金属塑性成形过程模拟大学.docx
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金属塑性成形过程模拟大学
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ΔH=30mm,摩擦系数μ=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:
ρ=8.9×103㎏/m3;
弹性模量:
E=120×109Pa;
泊松比:
μ=0.33;
屈服极限σ=75×106Pa;
Cr12MoV
密度:
ρ=7.854×103㎏/m3;
弹性模量:
E=220×109Pa;
泊松比:
μ=0.28;
屈服极限σ=750×106Pa;
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)
Solid8node185;Contact—3Dtarget170(刚性面);
Contact—8ndsurf174(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elementattribute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UtilityMenu/File/ChangeJobname命令,弹出【ChangeJobnanme】对话框,在Enternewjobname中输入新工作文件名changbo,单击OK按钮,关闭对话框。
2)选择UtilityMeum/File/ChangeTitle命令,出现【ChangeTitle】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/InActiveCs命令,出现【CreatKeypointsinActiveCoordinateSystem】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/StraightLine命令,弹出【CreatStraightLine】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UtilityMenu/PlotCtrls/Numbering命令,在弹出的【PlotNumberingControls】对话框中将Linesnumbers和Keypointnumbers改为on,其余默认。
选择UtilityMenu/Plot/Lines命令,使当前窗口显示线。
4)选择Preprocessor/Modeling/Creat/Lines/Atangletoline命令,弹出【Straightlineatangletoline】对话框,选择5号线,单击OK;然后选择5号点,单击OK;在Angleindegrees中输入30,结果如图6所示。
图6创建角度线
5)选择Preprocessor/Modeling/Delete/LinesOnly命令,弹出【DeleteLinesOnly】对话框,选择6号线,单击OK;选择Preprocessor/Modeling/Delete/Keypoints命令,弹出【DeleteKeypoints】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/LineFillet命令,弹出【LineFillet】对话框,选择4号线7号线,弹出【LineFillet】对话框,选择4号线和7号线,单击Apply按钮,在Filletradius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/ByLines命令,弹出【CreatAreasbyLines】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/By2Corners命令,弹出【RectangleBy2Corners】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/InActiveCs命令,弹出【CreatKeypointsinActiveCoordinateSystem】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/AboutAxis命令,弹出【SweepAreasAxis】对话框。
单击PickAll按钮,在弹出对话框中拾取点100和点101,单击OK按钮,在Arclengthindegrees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/ElementType/Add/Edit/Delete命令,弹出【ElementTypes】对话框。
2)单击Add按钮,出现【LibraryofElementTypes】对话框。
在LibraryofElementTypes的第一个列表中选择StructuralSoild,在第二个列表框中选择Brick8node185,单击Apply按钮。
3)重新在LibraryofElementTypes第一个列表中选择Contact,在第二个列表框中选择3Dtarget170,单击Apply按钮。
4)重新在LibraryofElementTypes第一个列表框中选择Contact,在第二个列表框中选择8ndsurf174,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/RealConstants/Add/Edit/Delete命令,弹出【RealConstants】对话框,单击Add按钮,在Type2TARGE170下点OK,在弹出对话框中点击OK;在Set1下单击Add按钮,选择Tpye3CONTA174,点击OK按钮,在RealConstantSetNo.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/MaterialProps/MaterialModels命令,弹出【DefineMaterialModelBehavior】对话框。
2)在MaterialModelsAvailable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【LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1】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MaterialModelsAvailable一栏中双击Structural选项中的Nonlinear选项,接着双击Inelastic选项,再双击RateIndependent选项,然后双击IsotropicHardeningPlasticity选项,接着双击MisesePlasticity选项,最后双击Bilinear选项,弹出【BilinearIsotropicHardeningforMaterialNumber1】对话框,在YieldStss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【DensityforMaterialNumber1】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FrictionCoefficient选项,弹出【FrictionCoefficientforMaterialNumber1】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Newmodel,定义第二组材料性能参数。
7)在MaterialModelsAvailable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【LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber2】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MaterialModelsAvailable一栏中双击Structural选项中的Nonlinear选项,接着双击Inelastic选项,再双击RateIndependent选项,然后双击IsotropicHardeningPlasticity选项,接着双击MisesePlasticity选项,最后双击Bilinear选项,弹出【BilinearIsotropicHardeningforMaterialNumber1】对话框,在YieldStss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【DensityforMaterialNumber1】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FrictionCoefficient选项,弹出【FrictionCoefficientforMaterialNumber1】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smallsize挑勾。
2)选择UtilityMenu/Plot/SpecifiedEntities/volume,NV1输入2,NINC输入2点击OK,选择ElementAttributes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ElementAttributes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ElementAttributes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ElementAttributes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UtilityMenu/PlotCtrls/Numbering命令,在弹出的【PlotNumberingControls】对话框中将Areanumbers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/ContactPair命令,弹出【ContactManager】对话框。
单击ContactWizard命令,在弹出的对话框中单击PickTarget按钮,输入19,点击Apply按钮;点击Next,在弹出的对话框中单击PickContact按钮,输入16,点击Apply按钮;点击Next,点击Optionalsettings选项,选择Friction,将Stiffnessmatrix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/ContactPair命令,弹出【ContactManager】对话框。
单击ContactWizard命令,在弹出的对话框中单击PickTarget按钮,输入15,点击Apply按钮;点击Next,在弹出的对话框中单击PickContact按钮,输入8,9,10,11,12,点击Apply按钮;点击Next,点击Optionalsettings选项,选择Friction,将Stiffnessmatrix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/ContactPair命令,弹出【ContactManager】对话框。
单击ContactWizard命令,在弹出的对话框中单击PickTarget按钮,输入23,点击Apply按钮;点击Next,在弹出的对话框中单击PickContact按钮,输入21,点击Apply按钮;点击Next,点击Optionalsettings选项,选择Friction,将Stiffnessmatrix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/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/
OnAreas命令,弹出【ApplyU,ROTonAreas】命令,选择凹模下表面5,单击OK按钮,弹出对话框中选择ALLDOF,在VALUE文本框中输入0,单击OK。
2)选择Solution/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/
SymmetryB.C./OnAreas命令,弹出【ApplySYMMonAreas】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/DefineLoads/Apply/Structural/Displacement/
OnAeas命令,弹出【ApplyU,ROTonAreas】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/AnalysisType/NewAnalysis命令,出现【NewAnalysis】对话框。
在Typeofanalysis中选择Static,单击OK按钮,关闭该对话框。
2)选择Solution/AnalysisType/Sol′nControls命令,弹出【SolutionControls】对话框。
将AnalysisOptions改为LargeDisplacementStatic,将Timeatendofloadstep改为20,Automatictimestepping改为on;在Numberofsubsteps中输入45,在Maxno.ofsubsteps中输入360,在Minno.ofsubsteps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/CurrentLS命令,出现【SolveCurrentLoadStep】对话框,同时出现【StatusCommand】窗口,选择File/Close命令,关闭该窗口。
单击SolveCurrentLoadStep对话框中的OK按钮,ANSYS开始计算求解。
4)求解结束时,出现Solutionisdone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GeneralPostproc/ReadResults/LastSet命令。
2)选择GeneralPostproc/PlotResults/DeformedShape命令,弹出【PlotDeformedShape】对话框,选择Def+undefedge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GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolution命令,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,选择NodalSolution/DOFSolution/Y-Componentofdisplacement,查看工件Y方向位移,如图23所示。
图23Y方向位移图
4)选择GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolution命令,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,选择NodalSolution/Stress/vonMisesstress,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GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/NodalSolution命令,弹出【ContourNodalSolutionData】对话框,选择NodalSolution/PlasticStrain/vonMisesplasticstrain,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GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/ElementSolution命令,弹出【ContourElementSolutionData】对话框,选择ElementSolution/Stress/vonMisesstress,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GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/ElementSolution命令,弹出【ContourElementSolutionData】对话框,选择ElementSolution/PlasticStrain/vonMisesplasticstrain,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GeneralPostproc/PlotResults/ContourPlot/ElementSolution命令,弹出【ContourElementSolutionData】对话框,选择ElementSolution/ElasticStrain/vonMiseselasticstrain,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UtilityMenu/PlotCtrls/Animate/DeformedShape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UtilityMenu/PlotCtrls/Animate/DeformedResults命令,弹出【AnimateNodalSolutionData】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
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