有限元分析(精品).ppt
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1、材料成型计算机模拟课程性质、研究内容材料成型计算机模拟课程性质、研究内容性质:性质:实用性、实践性非常强实用性、实践性非常强综合性、分析性要求很高综合性、分析性要求很高具有一定的数值分析理论要求具有一定的数值分析理论要求前期课程基础,塑性成形原理、凝固原理、铸造工艺前期课程基础,塑性成形原理、凝固原理、铸造工艺学、锻造工艺学、冲压工艺学学、锻造工艺学、冲压工艺学三维三维CADCAD软件要求,软件要求,Pro/E/Catia/UG/SolidWorks/SolidEdgePro/E/Catia/UG/SolidWorks/SolidEdge 材料加工系材料加工系研究内容研究内容:对实际材料成形问
2、题进行分析,优化工对实际材料成形问题进行分析,优化工艺方案,优化模具结构,精确成形,控艺方案,优化模具结构,精确成形,控制质量制质量锻造过程模拟锻造过程模拟铸造过程模拟铸造过程模拟焊接过程模拟焊接过程模拟热处理过程模拟热处理过程模拟微观组织演变模拟微观组织演变模拟(凝固、再结晶、相变凝固、再结晶、相变)研究方法:研究方法:数值模拟法数值模拟法有限单元法、有限体积法有限单元法、有限体积法(差分法差分法)理论基础:理论基础:弹塑性力学、流体力学弹塑性力学、流体力学什么叫做数值模拟?数值模拟数值模拟(Numerical Simulation):是指用有限单元法、有限差分法以及其它是指用有限单元法、有
3、限差分法以及其它各类求解微分方程组的数值方法,或者利各类求解微分方程组的数值方法,或者利用分子动力学、第一性原理等原子尺度的用分子动力学、第一性原理等原子尺度的数值方法来模拟实际的物理过程,从而获数值方法来模拟实际的物理过程,从而获得该物理过程中各类物理量的演变规律,得该物理过程中各类物理量的演变规律,取得定量的物理参量。宏观层次可模拟材取得定量的物理参量。宏观层次可模拟材料形状变化、速度、应力、应变和温度等料形状变化、速度、应力、应变和温度等物理参量的变化,微观层次可模拟组织演物理参量的变化,微观层次可模拟组织演变、晶粒形核生长、相变、晶界运动、位变、晶粒形核生长、相变、晶界运动、位错运动等
4、。错运动等。物理模拟物理模拟物理模拟(Physical Simulation):是指把实际物理模型按比例缩小或放大,是指把实际物理模型按比例缩小或放大,用试验模型来代替原实际物理模型,再用试验模型来代替原实际物理模型,再现材料在加工成形过程中形状的变化、现材料在加工成形过程中形状的变化、热、力等物理参量的变化以及微观组织热、力等物理参量的变化以及微观组织演变,从而揭示材料在热加工过程中的演变,从而揭示材料在热加工过程中的组织与性能的变化规律,为合理制订加组织与性能的变化规律,为合理制订加工工艺和研制新材料提供理论指导和技工工艺和研制新材料提供理论指导和技术依据。术依据。数值模拟作用?数值模拟在
5、材料热加工领域的应用,将使材料加工由数值模拟在材料热加工领域的应用,将使材料加工由经验经验走向走向科学科学,由,由定性定性走向走向定量定量,彻底改变热加工的落后面貌,彻底改变热加工的落后面貌。金属材料热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程,难以直接观察。在这个过程中,材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶以及应力应变等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。我们必须控制这个过程使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态,必须使缺陷减到最小或将它驱赶到危害最小的地方去。但这一切都不能直接观察到,间接测试也十分困难。通过
6、数值模拟和物理模拟,在实验室动态仿真材料的加工过程,预测实际工艺条件下材料的最后组织、性能和质量,进而实现加工工艺的优化设计。它将使材料加工沿此方向由“经验”走向“科学”,并为实现虚拟制造迈出第一步,使机械制造业的技术水平产生质的飞跃,促进我国装备制造业的发展。是预测并保证材料热加工过程质量的先进手段,特别是预测并保证材料热加工过程质量的先进手段,特别对确保关键大件一次制造成功,具有重大的应用背景对确保关键大件一次制造成功,具有重大的应用背景和效益和效益。我国重大机电设备研制、生产的一个难点是大件制造;大件制造的关键又是热加工。我国在2015年以前,水电、火电、核电、冶金、矿山、石化、高速铁路
7、等重大机电设备对关键大件制造均有迫切的需求。由于大件形大体重,品种多,批量小,生产周期长,造价高,迫切要求“一次制造成功”,一旦报废,在经济和时间上都损失惨重,无法挽回。由于传统的热加工工艺设计只能凭经验,采用试错法,无法对材料宏观、微观组织结构的演化进行理想控制,因而发生多次大件报废的惨痛事故,投入使用的大件,也难以消除缩孔、缩松、夹杂、偏析、热裂、冷裂、混晶等缺陷,很多大件带伤运行。建立在工艺模拟、优化基础上的热加工工艺设计技术,可以将“隐患”消灭在计算机模拟的反复比较中,从而确保关键大件一次制造成功,为国家创造巨大的经济和社会效益。课程教学内容课程教学内容:第一章第一章 绪论绪论 第二章
8、第二章 有限元法有限元法基本概念基本概念 第三章第三章 弹塑性有限元法弹塑性有限元法基本理论与模拟方法基本理论与模拟方法 第四章第四章 刚塑性有限元法刚塑性有限元法基本理论与模拟方法基本理论与模拟方法 材料加工系材料加工系课程教学内容课程教学内容:第一节第一节 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述 第二节第二节 材料加工材料加工过程有限元模拟方法的基本内容过程有限元模拟方法的基本内容材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论一、材料加工一、材料加工过程分析方法概述过程分析方法概述 材料加工过程特点材料加工过程特点 材材料料加加工工过过程程伴伴随随很很大
9、大的的弹弹塑塑性性变变形形,并并具具有有较较强强的的非非线线性性(材材料料非非线线性性、几几何何非非线线性性、边边界界非非线线性性),以以及及复复杂杂的的边边界界条条件件,成成形形过过程程难难于于用用数数学学关关系系式式加加以以描描述述,使使得得人人们们长长期期以以来来只只能能通通过过采采取取简简化化、假假设设,并并借借助助于于实实验验、经经验验数数据据、图图解解和和模模型型等等将将难难以以精精确确求求解解的的数数学学力力学学问问题题变变为为实实际际工工程程问问题题,以以求求解解一一些些重重要要的的变变形形参参数数,如如力力、应应力力、应应变变和和温温度度等等,这这样样就就产产生生了了各各种种
10、近近似似程程度度和和适适用用范范围围都都有有所所不同的近似分析和数值方法、经验不同的近似分析和数值方法、经验/解析法和经验法等。解析法和经验法等。第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述 材料加工过程分析方法材料加工过程分析方法解析法数值法实验实验/解析法解析法经验法经验法主应力法主应力法、能量法、能量法、滑移线法、上限法滑移线法、上限法有限差分法、有限差分法、上限单元法上限单元法、有限元法、边界元法有限元法、边界元法相似理论法、相似理论法、视塑性法视塑性法试验技术法、试验技术法、统计法统计法材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础一、材料加工
11、一、材料加工过程分析方法概述过程分析方法概述数值模拟数值模拟 应应用用数数值值分分析析方方法法来来描描述述某某过过程程的的一一些些特特性性的的变变化化情情况况,对对材材料料加加工工而而言言,就就是是对对变变形形体中质点的流动规律和应力、应变分布等与成形过体中质点的流动规律和应力、应变分布等与成形过 程相关的物理量进行定量描述。程相关的物理量进行定量描述。物理模拟物理模拟v物理模拟是以相似理论为物理模拟是以相似理论为基础的实验分析方法基础的实验分析方法v塑性成形物理模拟一般包括两方面:塑性成形物理模拟一般包括两方面:(1)材料加工过程的物理化学现象和性能;材料加工过程的物理化学现象和性能;(2)
12、材料加工过程中位移、应变和应力等力学、数学内容,主要研究不同的约束材料加工过程中位移、应变和应力等力学、数学内容,主要研究不同的约束条件、加载方式变形体内的应力、应变特征和材料流动规律等。条件、加载方式变形体内的应力、应变特征和材料流动规律等。v常用的方法有:常用的方法有:(1)机械式的网格法、层状材料法等;机械式的网格法、层状材料法等;(2)光学式的云纹法、光光学式的云纹法、光塑性法、光敏涂层法、全息法等。塑性法、光敏涂层法、全息法等。v将物理模拟和数值模拟结合将物理模拟和数值模拟结合,是材料加工及其理论研究的有力手段。是材料加工及其理论研究的有力手段。材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数
13、值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述一、材料加工一、材料加工过程分析方法概述过程分析方法概述物理模拟物理模拟v因数值模拟方法在模拟体积成形时还不完善,有许多问题还未得到很好解决,如因数值模拟方法在模拟体积成形时还不完善,有许多问题还未得到很好解决,如三维模拟的实用化,复杂几何形状如模具型腔、焊缝等网格自动剖分技术,计算三维模拟的实用化,复杂几何形状如模具型腔、焊缝等网格自动剖分技术,计算量大等问题,所以数量大等问题,所以数 值模拟不可能完全取代物理模拟。值模拟不可能完全取代物理模拟。v随着先进的计算机技术不断应用于物理模拟的控制与测试,物
14、理模拟的水平也得随着先进的计算机技术不断应用于物理模拟的控制与测试,物理模拟的水平也得到极大的提高,模拟精度大大改善。到极大的提高,模拟精度大大改善。v目前,物理模拟方法在欧美科研和企业界取得了引人注目的进展,而且在某些制目前,物理模拟方法在欧美科研和企业界取得了引人注目的进展,而且在某些制造领域内占主要地位,例如汽车行业内的大量冷锻造领域内占主要地位,例如汽车行业内的大量冷锻 (冷挤压冷挤压)生产和近净形零件生产和近净形零件精密成形都是以物理模拟为主进行分析。欧盟的许多塑性加工科研攻关项目都采精密成形都是以物理模拟为主进行分析。欧盟的许多塑性加工科研攻关项目都采用物理模拟为主要手段,兼以数值
15、模拟和实测实验。用物理模拟为主要手段,兼以数值模拟和实测实验。材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法主应力法主应力法v将变形体分解成若干个单元体,假定每个单元体内部应力均匀分布,通过联将变形体分解成若干个单元体,假定每个单元体内部应力均匀分布,通过联解近似平衡微分方程和塑性平衡方程,获得成形力;解近似平衡微分方程和塑性平衡方程,获得成形力;v主应力法忽略了摩擦力对内部应力分布的影响,计算精度不高,且不能提供主应力法忽略了摩擦力对内部应力分布的影响,计算精度不高,且不能提供
16、材料内部变形的详细信息。材料内部变形的详细信息。平面镦粗使作用在基元体上的应力平面镦粗使作用在基元体上的应力材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法能量法能量法v以能量最小原理为理论基础以能量最小原理为理论基础,通过求解能量平衡方程,得到平均应力;通过求解能量平衡方程,得到平均应力;v分析简单的材料加工问题时比较实用,对于复杂的问题,由于速度关系分析简单的材料加工问题时比较实用,对于复杂的问题,由于速度关系方程过于繁琐,其用途受到限制。方程过于繁琐,其用途受到限制。材料加工
17、过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法滑移线法滑移线法v根据变形体内部各点最大剪应力轨迹成对正交的原理建立滑移线场,根据变形体内部各点最大剪应力轨迹成对正交的原理建立滑移线场,利用某些利用某些特性求解特性求解塑性变形材料内部的应力场和速度场,塑性变形材料内部的应力场和速度场,确定变形体内的应力分布、计确定变形体内的应力分布、计算变形力和分析变形等,仅适用于理想刚塑性体的平面应变和轴对称问题,算变形力和分析变形等,仅适用于理想刚塑性体的平面应变和轴对称问题,不不能用于求解非平面变形
18、问题或具有硬化效应的材料加工问题。能用于求解非平面变形问题或具有硬化效应的材料加工问题。v适用范围:适用范围:(1)求得的塑性区可以很好地与真实塑性区相符合,因为刚塑性求得的塑性区可以很好地与真实塑性区相符合,因为刚塑性材料模型,求得的结果大多只能是定性的;材料模型,求得的结果大多只能是定性的;(2)可借助于滑移线场计算局部速可借助于滑移线场计算局部速度和材料流动;度和材料流动;(3)适于计算局部应力状态,用于获得应力上下界;适于计算局部应力状态,用于获得应力上下界;(4)可由可由局部量通过积分计算力、功和功率等。局部量通过积分计算力、功和功率等。v尽管理论上滑移线法能精确提供应力分布,但通常
19、情况下计算结果与实验数据尽管理论上滑移线法能精确提供应力分布,但通常情况下计算结果与实验数据还存在较大差距。还存在较大差距。材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法 滑移线法滑移线法 平平面面长长方方形形压压头头减减化化二二维维塑塑性性流流动动模模式式材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法上限法上限法v基于理想塑性材料的极值原理基于理想塑性材料的极值原
20、理(如虚功率原理或塑性功极大值原理如虚功率原理或塑性功极大值原理),在变形,在变形体内建立一个动可容速度场,计算变形功率。运动学许可速度场满足速度边界体内建立一个动可容速度场,计算变形功率。运动学许可速度场满足速度边界条件和体积不变条件,静力许可应力场满足静力边界条件和平衡条件。条件和体积不变条件,静力许可应力场满足静力边界条件和平衡条件。v以运动许可的速度场为基础时,得到功率的上限值,从静力许可应力场出发,以运动许可的速度场为基础时,得到功率的上限值,从静力许可应力场出发,得到功率的下限值。可由上限值和下限值来限定正确解的范围,在相应的原理得到功率的下限值。可由上限值和下限值来限定正确解的范
21、围,在相应的原理表达式中考虑一个或多个参数,并将其不断变换,直至相应的上限值或下限值表达式中考虑一个或多个参数,并将其不断变换,直至相应的上限值或下限值达到一优化值。但变换并不总能导致材料流动达到一优化值。但变换并不总能导致材料流动(速度速度)或应力有好的描述,因或应力有好的描述,因为优化量是功率,而不是局部目的量。为优化量是功率,而不是局部目的量。材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法上限法上限法v适用范围:适用范围:(1)除了计算功率外,如果速度函数或应力函数能很好地
22、接近真除了计算功率外,如果速度函数或应力函数能很好地接近真实实情况,还可有效地计算局部量,如应变、温度、应力,但需要大的计算工作量;情况,还可有效地计算局部量,如应变、温度、应力,但需要大的计算工作量;(2)上限法可以在很简单的、耗费不大的速度场下计算出所需的力、上限法可以在很简单的、耗费不大的速度场下计算出所需的力、功功和功率和功率等参数,但这些速度场并不适于描述真实材料流动或局部过程参数。等参数,但这些速度场并不适于描述真实材料流动或局部过程参数。v通常变形体只存在着有限个数的动可容速度场,变形过程愈复杂,建立动可容通常变形体只存在着有限个数的动可容速度场,变形过程愈复杂,建立动可容速度场
23、愈加困难,上限法只有在求解边界条件简单的问题才能显示出优越性。速度场愈加困难,上限法只有在求解边界条件简单的问题才能显示出优越性。材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述二、二、解析分析方法解析分析方法 上限法上限法 平冲头压入半无限大体平冲头压入半无限大体材料加工过程材料加工过程数值模拟基础数值模拟基础第一章第一章 绪绪 论论 1.1 材料加工过程分析方法概述材料加工过程分析方法概述三、三、数值分析方法数值分析方法有限差分法有限差分法(Finite Difference Method)v有限差分法的基本
24、思想是将求解区域划分为网络,有限差分法的基本思想是将求解区域划分为网络,通过适当的途径将控制微分方程离通过适当的途径将控制微分方程离散化为用差分近似表示的关系式,即差分方程,并将定解条件离散化。建立差分格式散化为用差分近似表示的关系式,即差分方程,并将定解条件离散化。建立差分格式后就把原来的偏微分方程的定解问题化为代数方程组,通过解代数方程组,得到定解后就把原来的偏微分方程的定解问题化为代数方程组,通过解代数方程组,得到定解问题的解在离散网络上的近似值组成的离散解,应用插值方法便可从离散解得到解问问题的解在离散网络上的近似值组成的离散解,应用插值方法便可从离散解得到解问题在整个定解区域上的近似
25、解。题在整个定解区域上的近似解。当结点数较多时,近似解的精度能够得到保证。当结点数较多时,近似解的精度能够得到保证。v有限差分法求解有一大体固定的模式,有较强的通用性,但是在应用这种逼近方法时有限差分法求解有一大体固定的模式,有较强的通用性,但是在应用这种逼近方法时会遇到许多相当困难的数学问题,如精度、稳定性与收敛性等。会遇到许多相当困难的数学问题,如精度、稳定性与收敛性等。v主要用于区域形状较为规则的问题,区域几何形状复杂时计算精度往往有所降低,但主要用于区域形状较为规则的问题,区域几何形状复杂时计算精度往往有所降低,但对于某些问题,有限差分法有其独到的优势,时至今日,有限差分法在流体力学等
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