切削路径21 1. 点击 Define Cutting Paths（定义切削路径）1. 指明一个切削路径当切削路径网格文件载入时，箭头表示它们的方向，方向必须当切削路

22、径网格文件载入时，箭头表示它们的方向，方向必须展示这个边将保留。如果需要，它可以是反向的展示这个边将保留。如果需要，它可以是反向的 4.5 建立模拟建立模拟: 切削路径切削路径Orientation is inverted片段展示工件（蓝色）和两个切削路径（红色）铣面是第一道加工工步相应的网格文件的定向是反向的，没有展示出方块的底部部分铣槽是第二道加工工序 定向方向不是反向的命名选择分析区域选择方框和方框中心的坐标系选择 Constant Fixation（固定恒定）和位移组件中心值为这个边界条件选择 cutting paths切削路径是active活动的点击增加BC（边界条件）并且执行相同的

23、操作步骤 去定义另一个边界条件点击OK完成 4.6 建立模拟建立模拟: 边界条件边界条件211. 点击 Boundary Conditions（边界条件）1. 指明一个边界条件第二个边界条件的定义工件的相对的边的一部分 4.6 建立模拟建立模拟: 边界条件边界条件Box for the first boundary condition defines a portion one side of theworkpiece. 图示两个边界条件所有的自由度是约束在工件的两个相对的面的一部分，在切削加工期间他们是活跃的场格式: 位移, 受力, 压力, 张力: Paraview, Compressed

24、binary压缩的二进制码频率 : 加工后的Browse 浏览选择输出结果的目录点击 OK完成 4.7 建立模拟建立模拟: 输出输出211. 点击 Export （输出）1. 指定数据输出, 连同格式和频数4.7 建立模拟建立模拟: 总结总结(4)残余应力场和切削路径网格文件(1)(3)(4)如图morfeoGUI 所示:(1) 工件和切削路径的网格文件(2) 切削加工顺序(3)为所有的切削加工激活边界条件 4. 8 展开仿真展开仿真2131. 点击Check/write input (.dat)1. 点击Run single process1. 点击From registered proce

25、ss1. 点击Submit4浏览结果目录打开 pvd 文件.每个切削加工有两个 pvd 文件 (变形前后的网格文件） 4.9. 后处理仿真结果后处理仿真结果211.转换Processes （过程）到 Post-Processing（后处理）1. 点击打开Paraview 软件中模拟的结果Paraview 片段图最后一步的工件网格 五五. 结束语结束语u目前根据我们接触到的商品化物理仿真软件来看，Morfeo软件应该是第一个商品化的基于多过程加工变形仿真的物理仿真软件，而目前Third Wave System软件一直宣传的变形分析仿真模块DM到现在也没有正式发布；u根据软件厂商的介绍，该软件给我们的最大感受是其变形仿真过程不侧重具体材料的切除工艺或方法（勿论使用插铣、型腔铣还是电火花等方式），主要关注材料去除的区域与形状(宏观层面）。因此其计算速度快，能反映零件的整体变形趋势，可能更适合工程化应用；u由于目前还没有得到该软件的使用版本，后续我们将继续跟踪该软件的发展趋势，有机会请该软件的代理厂商为我们进行典型案例应用验证，目前处于接洽状态中。