黄铜压型有限元模拟分析j.docx

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黄铜压型有限元模拟分析j

目录

一、题目描述··················2

二、题目分析···················2

三、解题模拟、思路················2四、模拟过程

1、定义工作文件名·················3

2、定义单元类型、材料参数和实常数··············3

3、创建模型····················5

4、划分网格·····················10

5、创建接触对···················11

6、施加约束、载荷及求解···············13

7、显示结果····················17

五、模拟结果分析····················24

六、结论·····················24

七、参考文献·····················25

一、题目描述：

如图1.1所示为金属紫铜坯料和挤压模具结构示意图，坯料与模具之间的摩擦系数为0.15。

求挤压过程中坯料内部的应力场变化、应变场变化。

①坯料紫铜的材料参数：

弹性模量：

E1=1.08e11MP；泊松比：

ν1=0.33；密度：

ρ1=8.9e3kg/m3。

②模具材料参数:

弹性模量：

E2=2.07e11MP；泊松比：

ν2=0.30；密度：

ρ2=7.9e3kg/m3。

图1.1所要分析模型的剖面图

二、题目分析：

该问题属于状态非线性大变形静态接触分析问题，因此可以选择对其做静态分析。

在分析过程中根据结构的轴对称性，只要求分析整个模型的1/4，然后将其延展成一个完整的模型。

此外，需要注意模拟分析过程中的单位统一。

三、解题模拟、思路：

1、选择单元类型、定义材料属性和实常数；

2、创建具体模型；

3、网格划分同时分配材料属性，创建接触队；

4、施加约束及载荷；

5、求解、查看最终分析结果。

四、模拟过程：

1、定义工作文件名和工作标题：

1.1、定义工作文件名执行UtilityMenu-File→ChangJobname-20090771，单击OK按钮。

1.2、定义工作标题执行UtilityMenu-File→ChangeTile-yuyuyang20090771，单击OK按钮。

1.3、更改目录执行UtilityMenu-File→changetheworkingdirectory–D/ansys。

2、定义单元类型和材料属性以及实常数：

2.1、设置计算类型

ANSYSMainMenu:

Preferences→selectStructural→OK，如图2.1.

图2.1

2.2、选择单元类型

执行ANSYSMainMenu→Preprocessor→ElementType→Add/Edit/Delete→Add→selectSolidBrick8node185→单击Apply；重新在libraryofelementtypes第一个列表中选择contact,在第二个列表框中选择3dtarget170，再次单击Apply，重新在libraryofelementtypes第一个列表框中选择contact,在第二个列表框中选择4ndsurf173。

如图2.2所示，选择OK接受单元类型并关闭对话框。

图2.2定义单元类型对话框

2.3、定义实常数

选择mainmenu→preprocessor→realconstants→add/edit/delete,出现Realconstants对话框，单击add按钮，在set1下点击add添加type3contact173下点OK,在realconstantsetno.中输入1，单击ok;继续添加点击add,按照同样的方式定义另一组选择type2targe170的实常数，选择编号2。

图2.3定义实常数

2.4、定义材料属性

⑴、执行MainMenu→Preprocessor→MaterialProps→MaterialModels命令，出现DefineMaterialModelBehavior对话框。

⑵、在MaterialModelsAvailable列表框中依次双击Structural→Linear→Elastic→Isotropic选项，出现LinearIsotropicMaterialPropertiesforMaterialNumber1对话框。

在EX输入栏中输入1.08E11，在PRXY输入栏中输入0.33，单击“OK”按钮关闭对话框，如图2.4（a）。

⑶、依次单击Structural→FrictionCoefficient选项，出现FrictionCoefficientforMaterialNumber1对话框，在MU输入栏输入0.15，单机“OK”按钮关闭对话框，如图2.4（b）。

⑷、依次单击Structural→Density选项，出现DensityforMaterialNumber1对话框，DENS输入栏输入8.9E3，单机“OK”按钮关闭对话框，如图2.4（c）。

⑸、在DefineMaterialModelBehavior对话框中单击Material→NewModel命令，出现DefineMaterialID对话框，在输入栏中输入2，单机“OK”按钮关闭对话框。

⑹、在此时，将重复操作⑵、⑶、⑷。

只需分别将EX、PRXY、MU、DENS输入栏中的数值输入2.06E11,0.30,0.15,7.9E3，分别单击“OK”按钮关闭对话框。

⑺、在DefineMaterialModelBehavior对话框中选择Material→Exit命令，关闭该对话框。

（a）

（b）

（c）

图2.4输入材料性能参数对话框

3、创建几何模型：

运用自底向上建立模拟模型，具体操作步骤如下：

3.1、定义关键点⑴选择ANSYSMainMenu:

Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→依次输入五个点的坐标:

input:

1.（0.017,0,0）、2.（0.055,0,0）、3（0.055,0.110,0）、4（0.021,0.110,0）、5（0.021,0.040,0）。

⑵创建第六关键点，a）、先创建局部坐标到第五点，从实用菜单中选择UtilityMenu：

WorkPlane→LocalCoordinateSystems→CreateLocalCS→AtSpeciffiedLoc+。

b）、在打开的创建坐标系对话框中，在GlobalCartesian文本框中输入0.021,0.040,0然后点击“OK”，得到CreateLocalCSAtSpecifiedLocation对话框，如图3.4。

c）、在Refnumberofnewcoordsys文本框中输入11，在Typeofcoordinatorsystem中选择Cylindrical1，直接单击OK退出，如图3.5。

d）、ANSYSMainMenu:

Preprocessor→Modeling→Create→Keypoints→InActiveCS→输入（0.02，-125,0）→OK结束。

图3.4输入K5点坐标图3.5创建局部坐标系

⑶、将坐标系转到全局直角坐标系下，从实用菜单中选择UtilityMenu:

WorkPlane→ChangeActiveCSto→GlobalCartesian。

现在创建第七关键点坐标为（0.017,0.040,0）。

3.2、生成模具截面：

⑴、ANSYS命令菜单栏:

MainMenu:

Preprocessor→Modeling→Create→Lines→InActiveCoord→依次连接点1,2,3,4,5,6,7→OK，生成线L1,2,3,4,5,6如图3.6。

⑵、将线5,6搭接：

MainMenu:

Preprocessor→Modeling→Operate→Booleans→Overlap→Lines→输入5,6→OK，搭接完之后生成线7,8,9,10，操作完结果如图3.7（a）。

⑶、将线9,10删除：

MainMenu→Preprocessor→Modeling→Delete→Lines→Only，分别输入线9和线10，打击OK,操作完结果如图3.7（b）。

图3.6生成直线

（a）线搭接后的图形（b）线删除之后的图形

图3.7

⑷、对线4和线8倒圆角：

Preprocessor→Modeling→Create→Lines→LineFillet，在输入栏输入，线3和线8，圆角半径0.005，打击OK结束。

如图3.8所示。

图3.8

⑸、通过线生成截面：

Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Arbitrary→ByLines→拾取所有的直线→OK。

。

3.3、创建模具和坯料1/4体：

⑴、创建一条旋转直线，由关键点K100（0,0,0）,110（0,0.110,0），生成直线L6。

⑵、选装90°：

MainMenu→Preprocessor→Modeling→Operate→Extrude→Areas→AboutAxis→拾取面1→OK→在对话框中输入100,110→OK→再在对话框中ARC项中输入90，如图3.9所示。

其生成体的效果如图3.10所示。

图3.9

图3.10经旋转90°后效果图

⑶、生成坯料模型体：

a）、先生成坯料截面：

Preprocessor→Modeling→Create→Areas→Rectangle→ByDimensions→在对话框中输入（0.019,0.021）、（0.042,0.102）→OK，如图3.11所示。

b）、接下来在按着⑵操作即可得到坯料的1/4体，其效果如图3.12所示。

图3.11

图3.121/4体的模型体效果图

4、划分网格：

选用MainMenu→Preprocessor→Meshing→MeshTool→VolumesMesh→Tet→Free,.采用自由网格划分单元。

材料属性分配，将1号材料分配给坯料，将2号材料分配给模具；以及实常数，将刚性单元赋予模具，将柔性单元赋予坯料。

在SmartSize前挑勾后可以自由设置网格的密度，在此将坯料的网格密度设置为4，再将模具的密度设置成默认状态6，如图3.13所示。

最终划分完网格的效果图如3.14。

图3.13划分网格前的设置

图3.14网格划分完后效果图

5、创建接触对:

在MainMenu→Preprocessor→Modeling→Create→ContactPair下湖出现一个ContactManager对话框如图3.15所示。

点击PickTarget···会出现图3.16在对话框中输入3,4,5,6点击OK后返回图3.15的界面点击Next后再输入12点击OK，在点击Next会出现一个如图3.17的窗口点击Create即完成，生成的接触面效果如图3.18。

图3.15

图3.16图3.18

图3.17

6、施加约束、加载求解:

6.1、定义分析类型:

选择MainMenu→Solution→AnalysisType命令，出现NewAnalysis对话框，选择Static，单击OK按钮关闭对话框。

6.2、施加约束：

选择MainMenu→Solution→DefineLaods→Apply→Structural→Displacementa）、再继续选择Symmetry→OnAreas，现在拾取面1,9，10,15面点击OK，即对对称面施加约束结束，如图3.18所示。

b）、再继续选择OnAreas出现拾取对话框，拾取面2,4,5,6,7然后点击OK，出现图3.19。

6.3、施加第一个载荷步及求解：

⑴、MainMenu→Solution→AnalysisType→Sol’sControls，会出现如图3.21对话框，按图样输入，点击OK退出对话框。

⑵、MainMenu→Solution→Solve→CurrentLS，出现solvecurrentloadstep对话框，同时出现statuscomman窗口，选择file/close命令，关闭窗口。

再单击solvecurrentloadstep对话框中OK按钮，第一个载荷步下开始计算求解。

⑶、求解结束时，出现note提示框，单击close按钮关闭该提示框，显示迭代过程的时间跟踪图。

6.4、施加第二个载荷步及求解：

⑴、MainMenu→Solution→DefineLaods→Apply→Structural→Displacement→OnAreas出现ApplyU,ROTonlines对话框，先拾取13面，在选择UY在Valuedisplacementvolue文本框中输入—0.030施加向下的位移，单击OK按钮关闭对话框。

⑵、选择utilitymenu→select→everything命令，选择所有的点、线、面。

⑶、同6.3第一步一样，首先将Timeattendofloadstep中输入100，其次将Automatictimestepping中off改成on，最后再在下面三个输入栏输入100、1000、10，单击OK结束。

⑷、操作和6.3第三步一样，这样施加约束和加载过程结束。

图3.18施加对称约束后

图3.19施加面上约束

图3.20施加完约束后的图样

图3.21施加第一个载荷步时的对话框

图3.22施加完第二载荷求解后的结果图

7、显示结果：

7.1.显示变形形状。

执行MainMenu→GeneralPosproc→PlotResults→DeformedShape，弹出如图3.23所示的对话框。

选择“Def+underformed”单选按钮，单击OK按钮。

生成结果如图3.24所示。

图3.23

图3.24变形形状图

7.2、列出节点的总应力结果值。

执行MainMenu→GeneralPosproc→ListResults→NodalSolution，弹出如图3.25所示的对话框。

设置好后点击OK按钮。

生成如图3.26所示的结果。

依次可以调试出单元应力或应变值。

图3.25

图3.26部分节点应力值

7.3、浏览节点上的VonMises应力值和应变值。

执行MainMenu→GeneralPosproc→PlotResults→ContourPlot→NodalSolu，弹出如图一个设置对话框。

设置好后单击OK按钮，生成结果如图3.27所示。

3.27-a节点的应力浏览图

3.27-b节点应变浏览图

7.4、浏览单元上的VonMises应力值和应变值。

执行MainMenu→GeneralPosproc→PlotResults→ContourPlot→ElementSolu，弹出如图一个设置对话框。

设置好后单击OK按钮，生成结果如图3.28所示。

图3.28-a单元应力浏览图

图3.28-b单元应变浏览图

7.5、总的变形结果动画图的展示：

操作过程为UtilityMenu→Plotctrls→Aminate→DeformedResult→出现对话框直接点击OK结束，最终效果由以下几张图展示如图3.29。

图3.29—1

图3.29—2

图3.29—3

图3.29—4

图3.29—5

五、模拟结果分析：

1、节点的应力应变分析：

由3.27两图可知节点的最大应力为3.36E10Pa，最大应变为3147E-3m。

2、单元的应力应变分析：

由3.28两图可知单元的最大应力为3.52E10Pa，

最大应变为3525E-3m。

通过以上分析可知在挤压过程当中受到最大的应力集中在角度为35°的斜面部分为最大，同时在此时应变也比较大。

六、结论：

通过这一次的有限元模拟分析，我们从中了解到如何对一个实体进行模拟的具体过程。

1、在此次模拟过程当中我觉得最容易遇见的问题有以下两个问题及相应的解决方法：

1.1、在建模过程中会经常出现错误，但是在Ansys软件当中没有撤销这么一步，往往做到这么不知道怎么修改。

我觉得在此时的解决方法是养成做完一步保存一步的好习惯，当遇见错误的时候可以调出保存好的文档。

1.2、在拾取相应的线或则面的时候不太容易直接拾取。

这是应该把模型放大或则是将其旋转当最佳位置（快捷方式Ctrl+鼠标左、右键）。

2、在最后模拟的分析结果的时候，通过几次不同的验证都没有解决掉的是挤压铜坯料的短的压下距离以及坯料为什么插入模具，在此过程当中通过了以下几个方法：

2.1、将模具分成四部分，分别在相应关键点处创建工作平面，运用布尔运算划分模具，之后在进行同样的操作。

2.2、在划分网格时选用手动划分网格，将坯料和模具的网格密度的差别具体的体现出来。

3、通过认真的对待这次模拟分析，我们从对Ansys的零基础到现在可以熟练操作。

其次，在Ansys中做模拟分析的过程当中体会到有些操作用菜单操作是比较费劲的，有的时候可以结合一些命令来操作，如：

删线、面、体直接可以用LDELE、ADELE、TDELE操作。

如果以后要完全熟练掌握Ansys的运用首先必须学会一些常用的命令流，再有就是要把两者有力的结合起来一起运用。

七、参考文献：

1、王勖成，邵敏。

有限单元法基本原理和数值方法（第二版）。

北京：

清华大学出版社，2003

2、李尚建主编。

金属塑性成形过程模拟。

北京：

机械工业出版社，1999

3、俞汉青，陈金德主编。

金属塑性成形原理。

北京：

机械工业出版社，1998

4、王从曾主编。

材料性能学。

北京：

北京大学工业出版社，2001

5、刘惟信主编。

机械最优化设计（第二版）。

北京：

清华大学出版社，1994