DEFORM实验报告镦粗.docx
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DEFORM实验报告镦粗
铜陵学院课程实验报告
实验名称圆柱体压缩过程模拟
实验课程材料成型计算机模拟
指导教师张金标
专业班级09材控
（1）.
姓名万伟
学号0910121059
2012年04月29日
实验一圆柱体压缩过程模拟
1实验目的与内容
1.1实验目的
进一步熟悉AUTOCAD或PRO/E实体三维造型方法与技艺，掌握DEFORM软件的前处理、后处理的操作方法与热能，学会运用DEFORM软件分析压缩变形的变形力学问题。
1.2实验内容
运用DEFORM模拟如图1所示的圆柱坯压缩过程。
（一）压缩条件与参数
锤头与砧板：
尺寸200×200×20mm，材质DIN-D5-1U,COLD，温度室温。
工件：
材质DIN_CuZn40Pb2，尺寸如表1所示，温度室温。
表1实验参数
序号
圆柱体直径，mm
圆柱体高度，mm
摩擦系数，滑动摩擦
锤头运动速度，mm/s
压缩程度，%
1
100
150
0
1
20
2
100
150
0.2
1
20
3
100
250
0
1
20
4
100
250
0.2
1
20
（二）实验要求
（1）运用AUTOCAD或PRO/e绘制各模具部件及棒料的三维造型，以stl格式输出；
（2）设计模拟控制参数；
（3）DEFORM前处理与运算（参考指导书）；
（4）DEFORM后处理，观察圆柱体压缩变形过程，载荷曲线图，通过轴对称剖分观察圆柱体内部应力、应变及损伤值分布状态；
（5）比较方案1与2、3与4、1与3和2与4的模拟结果，找出圆柱体变形后的形状差别，说明原因；
（6）提交分析报告（纸质和电子版）、模拟数据文件、日志文件。
2实验过程
2.1工模具及工件的三维造型
根据给定的几何尺寸，运用AUTOCAD或PRO/E分别绘制坯料、锤头和砧板的几何实体，文件名称分别为workpiece，topdie，bottomdie，输出STL格式。
2.2压缩过程模拟
2.2.1前处理
建立新问题：
程序DEFORM-3DVer6.1FileNewProblemNext在ProblemName栏中填写“Forging”Finish进入前前处理界面；
单位制度选择：
点击SimulationControl按钮Main按钮在Units栏中选中SI（国际标准单位制度）。
添加对象：
点击+按钮添加对象，依次为“workpiece”、“topdie”、“bottomdie”。
定义对象的材料模型：
在对象树上选择workpiece点击General按钮选中Plastic选项（塑性）点击AssignTemperature按钮填入20点击OK按钮；在对象树上选择topdie点击General按钮选中Rigid选项（刚性）点击OK按钮勾选PrimaryDie选项如此重复，定义其它工模具的材料模型（不勾选PrimaryDie选项）。
实体网格化：
在对象树上选择workpiece点击Mesh（采用绝对划分）点击DetailSettings选择Absolute将MinElementSize中数据改为3点击SurfaceMeshSolidMesh，工件网格生成；
工件体积补偿：
在对象树上选择workpiece点击Property在TargetVolume卡上选中Active选项点击CalculateVolume按钮点击Yes按钮。
设置对象材料属性：
在对象树上选择workpiece点击Material右边；Loadmaterialfromlibrary点击other选择DIN-CuZn40Pb2点击了Load完成材料属性的添加；同理应用于topdie，bottomdie材料的添加。
设置主动工具运行速度：
在对象树上选择topdie点击Movement在speed/force选项卡的type栏上选中Speed选项在Direction选中主动工具运行，选择-Z在speed卡上选中Define选项，其性质选为Constantvalue，填入速度值，1mm/s；
步数和步长的设定：
在工具栏上点击SimulationControl按钮点击Step，在NumberofSimulationSteps右格中填入30StepIncrementtoSave格中输入3点击WithdieDisplacement，输入1mm。
（后面三个实验根据实际设定步数及步长）
边界条件定义：
在工具栏上点击Inter-Object按钮在对话框上选择workpiece—topdie点击Edit按钮点击Deformation卡Friction栏上选中Shear和Constant选项，填入摩擦系数0（一般默认是0）点击Close按钮点击ApplytootherRelations，点击Generateall按钮点击OK按钮完成边界条件设置；
2.2.2生成库文件
在工具栏上点击Databasegeneration按钮点击Check按钮没有错误信息则点击Generate按钮完成模拟数据库的生成。
2.2.3退出前处理程序
在工具栏上点击Quit按钮，退出前处理程序界面。
2.2.4模拟运算
在主控程序界面上，单击项目栏中的forging.DB文件单击Run按钮，进入运算对话框。
2.3后处理
模拟运算结束后，在主控界面上单击forging.DB文件在PostProcessor栏中单击DEFORM-3DPost按钮，进入后处理界面。
1）观察变形过程：
点击播放按钮查看成型过程；
2）观察温度变化：
在状态变量的下拉菜单中选择Temperature，点击播放按钮查看成型过程中温度变化情况；
3）观察最大应力分布：
在状态变量的下拉菜单中选择MaxStress，点击播放按钮查看成型过程中最大应力分布及其变化情况；
4）观察最大应变分布：
在状态变量的下拉菜单中选择MaxStrain，点击播放按钮查看成型过程中最大应变分布及其变化情况；
5）观察破坏系数分布：
在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮查看成型过程中可能产生破坏的情况；
6）成型过程载荷：
点击LoadStroke按钮，生成变形工具加载曲线图，保存图形文件为load.png；
7）点跟踪分析：
点击PointTracking按钮，根据上图点的位置，在工件上依次点击生成跟踪点，点击Save按钮，生成跟踪信息，观察跟踪点的最大应力、最大应变、温度、破坏系数，保存相应的曲线图。
3实验结果与分析
以下实验（a）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0；
（b）方案代表高度为150mm、摩擦系数为0.2；
（c）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0；
（d）方案代表高度为250mm、摩擦系数为0.2；
3.1圆柱体压缩变形大致过程
从上图2中对比可以明显看出方案（a）与方案（c）在压缩过程中都是均匀变形，未出现鼓形轮廓，而方案（b）与方案（d）在压缩过程中出现不均匀变形，圆柱体四周出现鼓形轮廓。
由此可知圆柱体在镦粗时除受变形工具的压缩力外，在与工具接触的端部还受接触摩擦力的作用，由于接触摩擦力阻碍金属质点横向流动，使圆柱体在镦粗时产生鼓形。
对比方案（c）、（d），即在有摩擦条件下（摩擦系数相等），当H/d<2比H/d>2出现的单鼓形较为明显。
3.2最大应力比较
观察下图3（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应力分布
（1）高度相同，接触摩擦系数不同：
①由上图3中对比方案（a）和方案（b），圆柱体表面及内部最大应力分布截然不同。
方案（a）中最大应力2.24Mpa（最大拉应力），最小应力为-2.48Mpa（最大压应力），而最大应力主要分布在圆柱体的表面以及接触面的边缘处，内部应力分布比较均匀，主要为压应力，分布比较均匀。
方案（b）中最大应力为9.42Mpa，最小应力为-99.6Mpa，最大应力主要位于圆柱体的表面以及靠近表面处，此区由于环向（切向）出现附加拉应力使其应力发生变化，环向拉应力越靠近外层越大，而径向压应力越靠近外层越小。
最大压应力位于圆柱体上下断面的圆心处，压应力延径向逐渐减小，在应力图中呈现出同心圆；延轴线向内呈锥形逐渐减小。
由于圆柱体端部的接触面附近，受接触摩擦的影响较大，在原理与垂直面的作用力轴线呈大致45度交角的易产生划一的，在此区域产生塑性变形较为困难，具有强烈的三向压应力状态。
②比较方案（c）和方案（d），方案（c）中最大应力为1.37Mpa，最小应力为1.53Mpa，最大拉应力主要分布在圆柱体的表面，最小应力即最大压应力一小点区域分布在圆柱体表面，应力分布比较均匀。
方案（b）中最大应力为5.22Mpa，最小应力为-58.3Mpa，其分布及形成原因与方案（b）类似。
（2）接触摩擦系数相同，高度不同：
①比较方案（a）和方案（c），摩擦系数均为0时，压下量越大，产生的附加应力拉应力和附加压应力就越小，最大拉应力和最大压应力均分布在圆柱体表面上。
②比较方案（b）和方案（d），摩擦系数均为0.2时，压下量越大，圆柱体压缩变形过程中最大压应力越小，最大拉应力越小，且应力分布区域大致相同。
综上所述，接触摩擦系数以及高度对圆柱体镦粗时变形均有影响。
3.3最大应变比较
观察下图4中（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应变分布
（1）高度一样，接触摩擦系数不一样：
①比较方案（a）和方案（b），从表面及内部的应变状态图可以得出，无摩擦镦粗时，应变分布比较均匀，圆柱体的四周处于拉伸状态，轴向处于压缩状态，属于典型的一向压缩，两向拉伸状态，为自由变形；而方案（b）有摩擦镦粗时，圆柱体应变分布不均匀：
位于圆柱体端部接触面附近，由于受接触面摩擦影响较大，且远离与垂直作用力轴线呈大致45度交角的最有利滑移区域，在此区域内产生塑性变形较为困难，为难变形区；处于与垂直作用力大致为45度交角的最有利变形区域，且受摩擦影响较小，因此在此区域内最易发生塑性变形，为易变形区。
处于易变形区四周的区域，其变形量介于难变形区与易变形区之间，为自由变形区。
观察变形前后的圆柱体的形状，便可以发现其形状在变形后呈单鼓形（不够明显）。
②比较方案（c）和方案（d）的应变分布及其分析原因于①中大致相同。
由此可以得出，接触摩擦系数对应变的分布有影响。
（2）接触摩擦系数相同，高度不同：
①比较方案（a）和方案（c），圆柱体接触摩擦系数均为0时，其表面应变分布和内部应变分布都比价均匀，符合压缩过程中均匀变形；
②比较方案（b）和方案（d），圆柱体接触摩擦系数均为0.2时，其表面应变分布和内部应变分布都不均匀，各部分最大应变存在的明显的差异。
综上可以得出，圆柱体在压缩变形过程中，接触摩擦系数和圆柱体高度对对最大应变均有不同程度的影响。
3.4温度变化比较
图5（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后温度变化
从图5中可以看出，（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形后温度基本上无明显变化，原因都是在室温20°环境下模拟的，圆柱体与锤头和砧板无热交换。
从理论上分析，金属在进行塑性变形时，由于金属流动而产生些许热量，应有温度变化，但未出现温度变化，可能的原因是压缩变形的时间过长（30s、50s），变形产生的热散失了。
而且，有接触
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