三維金屬體積成形過(guò)程有限元模擬若干關(guān)鍵技術(shù)研究與系統(tǒng)開(kāi)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(guò)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(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與國(guó)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(shí)也具有模具成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、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(shì)下，如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，適應(yīng)新的發(fā)展形勢(shì)，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(guò)程是一個(gè)受多因素影響的復(fù)雜物理過(guò)程，材料性能、模具形狀、毛坯形狀、工藝參數(shù)、成形溫度等對(duì)成形過(guò)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(huì)帶來(lái)設(shè)備、材料和時(shí)間浪費(fèi)的弊端。對(duì)金屬體積成形過(guò)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(duì)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(jià)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(wèn)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(guò)程數(shù)值模擬中發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)，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(dòng)條件加載困難、大型問(wèn)題分析效率低等問(wèn)題，已不能滿足體積成形有限元分析的需要。為此本文對(duì)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(tái)。
　　 對(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)量傳遞的算法。為了提高物理場(chǎng)量的插值精度，提出了基于幾何特征和計(jì)算物理場(chǎng)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(duì)干涉網(wǎng)格提出了局部網(wǎng)格加密法；針對(duì)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(duì)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(duì)稱約束邊界條件的正確施加；研究了模具復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的處理方法，確定了模具運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)邊界條件的處理方法，采用相對(duì)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(wèn)題；為了提高分析計(jì)算的效率，減少存儲(chǔ)空間的消耗，提出了總體剛度方程的壓縮存儲(chǔ)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(kāi)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(chǎng)有限元分析的基本理論和關(guān)鍵技術(shù)，開(kāi)發(fā)了三維溫度場(chǎng)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(chǎng)震蕩

8、的處理、熱熱力學(xué)參數(shù)的處理、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(chǎng)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(kāi)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)，