金属塑性成形原理项目研究激光弯曲成形.docx

1、金属塑性成形原理项目研究激光弯曲成形 金属塑性成形原理项目研究 题 目： 激光弯曲成形 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 日 期： 2016年1月6日 摘要：一些合金在室温下塑性差，冷成形困难，将激光成形技术用于金属板料成形，在航空航天产品，以及电子元件的研发和制造中发挥着重要作用。因此，了解激光弯曲成形的机理，激光功率、光斑直径、扫描速度、扫描次数以及能量密度等影响因素对板料激光弯曲角度的影响就显得十分必要，在其它参数一定的情况下，弯曲角度随着激光功率的增加先增大后减小，随着扫描速度、光斑直径的增大而减小；弯曲角度随着扫描次数和能量密度的增加而增大。本文采用ABAQUS软件对激光弯曲

2、成型过程进行数值模拟和分析。1. 对象描述:1） 激光弯曲简介：激光弯曲成形是一种利用高能激光束扫描金属板料表面时形成的非均匀温度场所导致的热应力来实现塑性变形的工艺方法。这是一种无模具，无外力的非接触式热态积累成型技术，具有生产周期短，柔性大，精度高等特点。所以不存在模具制作，磨损和润滑问题，也不存在贴膜，回弹现象，成形精度高，适合于精密仪器制造，其工业应用遍及航空航天，微电子行业等多个领域。2） 激光弯曲原理：激光弯曲成形的变形过程是通过激光加热金属板料所产生的弯曲应变（平面外应变）、平面内应变或两者的联合作用来实现的。弯曲应变或平面外应变使金属板料产生角变形,如图所示： 而平面内应变则使

3、金属板料实现XY平面内成形,如图所示：例如板料的缩短就是通过激光扫描在整个厚度方向上产生的类似应变来实现的。而由于材料性能的差异以及所采用的工艺参数的不同，都会导致不同的变形机理，有时往往是几种机理的混合作用。目前可以较好的解释板料激光成形过程的机理主要有以下四种：温度梯度机理（TGM），屈曲机理（BM），增厚机理（UM）和内应力点机理。3） 激光弯曲成形的应用：平板弯曲，管材成形，焊接变形校正，激光微成形。2. 研究目标：1） 通过金属板料的激光弯曲模拟过程，熟悉掌握有限元方法的基本原理和方法，熟悉掌握ABAQUS的基本知识，从而了解有限元方法在实际软件中的应用。2） 通过金属板料的激光弯曲

4、模拟过程，熟悉FORTRAN编程语言，编写ABAQUS子程序，以及调用ABAQUS子程序的二次开发。3） 本项目的研究目标是研究板料激光弯曲成形的影响因素，以及在成型过程中的应力和热的状态的分布，以及用模拟激光弯曲过程的结果，联系实际，找到设计工艺的不足之处并提出改进建议。3. 研究内容：1） 模拟铜合金的激光弯曲成型过程，解决网格划分，材料性能设置，模拟激光的二次开发，分析板料在激光弯曲成型过程中的应力应变等规律；2） 研究激光弯曲过程中，激光功率（热源功率）对弯曲角度的影响。3） 研究激光弯曲过程中，激光扫描次数对弯曲角度的影响。4） 研究激光弯曲过程中如何提高成形精度，在板料的那些地方弯

5、曲角度不好控制并提出改进方案。4. 研究方案：建立如图模型， ， 用FORTRAN语言编写DFLUX子程序模拟激光光源扫描铜合金板料，观察计算后的结果，对计算结果进行分析，在DFLUX程序改变光源的半径大小，光源的功率，以及扫描次数，再进行计算分析，查看弯曲角度的变化，总结规律。 关于FORTRAN子程序： SUBROUTINE DFLUX(FLUX,SOL,KSTEP,KINC,TIME,NOEL,NPT,COORDS, 1 JLTYP,TEMP,PRESS,SNAME)C 上面是ABAQUS程序提供的DFLUX子程序接口 INCLUDE ABA_PARAM.INCC DIMENSION F

6、LUX(2),TIME(2),COORDS(3)!这是三个数组 CHARACTER*80 SNAME v=13 !光源移动速度，为mm/s d=v*time(1) x1=coords(1) y1=coords(2) z1=coords(3)C 将实体上任意一点的三个坐标分别赋予变量x1、y1、z1 x0=-60 y0=0 z0=0C 这是光源的起点 xx=x0+d R=5 AMP=1 !幅值函数，这里是常量1 A=0.85 P=400000000000 !激光的功率 pi=3.1415926 !圆周率 FLUX(1)=0 HEAT=2*A*P*AMP/(pi*(R*2)!光源中心温度 N=MO

7、D(KSTEP,2)!奇数分析步为加热，偶数为冷却 SHAPE=exp(-2*(x1-xx)*2+(y1-y0)*2)/(R*2)-2*(z1-z0)*2/1) IF(N0) THEN FLUX(1)=HEAT*SHAPE END IFC 最终输出到位置为（x1，y1，z1）的热流密度FLUX(1) RETURN END如上图的子程序，在附件中也有，接口中各个变量的含义是： FLUX(1)模型节点处热流大小； FLUX（2）模型节点处热同改变率； SOL求解变量估计值，在传热分析中为节点温度； KSTEP当前分析步数； KINC当前增量步数； TIME（1）当前分析步时间（仅限瞬态分析）； T

8、IME（2）当前分析总时间（仅限瞬态分析）； NOEL单元数； NPT单元内积分点数； COORDS模型节点空间坐标矩阵； JLTPY热通量类型； TEMP模型积分点瞬时温度值； PRESS模型积分点当前等效压应力； SNAME定义热通量所在面的名称（JLTYP=0）；激光的能量是脉冲的，而且呈高斯分布：其能量分布公式为：其中AMP为周期内脉冲激光的幅值曲线，tp为激光脉冲宽度，T为脉冲周期；A为材料对光的吸收系数，铜194取0.85，P为激光功率，R为光斑半径，X0,Y0为某一时刻光斑中心的平面坐标，可以按照这个公式进行编程。5. 模拟过程：1)首先设置好环境，如下图，定义绝对零度为-273

9、.14摄氏度，斯特藩玻尔兹曼常量为5.76E-008（玻尔兹曼常量是与热辐射有关的常量）。2）创建板料几何体，为边长为10mm，厚为0.3mm的长方体：创建草图：拉伸： 4） 定义材料，本项目中选择的材料为铜194，具体材料参数如下设置（要注意单位）：密度：定义杨氏模量和泊松比： 定义塑性变形时应力应变关系：定义与受热膨胀有关的线膨胀系数：定义比热：定义热导率：创建截面属性： 将截面属性赋给几何体： 3）进入装配环节，导入实例物体，注意坐标系的位置，这是编写子程序的关键：4）创建分析步，本项目研究采用6个分析步（不算初始分析步），先是激光扫描的加热的分析步，后是冷却的分析步，交替执行，具体设置

10、见下图：5）创建接触，本项目中就是物体的辐射和热对流性质：定义热对流（与吸收热量的能力有关）：选几何体所有的表面：定义膜系数（膜层散热系数），物体表面的温度：定义表面辐射：也是六个面都选：定义热辐射系数和热沉温度：5） 施加载荷和边界条件：定义一个调用子程序的体热源，作用范围是整个物体：施加边界条件，固定住板料的一端：7） 划分网格：为了方便划分网格，节约运算时间，我们首先把板料划分，先划分表面：再划分物体：撒种子，每个区域的种子数量不同，中间多，两边少，因为在程序中主要给中间区域加热，中间区域是主要变形区：划分网格，采用C3D10MT：创建JOB，注意调用子程序：这是用FORTRAN编写的本

11、项目的模拟光源的子程序（用的是VS2012和XE2011编译器，他们的版本配合和关联很重要，也要注意编译格式，Fortran的格式较为严格）：最后提交计算，并进行后处理。打开监视器：计算完成：6. 后处理数据图表：1） 热分析：这是热流密度分布云图（HFL）：局部是这样：三次扫描过程中扫描路径上热流密度随时间的变化：可见每一次扫描都可以使铜板表面的温度剧烈上升，然后在冷却过程中缓慢下降。让我们先定义个path: 在这个路径上温度的变化如下：可见温度是中间高两边低。2）应力分析：米赛斯应力云图：局部米赛斯应力云图：扫描路径上一点的米赛斯应力随时间的变化：该点的应变变化：Path上的应力分布：应变

12、分布：3）位移云图：4）将激光功率增加后:激光功率增加为原来1000倍的图：可见厚度方向均有较大应力，说明厚度方向都有膨胀，测得三次扫描后弯曲角度变小度，但最大应力很大，这说明一味的增加热源功率并不能使弯曲角度增加。5）改变参数对成形规律的研究：1.改变激光扫描次数，研究激光扫描次数对板料弯曲角度的影响：可见，弯曲角度随扫描次数的增加而线性增长2.激光功率对成形弯曲角度的影响：可见，随着激光功率的增加，弯曲角度先增大后减小。3.弯曲角度和材料杨氏模量的关系：4弯曲角度和比热容之间的关系：7. 成型规律总结分析：1） 随着扫描次数的增加，弯曲角度会有所上升，而且是线性增长。2） 增加激光功率，并

13、不能使弯曲角度一直增大，功率达到一定值时会使厚度方向都有较大应力，不易引起弯曲，所以弯曲角度随着激光功率的增加是先增大后减小。3） 高温度，高应力，大应变都集中在激光的扫描路径上，而且无论是温度还是应力应变都比周围高出很多。4） 在成形过程中，板料边缘受热不均匀，应力不均匀，导致变形也不均匀，因此在高精度制造时，应该在激光扫描轨迹的两端多加一些材料，形成耳片，成形之后再切削去。5） 扫描一次的弯曲角度随比热容增大而减小。8. 学习总结：通过激光弯曲成形的项目研究，我了解到了有限元方法的基本原理，和具体程序的编写，还有一点就是了解了ABAQUS软件的使用和二次开发，学会了FORTRAN语言，并体

14、会到了FORTRAN数值分析的强悍能力。学会了系统研究问题的方法，不过在有限元的分析中有很多细节值得注意，比如如何划分网格，划分网格的好坏决定了编号的好坏，不仅仅影响计算结果，还影响计算效率，好的划分网格的方法能在提高数值模拟精度的同时还提高计算效率，为研究节省时间，网格划分就是取逼近真正的物体。更重要一点就是要有顽强的精神和勤奋思考和学习，不要遇到困难就放弃，抓住每一次挑战才能让自己得到锻炼。在这个世界上没有不可能的事情，只要你用心去做，总会成功，也不分你有多少学历，只要刻苦学习，勤奋钻研，多与人交流，总会提升自己的能力和完成任务，要注重与人交流，这是是自己能力提升的一个有效方法，多学习，多总结，认清事物本质和掌握清晰的理论方法对掌握一门技术是很重要的。9.参考文献：1张建伟.ABAQUS6.12有限元分析.北京：机械工业出版社，20052K.J.巴斯美.工程分析中的有限元法.北京：清华大学出版社,20063陈科.FORTRAN完全自学手册.北京：机械工业出版社，20094胡玲玲.脉冲激光弯曲铜合金薄板的数值分析及实验研究.中国激光.2010(7-22)