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三维金属体积成形过程有限元模拟若干关键技术研究与系统开发

作　者: 王忠雷
导　师: 赵国群
学　校: 山东大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 金属体积成形刚粘塑性有限元网格划分热力耦合前处理后处理
分类号: TG306
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

金属体积成形工艺就是将金属材料,在锻压设备及安装在其上的模具作用下发生塑性变形,成形为所需形状和性能工件的工艺过程,金属体积成形工艺主要包括锻造、挤压、轧制、辊锻、楔横轧等。在工业生产中,金属体积成形制造技术是支撑国民经济发展与国防建设的主要技术之一,在汽车、航天航空、装备制造、兵器、能源、造船等行业具有广泛用途。金属体积成形技术具有产品机械性能好、生产效率高、节省原材料等优点,但是同时也具有模具成本高、生产周期长、浪费能源、污染环境等缺点。在全球“低碳经济”和“节能减排”的大形势下,如何扬长避短,适应新的发展形势,成为金属体积塑性加工技术研究新的任务和要求。金属体积成形过程是一个受多因素影响的复杂物理过程,材料性能、模具形状、毛坯形状、工艺参数、成形温度等对成形过程都有影响,这使其工艺和模具设计变得非常复杂,传统的经验设计方法,通常会带来设备、材料和时间浪费的弊端。对金属体积成形过程进行准确的数值模拟不但可以节省昂贵的实验费用,而且对合理确定成形工艺、保证模具设计的一次性成功具有重要的理论指导意义和工程实用价值。随着数值计算方法和计算机技术的发展,数值模拟分析方法已经成为解决工程问题的重要方法,其中有限元方法最为成熟,在金属体积成形过程数值模拟中发挥着重要的作用。近年来,随着体积成形工艺的快速发展,目前的体积成形有限元模拟软件存在网格再划分次数多、复杂运动条件加载困难、大型问题分析效率低等问题,已不能满足体积成形有限元分析的需要。为此本文对金属体积成形有限元模拟的理论、算法和具体实现技术进行了研究,并建立了基于刚粘塑性理论的体积成形有限元模拟软件平台。对三维有限元网格的划分方法进行了研究,为解决有限元网格模型精度与单元数量的矛盾,提出了自适应网格划分的方法,对常用的六面体网格模型、四面体网格模型的自适应生成方法进行了研究；为了兼顾两种网格模型的优点,研究了四面体、六面体混合网格模型的自适应生成方法；提出了不同网格划分方法的选择原则,建立了三维初次网格划分算法。对三维有限元网格的再划分方法进行了研究,研究了畸变网格几何形状提取和修复的方法,提出了新旧网格物理场量传递的算法。为了提高物理场量的插值精度,提出了基于几何特征和计算物理场量的双重自适应网格再划分方法。为了提高网格再划分的效率,提出了三维有限元网格局部再划分技术,针对干涉网格提出了局部网格加密法；针对畸变网格提出了局部网格优化法和局部网格剖分法。制定了不同网格再划分方法的选择标准和原则。分析了目前的体积成形有限元模拟的理论和方法,采用刚粘塑性理论作为体积成形有限元分析的基本理论；研究了基于六面体网格模型、四面体网格模型及四面体、六面体混合网格模型等不同网格模型的刚粘塑性有限元总体刚度方程的建立方法和求解方法。对三维金属体积成形有限元分析计算的关键技术进行了研究,提出了基于STL文件数据重构的模具三维几何形状的描述方法；提出了一种局部坐标系的建立方法,保证了接触模具和对称约束边界条件的正确施加；研究了模具复杂运动的处理方法,确定了模具运动的描述方法,给出了模具速度求解方法和模具位置更新方法；提出了三维动态边界条件的处理方法,采用相对位置法判断节点的触模情况,采用最短距离法处理触模节点的位置调整问题；为了提高分析计算的效率,减少存储空间的消耗,提出了总体刚度方程的压缩存储算法和总体刚度方程的高效求解方法。在关键技术研究的基础上,开发了三维金属体积成形有限元模拟分析计算系统。研究了三维温度场有限元分析的基本理论和关键技术,开发了三维温度场有限元分析系统；研究了热力耦合有限元模拟的基本理论及关键技术,如温度场震荡的处理、热热力学参数的处理、速度场和温度场相互影响的处理等关键技术；在理论基础和关键技术研究的基础上,将三维温度场有限元分析系统与三维金属体积成形有限元模拟分析计算系统相结合,应用间接耦合的方法建立了三维金属体积成形热力耦合有限元模拟计算系统。基于三维金属体积成形有限元模拟辅助子系统关键技术和实现方法的研究,开发了三维金属体积成形有限元模拟辅助子系统,主要包括：建立有限元模型的前处理系统,分析有限元计算结果的后处理系统,支撑系统运行的数据库系统。将这些辅助子系统与三维金属体积成形有限元计算系统相结合,构建了三维金属体积成形有限元模拟软件平台CASFORM-3D系统。通过典型的体积成形工程实例的模拟,将模拟结果与商业化软件DEFORM-3D的模拟结果进行了比较,二者吻合良好,验证了本文建立的关键技术和相关处理算法的准确性、可行性以及所构建系统的可靠性。

全文目录

摘要  13-15
ABSTRACT  15-19
符号说明  19-21
第一章绪论  21-39
  1.1 引言  21-22
  1.2 有限元研究现状概述  22-25
    1.2.1 有限元理论研究现状概术  22-23
    1.2.2 有限元软件研究现状概术  23-25
  1.3 体积成形有限元模拟的应用现状  25-29
    1.3.1 体积成形有限元模拟的应用现状  25-27
    1.3.2 基于有限元的体积成形工艺优化  27-29
  1.4 体积成形有限元模拟关键技术研究现状  29-36
    1.4.1 体积成形有限元网格划分方法的研究现状  30-33
    1.4.2 体积成形有限元分析计算系统的研究现状  33-34
    1.4.3 体积成形有限元模拟辅助系统的研究现状  34-36
  1.5 本文的主要研究内容  36-39
第二章三维金属体积成形有限元模拟基本理论  39-51
  2.1 引言  39-40
  2.2 刚粘塑性有限元基本方程  40-42
    2.2.1 刚粘塑性有限元的基本假设  40
    2.2.2 刚粘塑性有限元的基础公式  40-41
    2.2.3 刚粘塑性有限元的基本原理  41-42
  2.3 刚粘塑性有限元刚度矩阵  42-50
    2.3.1 六面体网格刚粘塑性有限元刚度矩阵  43-48
    2.3.2 四面体网格刚粘塑性有限元刚度矩阵  48-50
  2.4 本章小结  50-51
第三章三维金属体积成形有限元网格划分与再划分方法研究  51-81
  3.1 引言  51-52
  3.2 三维有限元网格自适应划分  52-65
    3.2.1 加密单元信息场建立  52-54
    3.2.2 六面体网格自适应划分  54-62
    3.2.3 四面体网格自适应划分  62
    3.2.4 混合网格自适应划分  62-64
    3.2.5 网格划分方法的选择原则  64-65
  3.3 三维有限元网格自适应再划分  65-76
    3.3.1 网格再划分判断标准  65-66
    3.3.2 网格再划分几何模型处理  66-70
    3.3.3 新旧网格物理场传递  70-71
    3.3.4 双重自适应网格再划分  71-73
    3.3.5 自适应网格再划分实例  73-76
  3.4 三维有限元网格局部再划分  76-80
    3.4.1 干涉网格的局部再划分  76-78
    3.4.2 畸变网格的局部再划分  78-80
  3.5 本章小结  80-81
第四章三维金属体积成形有限元分析计算关键技术研究  81-119
  4.1 引言  81-82
  4.2 三维模具形状的描述方法  82-84
  4.3 三维边界条件的施加方法  84-90
    4.3.1 速度边界条件的施加  84-85
    4.3.2 混合边界条件的施加  85-90
  4.4 三维复杂运动的处理技术  90-95
    4.4.1 模具复杂运动的描述  90-91
    4.4.2 模具瞬时速度的求解  91-93
    4.4.3 模具位置更新的实现  93-95
  4.5 三维动态边界条件的处理  95-99
    4.5.1 自由节点的触模判断  95-97
    4.5.2 触模节点的位置调整  97-98
    4.5.3 触模节点的脱模判断  98-99
  4.6 总体刚度矩阵压缩存储技术  99-107
    4.6.1 总体刚度矩阵非零元素确定  99-101
    4.6.2 总体刚度矩阵非零元素存储原理  101-102
    4.6.3 总体刚度矩阵压缩存储生成方法  102-104
    4.6.4 总体刚度矩阵压缩存储程序流程  104-106
    4.6.5 总体刚度矩阵压缩存储方法分析  106-107
  4.7 总体刚度方程高效求解方法研究  107-111
    4.7.1 初始速度场的确定  107-109
    4.7.2 衰减因子的确定  109-110
    4.7.3 线性方程组的求解  110-111
  4.8 三维体积成形有限元分析程序设计  111-114
    4.8.1 三维体积成形有限元模拟程序流程设计  111-113
    4.8.2 三维体积成形有限元模拟程序结构设计  113-114
  4.9 三维体积成形有限元模拟程序分析实例  114-118
    4.9.1 连杆预锻成形有限元模型建立  114
    4.9.2 连杆预锻成形有限元结果分析  114-118
  4.10 本章小结  118-119
第五章三维金属体积成形有限元热力耦合关键技术研究  119-131
  5.1 引言  119
  5.2 热力耦合模拟基本理论  119-127
    5.2.1 温度场有限元基本方程  119-124
    5.2.2 热力耦合模拟基本原理  124-127
  5.3 热力耦合模拟关键技术  127-128
    5.3.1 温度场震荡的处理  127
    5.3.2 热力学参数的处理  127-128
    5.3.3 速度场对温度场影响的处理  128
    5.3.4 温度场对速度场影响的处理  128
  5.4 热力耦合模拟工程实例  128-130
    5.4.1 热力耦合有限元模型建立  129
    5.4.2 热力耦合有限元模拟结果分析  129-130
  5.5 本章小结  130-131
第六章三维金属体积成形有限元辅助系统关键技术研究  131-151
  6.1 引言  131-132
  6.2 前处理系统的建立  132-139
    6.2.1 前处理功能分析  132-133
    6.2.2 前处理关键算法  133-134
    6.2.3 前处理系统演示  134-139
  6.3 后处理系统的建立  139-146
    6.3.1 后处理功能分析  139-140
    6.3.2 后处理关键算法  140-142
    6.3.3 后处理系统演示  142-146
  6.4 接口文件的建立  146-148
    6.4.1 接口文件的内容  146
    6.4.2 接口文件的数据结构  146-147
    6.4.3 接口文件的存储结构  147-148
    6.4.4 DEFORM-3D接口文件的建立  148
  6.5 材料数据库的建立  148-150
    6.5.1 基于流动应力模型的材料数据库  148-149
    6.5.2 基于试验数据的材料数据库  149-150
  6.6 本章小结  150-151
第七章三维金属体积成形有限元模拟软件平台的应用  151-165
  7.1 引言  151
  7.2 挤压成形模拟实例  151-154
    7.2.1 挤压成形模拟模型  151-153
    7.2.2 挤压成形试验验证  153-154
  7.3 转向节锻造模拟实例  154-164
    7.3.1 转向节锻造工艺方案  154-156
    7.3.2 整体拔长工步模拟  156-157
    7.3.3 杆部拔长工步模拟  157-159
    7.3.4 劈挤叉部工步模拟  159-162
    7.3.5 预锻成形工步模拟  162-164
  7.4 本章小结  164-165
第八章结论与展望  165-168
  8.1 结论  165-167
  8.2 展望  167-168
参考文献  168-177
致谢  177-178
攻读博士学位期间完成的论文  178-179
攻读博士学位期间参与的科研项目  179-180
攻读博士学位期间获得的奖励  180-181
附录:英文论文  181-199
学位论文评阅及答辩情况表  199

三维金属体积成形过程有限元模拟若干关键技术研究与系统开发

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