集成于CAD系统的体积成形三维有限元仿真系统

对体积成形三维有限元仿真的难点:多工位体积成形中的信息传递、三维六面体网格再划分技术、三维模具几何信息的精确描述、动态边界处理等进行了总结,并实现了相应的解决技术.利用这些技术,自行开发了集成于CAD系统的体积成形三维有限元仿真系统Forming3,介绍了Forming3的主要特征.     

产品设计与仿真的集成信息模型与异构信息转化技术研究

针对目前产品设计与仿真分析系统之间的信息难以共享与重用,影响仿真效率等问题,提出了产品设计与仿真的集成信息模型与异构信息转化技术.分析了产品设计与仿真集成信息模型的结构组成,研究了三维几何建模系统、多体动力学系统、有限元分析系统,以及知识管理各系统之间的信息集成和数据转化技术,实现了产品设计与仿真分析的综合信息的集成.该方法已在产品开发中得到应用.     

激光快速成形数值模拟可视化人机对话系统设计

深入研究生死单元技术以及MSC.MARC的命令流文件后,开发了用于钛合金激光快速成形三维有限元模拟的可视化前处理和结果提取系统。简化数值模拟建模过程,使不了解MSC.MARC操作的研究人员可以方便进行快速成形的仿真分析和结果提取。该系统主要有五部分组成:建立符合规定几何形状的有限元工件和基板,材料属性,光源设置,以及后处理。通过输入相应参数可以得到MSC.MARC的命令流文件,运行该文件便可进行快速成形过程的仿真。降低钛合金激光快速成形的模拟难度,使多组参数可以轻松进行对比模拟。采用两组参数利用该系统进行实例计算,并得到满意结果。     

CAD系统与快速成形系统的直接集成方法

为避免CAD系统和快速成形系统之间采用三维模型的转换模型造成精度损失,研究了两者直接集成方案及相关技术。分析研究了CAD系统和快速成形系统的直接集成模式,指出两者集成的实时模式体现了先进制造技术的集成化发展趋势;研究了在CAD系统内部提取层片轮廓扫描数据的方法,以及实时模式下三维CAD模型对成形设备的直接驱动和运动控制;最后在聚苯乙烯泡沫材料成形机上以层片加工为例进行了试验。结果表明,CAD系统和快速成形系统之间可以避开三维CAD模型的STL格式转换等近似处理环节,从而在CAD系统内部直接驱动和控制成形设备进行加工,实现两者的直接集成。     

不同工艺参数下旋转弯管的成形性能仿真分析

传统空心构件弯曲成形方法(如拉弯成形、压弯成形、推弯成形和绕弯成形等)以及近年兴起的三维自由弯曲成形技术一次仅能加工一根管件,这些弯曲方法难以成形具有三维回转特征的管件,而且加工效率逐渐跟不上工业应用需求。本文对空间管件定/转子式回转弯曲成形技术成形的管材进行有限元仿真,分析在不同工艺参数下成形后的管材残余应力和减薄率,进而得到较好的工艺参数。     

精密成形磨齿机砂轮主轴系统的结构优化分析

以精密成形磨齿机的砂轮主轴系统为研究对象,应用基于有限元理论的ANSYS软件,建立了有限元三维仿真计算模型,研究了不同的轴承支承方式,得出了砂轮主轴静刚度与轴承刚度的非线性关系;分析了不同轴承组配方式的受力不均现象,明确了它们的优缺点;进行了基于静刚度的支承跨距优化计算,指明了跨距优化的方向;应用模态分析的方法计算出了主轴系统的各阶固有频率及其振型。基于上述研究,完成了对砂轮主轴系统的静动态特性的分析,形成了一整套的结构优化分析技术,提出了具有实际意义的结构优化意见。     

模具设计与制造过程的工艺仿真技术

介绍模具设计过程数值仿真系统，体积成形过程工艺仿真、板料成形过程工艺仿真、注塑成形过程工艺仿真以及模具设计过程工艺仿真，并推荐了部分应用软件。     

双联齿轮精锻成形工艺及数值模拟分析

针对双联齿轮的结构特点,提出了两种双联齿轮成形工艺,设计了坯料的合理形状,建立了三维有限元分析模型。通过工艺分析和不同工艺条件下的材料流动过程三维有限元动态仿真,研究了变形全过程的材料塑性变形行为、流动规律、几何尺寸变化以及成形件几何质量和缺陷等。对比有限元模拟结果发现:闭式模锻工艺齿形填充较差,产生折叠缺陷或充不满现象;挤压成形工艺齿形填充良好,是双联齿轮精锻成形的优选方案。研究结果为双联齿轮成形工艺实用化研究提供了理论指导或技术支持。     

计算机仿真技术在挤压成形工艺上的应用研究

利用计算机仿真技术研究了薄壁壳体件挤压成形工艺的优化设计方法。首先,建立三维模型,通过对模型特点的分析确定了挤压成形方法;然后利用有限元软件对挤压成形工艺参数进行模拟仿真分析;最后,通过对仿真模拟参数的综合分析并参考实际工程需求,确立了合理的挤压成形工艺参数。     

基于物质点法金属体积成形过程的仿真

针对传统有限元法开展金属体积成形分析过程中存在的网格畸变,以及在常规无网格法分析中存在的本质边界条件施加困难等问题,建立了基于物质点法金属体积成形过程的仿真模型。因其背景网格积分采用了有限元形函数,从而有效地解决了边界条件施加困难的问题。通过对圆柱顶镦和反向挤压等金属体积成形过程的仿真,并将仿真结果与实验和有限元结果进行了对比分析,结果显示物质点法不仅能有效地消除网格畸变,而且在金属发生大变形时其计算精度优于有限元法的计算精度。所得结论可为物质点法在弹塑性大变形分析中的应用提供指导。     

基于有限变形理论的二维热弹塑性有限元模拟技术的研究

采用有限变形理论,基于ＡＮＳＹＳ软件二次开发了二维有限变形热弹塑性有限元模拟系统,该系统可对轴对称和平面应变条件下的金属热成形过程坯料与模具的温度场（考虎热传导、辐射、对流和塑性功转化为热）、应力场、应变场（包括弹性与塑性应变、热应变）、金属的成形过程以及模具的受力及失效原因等进行详细的热力耦合模拟分析与优化设计。通过与圆柱体镦粗和温反挤的试验结果比较,验证了该系统的可靠性,为保证成形件质量、选择成形设备、制定合理的成形工艺、改善模具受力和提高模具寿命提供可靠依据。     

薄壁管数控弯曲成形过程有限元模拟系统的研究

建立了合理有限元分析模型,研究了有限元系统中单元的选取,边界和摩擦条件的处理,迭代收敛因子的确定以及起皱预测准则的建立等关键技术的处理。在此基础上自主开发了可预测起皱的薄壁管数控弯曲成形过程三维刚塑性有限元模拟系统。同时对该有限元系统的起皱预测结果进行了验证,并给出了一些模拟结果。     

Numerical simulation of three-dimensional bulk forming processes by the element-free Galerkin method

A new approach for simulating three-dimensional (3D) bulk metal forming processes is proposed by combining element-free Galerkin method (EFGM) with the flow theory of 3D rigid-plastic/viscoplastic mechanics. Different from the conventional rigid-plastic FEM, the velocity field is constructed by the moving least-squares (MLS) approximation. Special emphasis is placed on the treatments of essential boundary conditions, incompressibility constraint and friction boundaries. The stiffness equation for the analysis of 3D bulk metal forming using EFGM is derived and its key algorithms are given. To test the validity of the proposed meshless approach, a typical 3D upsetting forming process is analyzed and the numerical results are compared with those obtained by commercialized rigid-plastic FEM software Deform^3D. As results show, when handling 3D plastic deformations, the proposed approach eliminates the need of expensive meshing and remeshing procedures unavoidable in conventional FEM, and still provides results that are in good agreement with finite element predictions.     

斜齿圆柱齿轮冷精确成形数值模拟研究

为了降低斜齿圆柱齿轮精确成形力,在对闭式墩挤成形齿轮分析和分流锻造原理的基础上,提出了双向可控镦挤成形工艺方案,并用有限元软件Deform-3D对此工艺的成形过程进行了数值模拟分析。模拟结果表明:与传统的闭式模锻相比,可明显降低成形力,是适用于斜齿圆柱齿轮精确成形的有效工艺方案。     

金属板料渐进成形有限元仿真过程中复杂成形路径的构建方法

提出一种用于获得复杂空间运动轨迹的方法——虚拟靠模导向法。该方法借鉴了数控加工中COPY铣的思想,利用轨迹生成球在由零件派生出的虚拟靠模表面上的持续运动来模拟实际成形工具的运动过程,从而获得最终成形路径。基于该思想和简单的运动学原理,轨迹球与虚拟靠模有限元模型被构建起来。通过对计算过程进行分析,确定运用该法时适合的加载力、成形速度及计算精度的影响因素。因该法完全基于有限元模拟计算,故获得的成形路径可直接导入至后续的金属板料成形过程的模拟分析。该法已在有限元软件PAMSTAMP平台上得以实现,并主要用于金属板料渐进成形过程的有限元仿真。     

汽车发电机磁极精锻成形三维有限元模拟和工艺优化

简述了汽车发电机磁极几种典型成形工艺。基于Abaqus通用有限元软件,应用三维刚粘塑性有限元显式算法对磁极精锻成形过程进行了模拟分析,得出了变形中材料的流动状态和等效塑性应变分布规律。根据有限元模拟分析结果对磁极精锻成形工艺参数、模具结构进行了优化设计,并进行了磁极精锻成形工艺试验。试验验证了有限元模拟分析结果,并精锻成形出合格的汽车发电机磁极产品。     

Study on multiple-step incremental air-bending forming of sheet metal with springback model and FEM simulation

A mathematical model of springback radius was developed with dimensional analysis and orthogonal test. With this model, the punch radius could be solved for forming high-precision semiellipse-shaped workpieces. With the punch radius and other geometrical parameters of a tool, a 2D ABAQUS finite-element model (FEM) was established. Then, the forming process of sheet metal multiple-step incremental air bending was simulated with the FEM. The result showed that average errors of the simulated workpiece were +0.68/?0.65 mm, and provided the process data consisting of sheet feed rate, punch displacement and springback angle in each step. A semiellipse-shaped workpiece, whose average errors are +0.68/?0.69 mm, was made with the simulation data. These results indicate that the punch design method is feasible with the mathematical model, and the means of FEM simulation is effective. It can be taken as a new approach for sheet metal multiple-step incremental air-bending forming and tool design.     

不均匀压下面内弯曲成形过程的有限元模拟研究

金属板带不均匀压下面内弯曲成形,能够发展成为一种利用材料塑性变形不均匀、可充分挖掘材料成形潜力的先进塑性加工方法。然而,这方面的研究还不深入,在国内尚属开创性工作。对锥辊实现的这一成形过程,建立了刚塑性有限元模型,对模拟中需要解决的关键问题提出了算法或处理技术;在此基础上,开发了相应的模拟系统并用试验验证了其可靠性。结果表明,所开发的模拟系统可靠,从而为深入系统研究这一过程的变形机理与成形规律提供了一种有效的先进手段。     

汽车前轴精密辊锻成形过程的数值模拟

汽车前轴的精辊-模锻工艺是一种用小成形力锻造设备成形较大型前轴锻件的塑性加工技术,其工艺关键在于精密辊锻。前轴的精密辊锻分4个道次,是典型的局部成形工艺。辊锻工艺由于旋转的模具与辊锻件之间的接触区域在不断变化,一直以来成为数值模拟的难点。对4个道次的模具建立了模型,采用三维刚塑性有限元程序DEFORM-3D模拟了前轴精密辊锻工艺,分析了辊锻过程中金属变形的规律,研究了模具参数对成形质量的影响以及辊锻力矩的变化规律。模拟结果对于改进辊锻工艺设计、提高模具设计水平具有指导作用。     

基于渐进优化的锻造预成形优化设计研究

体积成形的预成形设计及优化是金属多工序成形设计领域的难点之一,也是获得高质量产品的关键。借鉴渐进结构优化(Evolutionary structural optimization,ESO)的思想,并考虑体积成形特点,建立一种针对体积成形预成形设计的方法——拓扑优化法,并详细给出该方法的优化策略、单元增删准则、插值处理等关键技术。利用自行开发的优化程序,结合DEFORM-2D有限元模拟软件,以理想充填模膛、改善锻件变形均匀性为目标,以静水压力的大小作为单元的增删准则,对开式模锻下轴对称结构的盘形锻件预成形几何外形进行优化设计。优化结果表明,该方法算法原理清晰明确,实现方便,整个过程集成化以后,从模拟到优化均可实现自动进行,运行效率高,同时也有较高的优化精度,预成形结构比较理想。