Deform圆柱体压缩过程模拟.docx
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Deform圆柱体压缩过程模拟
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10材控
（2）
姓名彭建新
学号1010121064
2013年04月20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
0.4
1
20
3
100
250
0
1
20
4
100
250
0.4
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，单位制度选择，添加对象，定义对象的材料模型，调整对象位置关系，模拟控制设置，实体网格化，设置对象材料属性，设置主动工具运行速度，工件体积补偿，边界条件定义，保存k文件，
2.2.2生成库文件
在工具栏上点击Databasegeneration按钮在Type栏选中New选项选择路径（英文）填入数据库文件名（英文），如forging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Exi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，进入运算对话框单击Start按钮开始运算单击Stop按钮停止运算单击Summary，Preview，Message，Log按钮可以观察模拟运算情况。
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
3.1观察变形过程
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0.4；
（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0.4；
方案（a）、（b）、（c）、（d）实验的圆柱体大致变形过程分别如下图分别所示：
（a）高度150、摩擦系数0
（c）高度250、摩擦系数0
（b）高度150、摩擦系数0.4
（d）高度250、摩擦系数0.4
图1（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的压缩变形过程
从上图1中对比方案（a）、（b）可以看出在高度相同的圆柱体镦粗，无摩擦系数的圆柱体变形后的形状任然是圆柱体，产生的是均匀变形；摩擦系数为0.4的圆柱体变形后为单鼓形，产生的是不均匀变形。
这一现象产生的原因是工件和模具接触界面有摩擦的情况，工件不仅收到了压缩正应力也同时受到了摩擦剪应力的作用，表面金属质点流动受到束缚，产生鼓形的不均匀变形。
对比方案（a）、（c）可以看出无接触摩擦时，圆柱体高度对压缩变形无影响，任然是均匀变形。
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。
注：
试验中H/d>2时摩擦系数为0.4的柱体压缩未产生双鼓形，与理论有差别，其原因可能是压缩量不够，现象不够够明显;摩擦系数不够大或者与材料自身性质有关。
3.2温度变化
（b）高度150，摩擦系数0.4
（a）高度150，摩擦系数0
（c）高度250，摩擦系数0
（d）高度250，摩擦系数0.4
图2（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的温度分布
从图2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（25摄氏度）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，可能的原因变形量太小，产生的热量太少，不足以使得金属的温度有明显的上升，所以在模拟情况下看不到温度变化。
3.3最大应力比较
3.3.1最大应力云图分析
（b）高度150，摩擦系数0.4
（a）高度150，摩擦系数0
（d）高度250，摩擦系数0.4
（c）高度250，摩擦系数0
图3（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应力分布
3.3.2最大应力半剖云图分析
（b）高度150，摩擦系数0.4
（a）高度150，摩擦系数0
（d）高度250，摩擦系数0.4
（c）高度250，摩擦系数0
图4（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应力半剖云图分布
分析：
观察上图3及图4（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4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、最小应力相同为-2.48Mpa，应力分布比较均匀，主要为压应力。
方案（b）中最大应力为1.85Mpa，最小应力为-4.5Mpa，最大应力主要位于圆柱体的表面以及靠近表面处，
②比较方案（c）和方案（d），方案（c）中最大应力为0.0192Mpa，最小应力为-0.055Mpa，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1.85Mpa，最小应力为-4.57Mpa，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0.4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。
3.4最大应变比较
（a）高度150，摩擦系数0
（b）高度150，摩擦系数0.4
（c）高度250，摩擦系数0
图5（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的最大应变分布
由图5可看出：
（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。
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0.4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。
3.5压缩变形后破坏系数的比较
（b）高度150，摩擦系数0.4
（a）高度150，摩擦系数0
（c）高度250，摩擦系数0
（d）高度250，摩擦系数0.4
图6（a）、（b）、（c）、（d）四种方案的破坏系数分布
从图6中可以看出，（a）、（c）、（d）四种方案压缩变形后破坏系数均未发生变化，即损伤系数均为0；方案（b）的破坏系数为中部鼓形边缘的破坏系数最大。
从理论上分析可以得出，方案（a）和方案（c）压缩变形属于均匀变形，损伤系数应该为0，但是方案（b）和方案（d）压缩变形属于不均匀变形，如方案（b）在压缩过程中产生单鼓形，在圆柱体四周产生较大的周向拉应力，由于中外部自由变形区变形程度最大，破坏程度也是最大的，理论模拟情况相符合。
但是（d）方案的破坏
系数为0，与理论不符合，理论上的破坏云图应该与（b）相似，因为在接触摩擦相同的情况下，H/D越大，金属流动的侧面翻平比例越大，因而不仅中部侧面存在较大破坏，破坏系数在上下侧面也有所增大。
之后笔者按照（c）方案做了几次重复试验，结果依然如此，可能这就是DEFORM软件存在的不足之处。
36行程载荷曲线分析
总体分析：
四种方案中行程载荷曲线的
大致走向呈逐渐上升趋势，整个过程大
致可以分两个阶段，第一阶段为弹性变
形阶段，此阶段载荷曲线的斜率大，即
行程变化小而载荷力变化大，这是由于
要克服原子间的相互作用力；第二阶段
为塑性变形阶段，此阶段载荷曲线的斜
率较小，即行程变化大而载荷力变化小
，在压缩变形过程中产生了加工硬化，
使其变形抗力增加，故载荷力继续增加。
图7表示（a）、（b）、（c）、（d）四种方案压缩变形过程中行程载荷图
比较分析：
（1）高度相同，摩擦系数不同：
①比较方案（a）和方案（b），两者在弹性变形阶段和塑性变形阶段的行程载荷曲线大致平行（通过图7），有接触摩擦系数的压缩过程载荷力在相同时刻大于无摩擦的载荷力。
②比较方案（c）和方案（d）的结果与①大致相同，不过相对于方案（a）、（b）在塑性变形阶段，相同的变化行程，前者的载荷力变化较大。
仔细观察（d）载荷曲线，在弹性变形结束后出现载荷力瞬间回落阶段，此阶段可能是由于接粗摩擦导致表面金属流动困难而使整体延45°方向发生滑移所致。
由上可知，接触摩擦系数影响行程载荷力，摩擦系数越大，载荷力越大，摩擦系数越小，载荷力越小。
（2）摩擦系数相同，高度不同：
①比较方案（a）和方案（c），虽然两者都是属于均匀变形，但是从图7中可以时，最终结果，高度越低，载荷力越大；反之，越小。
②比较方案（b）和方案（d），两者都属于不均匀变形，比较同上述①类似。
3.7点追踪最大应力分析
图8（a）、（b）、（c）、（d）四种方案下点追踪最大应力变化趋势
总体上来分析，无论是均匀变形还是不均匀变形，在变化趋势上主要分两个阶段，一是弹性变形阶段，应力变化大；二是塑性变形阶段，应力变化小。
并且无论选取的点的位置的不同，其应力变化趋势基本都相同。
4实验小结
本实验通过CAD和DEFORM对镦粗过程进行了模拟，经过无摩擦镦粗和有摩擦镦粗之间的对比分析，验证了均匀变形和不均匀变形的变形特点。
把书本的知识应用到模拟当中，使我对课本的知识有了更进一步的理解。
通过这次实验，培养了我运用书本知识解决实际问题的能力。
通过老师的讲解和PDF的学习，初步运用了DEFORM进行简易的应用，通过镦粗的前处理和求解以及后处理，对DEFORM有了一个全面的认识，虽然只是材料成型方面的应用，没有涉及到热处理的学习，但感觉DEFORM很强大，把AUTOCAD与DEFORM联系在一起能使自己的学习更加全面。
DEFORM能够帮助我们设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。
提高了工模具设计效率，降低生产和材料成本。
缩短了产品的研究开发周期。
同时我也学会了使用DEFORM-3D进行简单的材料成型模拟，分析成型过程中工件的应力、应变、破坏系数及挤压工具载荷的变化。
通过DEFORM软件的学习，为以后工作提供了一种非常实用的试验方法，也有助于现在对本专业的技术研究。
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