三維金屬體積成形過程有限元模擬若干關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、金屬體積成形工藝就是將金屬材料，在鍛壓設(shè)備及安裝在其上的模具作用下發(fā)生塑性變形，成形為所需形狀和性能工件的工藝過程，金屬體積成形工藝主要包括鍛造、擠壓、軋制、輥鍛、楔橫軋等。在工業(yè)生產(chǎn)中，金屬體積成形制造技術(shù)是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國防建設(shè)的主要技術(shù)之一，在汽車、航天航空、裝備制造、兵器、能源、造船等行業(yè)具有廣泛用途。金屬體積成形技術(shù)具有產(chǎn)品機(jī)械性能好、生產(chǎn)效率高、節(jié)省原材料等優(yōu)點(diǎn)，但是同時也具有模具成本高、生產(chǎn)周期長、浪費(fèi)能源、污染環(huán)境等

2、缺點(diǎn)。在全球“低碳經(jīng)濟(jì)”和“節(jié)能減排”的大形勢下，如何揚(yáng)長避短，適應(yīng)新的發(fā)展形勢，成為金屬體積塑性加工技術(shù)研究新的任務(wù)和要求。
　　 金屬體積成形過程是一個受多因素影響的復(fù)雜物理過程，材料性能、模具形狀、毛坯形狀、工藝參數(shù)、成形溫度等對成形過程都有影響，這使其工藝和模具設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜，傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通常會帶來設(shè)備、材料和時間浪費(fèi)的弊端。對金屬體積成形過程進(jìn)行準(zhǔn)確的數(shù)值模擬不但可以節(jié)省昂貴的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，而且對合理確定成形工藝

3、、保證模具設(shè)計(jì)的一次性成功具有重要的理論指導(dǎo)意義和工程實(shí)用價值。隨著數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬分析方法已經(jīng)成為解決工程問題的重要方法，其中有限元方法最為成熟，在金屬體積成形過程數(shù)值模擬中發(fā)揮著重要的作用。近年來，隨著體積成形工藝的快速發(fā)展，目前的體積成形有限元模擬軟件存在網(wǎng)格再劃分次數(shù)多、復(fù)雜運(yùn)動條件加載困難、大型問題分析效率低等問題，已不能滿足體積成形有限元分析的需要。為此本文對金屬體積成形有限元模擬的理論、算法和具體實(shí)

4、現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了研究，并建立了基于剛粘塑性理論的體積成形有限元模擬軟件平臺。
　　 對三維有限元網(wǎng)格的劃分方法進(jìn)行了研究，為解決有限元網(wǎng)格模型精度與單元數(shù)量的矛盾，提出了自適應(yīng)網(wǎng)格劃分的方法，對常用的六面體網(wǎng)格模型、四面體網(wǎng)格模型的自適應(yīng)生成方法進(jìn)行了研究；為了兼顧兩種網(wǎng)格模型的優(yōu)點(diǎn)，研究了四面體、六面體混合網(wǎng)格模型的自適應(yīng)生成方法；提出了不同網(wǎng)格劃分方法的選擇原則，建立了三維初次網(wǎng)格劃分算法。對三維有限元網(wǎng)格的再劃分方法進(jìn)行了研究

5、，研究了畸變網(wǎng)格幾何形狀提取和修復(fù)的方法，提出了新舊網(wǎng)格物理場量傳遞的算法。為了提高物理場量的插值精度，提出了基于幾何特征和計(jì)算物理場量的雙重自適應(yīng)網(wǎng)格再劃分方法。為了提高網(wǎng)格再劃分的效率，提出了三維有限元網(wǎng)格局部再劃分技術(shù)，針對干涉網(wǎng)格提出了局部網(wǎng)格加密法；針對畸變網(wǎng)格提出了局部網(wǎng)格優(yōu)化法和局部網(wǎng)格剖分法。制定了不同網(wǎng)格再劃分方法的選擇標(biāo)準(zhǔn)和原則。
　　 分析了目前的體積成形有限元模擬的理論和方法，采用剛粘塑性理論作為體積成形

6、有限元分析的基本理論；研究了基于六面體網(wǎng)格模型、四面體網(wǎng)格模型及四面體、六面體混合網(wǎng)格模型等不同網(wǎng)格模型的剛粘塑性有限元總體剛度方程的建立方法和求解方法。對三維金屬體積成形有限元分析計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了基于STL文件數(shù)據(jù)重構(gòu)的模具三維幾何形狀的描述方法；提出了一種局部坐標(biāo)系的建立方法，保證了接觸模具和對稱約束邊界條件的正確施加；研究了模具復(fù)雜運(yùn)動的處理方法，確定了模具運(yùn)動的描述方法，給出了模具速度求解方法和模具位置更新方法；

7、提出了三維動態(tài)邊界條件的處理方法，采用相對位置法判斷節(jié)點(diǎn)的觸模情況，采用最短距離法處理觸模節(jié)點(diǎn)的位置調(diào)整問題；為了提高分析計(jì)算的效率，減少存儲空間的消耗，提出了總體剛度方程的壓縮存儲算法和總體剛度方程的高效求解方法。在關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了三維金屬體積成形有限元模擬分析計(jì)算系統(tǒng)。
　　 研究了三維溫度場有限元分析的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了三維溫度場有限元分析系統(tǒng)；研究了熱力耦合有限元模擬的基本理論及關(guān)鍵技術(shù)，如溫度場震蕩

8、的處理、熱熱力學(xué)參數(shù)的處理、速度場和溫度場相互影響的處理等關(guān)鍵技術(shù)；在理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，將三維溫度場有限元分析系統(tǒng)與三維金屬體積成形有限元模擬分析計(jì)算系統(tǒng)相結(jié)合，應(yīng)用間接耦合的方法建立了三維金屬體積成形熱力耦合有限元模擬計(jì)算系統(tǒng)。
　　 基于三維金屬體積成形有限元模擬輔助子系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方法的研究，開發(fā)了三維金屬體積成形有限元模擬輔助子系統(tǒng)，主要包括：建立有限元模型的前處理系統(tǒng)，分析有限元計(jì)算結(jié)果的后處理系統(tǒng)，