金属塑性成形有限元模拟中材料体积变化

金属塑性成形的一个基本条件就是体积不变,但有限元模拟过程中又必然存在体积变化,从而影响了模拟精度和模拟结果。分析讨论了影响材料体积变化的三个主要因素：有限元网格变形及网格重划、增量步长、惩罚因子,并给出了相应的控制方法。     

刚塑性有限元模拟中罚因子的取值

在采用罚函数法的刚塑性刚粘塑性有限元模拟中,罚因子的大小代表对金属体积变化的惩罚的强弱程度,取值不当将影响模拟精度和解的收敛性。本文通过实际计算分析了罚因子与体积变化之间的关系,并提出了一种简单有效的方法,来确定罚因子的合理取值范围。     

金属塑性有限元模拟算法研究

论述了金属塑性成形过程中有限元模拟的Markov变分原理和刚塑性本构方程;阐述了数值模拟中的离散化和线性化算法及刚性方程的求解方法.由整体刚度方程求解节点速度增量,结合有限元网格划分形函数,得到有限元模拟的应力场与应变场及应变率增量.此外,给出了刚塑性有限元模拟的步骤和算法发展趋势.在刚度方程求解时,仍需要一种快速收敛算法,同时保证模拟精度要求.     

淬火过程中温度、组织及应力/应变的有限元模拟

为了找到淬火过程中零件产生不规则扭曲变形的原因,选择了H型截面零件为研究对象,建立了相应的有限元分析模型,利用自开发的淬火过程有限元模拟软件对温度、组织和应力/应变进行了耦合分析.通过有限元模拟,得到了温度变化、相变及相变塑性对残余应力及淬火变形的影响,给出了零件内部弹性区及塑性区的演变过程.分析结果表明:零件在淬火过程中经历"弹性-塑性-弹性-塑性-弹性"的演变过程;在淬火过程中,相变塑性导致零件发生不均匀、无规律的扭曲变形.     

基于全量理论的金属体积成形多步数值模拟

运用一种基于全量理论的多步有限元方法计算分析了金属体积成形过程.该方法针对刚塑性不可压缩材料,在静力平衡条件下以约束变分原理通过最小化近似塑性势能进行有限元求解.多步模拟在各中间构形的虚拟滑动约束下沿变形路径进行分步迭代计算,考虑了接触和变形历史,能够快速模拟较复杂的体积成形问题.运用该方法对几个典型金属体积成形过程进行了正向一步和多步数值模拟,将计算结果与增量有限元法计算结果进行了比较.结果表明:在计算金属体积成形过程中,基于全量理论的多步有限元模拟能够在大大缩短计算时间的同时获得与增量法计算结果相比偏差小于10%的计算结果.     

塑有限元模拟中材料体操损失的控制方法

简单介绍在塑性有限元方法中引入成形过程材料体积不变条件方法的基础上，针对目送２塑性有际元模拟软件中存在的材料体积损失的问题，研究了影响体积损失的因素及其关系，给出了减少体积损失的措施。     

电磁平板自由胀形3D数值模拟(英文)

电磁成形是一种高速率成形方法,它能够有效提高金属板材的成形极限。但是电磁成形过程复杂,涉及到磁场?结构场之间的耦合分析。数值模拟提供一种手段去解决耦合问题。然而,大多数的数值模拟都限于2D。建立3D有限元模型去分析电磁平板胀形。成形过程中考虑了板料与底模的接触和板料变形对磁场的影响。板料中心节点和半径20mm处节点的位移随着时间的变化与实验结果一致。分析了塑性应变能和塑性应变。     

弓状线形镍钛形状记忆合金的应力和相变数值模拟

利用有限元分析软件MSC．MARC,建立了弓状线形镍钛合金模型,完成了当合金受一定变形量和温度变化过程中各节点、各单元的应力变化和材料相变的模拟,得出了变形过程中马氏体的体积率和等效应力的分布。结果发现在最大变形处合金马氏体的体积率和等效应力也出现最大值。     

基于有限元分析的摩擦系数测定

在塑性体积成形有限元模拟中,摩擦模型和摩擦系数的确定是一个关键问题.本文采用圆环镦粗法研究体积成形中摩擦系数的确定.利用有限元分析确定一组摩擦系数标定曲线,用圆环镦粗试验确定圆环内径变化率百分比与圆环高度压缩百分比关系曲线.通过曲线对比得到模具材料和成形材料之间的摩擦系数.针对6A02CZ材料在钢模具中体积成形时6A02CZ材料与钢之间的摩擦系数进行确定,6A02CS材料在无润滑剂和润滑油做润滑剂两种情况下的摩擦系数分别为0.325和0.3.研究表明,采用有限元方法和圆环镦粗试验相结合的方法更适合塑性体积成形中的有限元分析.     

刚塑性无网格方法中精度影响因素的研究

将无网格方法引入金属塑性成形过程分析,基于刚塑性材料假设,采用移动最小二乘法对速度场进行逼近,利用变换法施加本质边界条件,实现了金属塑性成形过程的无网格方法模拟。在此基础上,结合典型锻造过程分析实例,重点研究了应用无网格方法分析金属塑性成形问题时,诸如:基函数、正交化与否、权函数、权函数影响域大小、积分方案、高斯积分阶次、节点分布密度以及针对体积闭锁问题而提出的体积应变率映射方法等对于模拟精度和效率的影响规律,给出了提高无网格模拟精度和效率的影响因素的选择方法。     

基于有限元和最优化方法的淬火冷却过程反传热分析

淬火过程换热系数的求解是反向热传导问题中的一种不适定和非线性问题．本文提出了一种求解淬火过程随温度变化的换热系数的新方法,该方法把有限元方法引入反向热传导问题,根据实验测量的温度曲线,结合使用最优化方法中的进退法和试探法确定合理的边界换热系数．为了使进退法适用于该类反传热问题,对其算法进行了改进,并用其确定换热系数优化的搜索区间,然后用试探法(黄金分割法)在搜索区间内找到换热系数的最佳值．在计算过程中,利用有限元法可以方便地计算出各个单元在整个过程的相变情况,得到各单元在相应时间段所产生相变潜热,并将各单元的相变潜热与单元温度场进行耦合计算．     

基于全量理论的体积成形快速模拟算法研究

基于全量理论,提出一种新的体积成形快速有限元模拟方法。该方法采用刚塑性本构模型,以罚函数处理体积不可压缩条件,考虑几何非线性问题,以简化的等效形式处理外力边界条件。基于约束变分原理,推导出全量有限元计算方程。运用该方法对镦粗成形过程进行了一步正向模拟,得到了坯料内部的应变场和应力场,并且与增量有限元方法计算结果进行了比较。结果表明,该方法计算结果可靠,计算效率显著提高。     

Forging preform design with shape complexity control in simulating backward deformation

This paper presents a preform design method which employs an alternative boundary node release criterion in the finite element simulation of backward deformation of forging processes. The method makes use of the shape complexity factor which provides an effective measure of forging difficulty. The objective is to release die contacting nodes in a sequence which will minimize the geometric complexity throughout the backward deformation simulation. This is done by calculating the effect of releasing each of a select group of boundary element nodes at each finite element solution step. The particular detached node which results in the minimum shape complexity factor will be released for the current step. This process continues for each backward step until the last few nodes remain in contact. This design method is demonstrated through the simulated forging of an integrated blade and rotor turbine disk blank. A preform shape developed by this method is compared with an empirically designed preform. Performance parameters for comparison include die fill, flash volume, effective strain variance, frictional power and die load. Comparing the results of the forward simulations indicates improved performance of the preform design using FEM based backward deformation method over that of the empirical design.     

ANALYSIS OF THREE-DIMENSIONAL UPSETTING PROCESS BY THE RIGID-PLASTIC REPRODUCING KERNEL PARTICLE METHOD

A meshless approach, called the rigid-plastic reproducing kernel particle method （RKPM）, is presented for three-dimensional （3D） bulk metal forming simulation. The approach is a combination of RKPM with the flow theory of 3D rigid-plastic mechanics. For the treatments of essential boundary conditions and incompressibility constraint, the boundary singular kernel method and the modified penalty method are utilized, respectively. The arc-tangential friction model is employed to treat the contact conditions. The compression of rectangular blocks, a typical 3D upsetting operation, is analyzed for different friction conditions and the numerical results are compared with those obtained using commercial rigid-plastic FEM （finite element method） software Deform^3D. As results show, when handling 3D plastic deformations, the proposed approach eliminates the need of expensive meshing and remeshing procedures which are unavoidable in conventional FEM and can provide results that are in good agreement with finite element predictions.     

无网格法在板料冲压成形数值模拟中的应用

基于移动最小二乘法近似函数和以有限元网格作为积分背景网格的无网格法理论，对板料冲压成形过程进行了数值模拟，利用罚函数法引入本质边界条件处理成形过程中的接触摩擦问题，并将模拟结果与有限元法计算结果进行对比，结果表明：无网格伽辽金法的计算结果与有限元法计算结果基本吻合，无网格伽辽金法作为新兴的数值计算方法，具有前后处理简单，精度高等特点，为板料冲压成形的数值模拟提供了一种有效的新方法。     

双辊薄带连铸结晶辊热变形研究

利用热力耦合有限元方法,对薄带连铸结晶辊的温度场和热变形进行研究,给出了浇注温度、浇注速度和冷却水流量对结晶辊温度场和热变形的影响规律,并利用有限元方法设计了初始辊形,有效地改善了铸带厚度的均匀性.