棒材热挤压过程模拟

铜陵学院课程实验报告实验名称棒材热挤压过程模拟实验课程材料成型计算机模拟指导教师专业班级姓 名学 号2012 年04 月23日实验二 棒材热挤压过程模拟1 实验目的与内容1.1 实验目的进一步熟悉 DEFORM 软件前处理、后处理的操作方法，掌握热力耦合数值模拟的 模拟操作。深入理解并掌握 DEFORM 软件分析热挤压的塑性变形力学问题。1.2 实验内容运用DEFORM模拟如图2所示的黄铜（DIN_CuZn40Pb2）棒挤压过程（已知：坯料 98x60mm）。（一）挤压条件与参数5 960 _挤压垫1525挤压筒-挤压模0O7T图2棒材热挤压示意图挤压工具：尺寸如图所示，材质DIN-D5-1U,COLD，温度350。 坯料：材质 DIN_CuZn40Pb2，尺寸98X60，温度 630。 工艺参数：挤压速度10mm/s，摩擦系数0.1。(二)实验要求(1) 运用PRO/E绘制各模具部件及棒料的三维造型，以st格式输出；(2) 设计模拟控制参数；(3) DEFORM 前处理与运算；(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) 运用DEFORM后处理FlowNet (流动栅格)功能观察金属流动的不均匀性, 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 挤压工模具及工件的三维造型根据给定的几何尺寸，运用 PRO/E 分别绘制坯料、挤压垫、挤压模、挤压筒的 几何实体，文件名称分别为workpiece，top die，bottom die，object 4。输出stl格式。2.2 挤压模拟2.2.1 前处理建立新问题:程序TDEF0RM6.1TFileTNew Problem NextT在 Problem Name 栏中填写Stick extrusionT FinishT进入前前处理界面；单位制度选择：点击Simulation Control按钮，点击Main，在Units栏中选中SI， 并在 Simulation Title 栏中填入“Stick extrusion，勾选“Deformation和“Heat Transfer”。添加对象：点击+按钮添加对象，依次为“Workpiece、“top die、“bottom die 以及“ object 4。定义对象材料：在对象树上选择workpiece，点击General按钮设置物体类型为 Plastic，填入温度630C ；点击Material，选择DIN-CuZn40Pb2完成材料属性的添加。导入毛坯：导入已经画好的 workpiece 的几何实体；对几何实体进行几何检查， 质量符合的图形才能进行网格划分并计算，检查质量合格。实体网格化：在对象树上选择workpiece，点击 Mesh，选择Detailed Settings选 项卡，将类型(Type)改为绝对的(Absolute)，尺寸比(Size Ratio)改为2，最小 单元尺寸(Min Element)改为3,然后生成实体网格。工件体积补偿：在对象树上选择workpiece，点击Property，在Target Volume卡 上选中Active in FEM + meshing，自动生成体积补偿。用样的方法定义上模top die，物体类型为Rigid，温度为350C，勾选Primary Die。 设置上模参数，进入运动参数窗口，设置参数Direction为-Z, Speed为10mm/s。 定义下模bottom die，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。定义object 4，与上模方法相同，但不勾选Primary Die。模拟控制设置：点击Simulation Control按钮，点击Step按钮T在Number of Simulation Steps 填入模拟步数为30(计算得出的) TStep Increment to Save 设置存 储增量为3t在Primary Die栏中选择top dieT在 With DieDisplacement栏中填入步 长为It点击OK按钮完成模拟设置；点击Stop,在Die Distance选项卡中设置Z轴 距离为-30。调整对象位置关系：在工具栏点击 Object Positioning 按钮进入对象位置关系调 整对话框t改变X、Y、Z的数值来调整位置t点击OK按钮完成。边界条件定义：在工具栏上点击Inter-Object按钮t在对话框上选择workpiece 一topdiet点击 Edit 按钮t点击 Deformation 卡 Friction 栏上选中 Shear 和 Constant 选项，填入摩擦系数类型Hot Forging (Lubricated) t点击Thermalt选中Constant选 项，填入传热类型如Fomging t点击Close按钮t如此重复，依次设置其它接触关 系t点击Generate all按钮点击tolerace按钮t点击OK按钮完成边界条件设置。保存k文件：在对象树上选择workpiecet点击Save按钮t点击保存按钮t保 存工件的前处理信息t重复操作，依次保存各工模具的信息。2.2.2 生成库文件在工具栏上点击Database generation按钮 t在Type栏选中New选项t选择路 径(英文)t填入数据库文件名(英文)，如stick extrusion t点击Check按钮t没 有错误信息则点击Generate按钮t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stick extrusion.DB文件t单击Run按钮， 进入运算对话框t单击Start按钮开始运算t单击Stop按钮停止运算t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stick extrusion.DB文件t在Post Processor 栏中单击DEFORM-3D Post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Max Stress，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Max Strain，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Load Stroke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Point Tracking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。(8)流动网格分析：点击Flow Net按钮，在对话框中分别选择St ar ting step Ending ste的数值，点击Next,选择Surface net点击Next,选中Parallel点击 Next,确定起点平面、终点平面，输入方向矢量和分割面的数量，点击Next,点击 Finish生成金属流动网格数据，点击播放按钮查看流动格变化情况。3实验结果与分析3.1观察工件变形过程T面是棒材挤压变形图如下图1所示，分别选取第1、20、60和78步的模拟情况:图1棒材挤压变形过程 分别取第1、20、60和78步的变形图3.2观察温度变化及点追踪分析1) 后处理中观察温度变化云图如图2所示,点击播放按钮选择第50步查看温度 变化分布情况。在整个挤压过程中，中部的温度分布比较均匀且较高，因为工件中 心不与空气和挤压模具接触，散热和传热都很少；远离挤压垫一端的温度最高，而 与挤压垫相接触的一端温度最低，主要是由于在挤压过程中与挤压垫接触的一端存 在着热交换，使温度降低，不接触的一端在整个过程中金属流动较激烈，且因散热 不好和时间短，温度较接触端高且变化不大。2) 后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Temperature点击播放按钮选择第50 步查看温度变化情况，如图3所示。在坯料上所选的三点的温度分布整体上是呈小 幅度的下降趋势，主要在模拟成型过程中存在工件和工具以及外界的热交换、热量 损失，所以温度会有所下降但幅度很小，因为在热传递和热量散失的过程中接触摩擦会产生热量，所以跟踪点的温度降幅很小。但曲线整体呈下降趋势，只是下降的 缓急情况不同，这是因为坯料个部分的散热情况不同造成的。P1点就是因为与挤压 垫接触发生热交换，致使温度急剧下降，而P2点随上部温度下降也略有下降；中间 部分热量不能散出又不能发生热交换，P3点温度较高且稳定，P4点区域发生剧烈变 形，温度最高，挤压速度快散热效果不好，温度后期上升。T如口L.,图2温度变化云图图3温度变化3.3观察最大应力分布1）后处理中观察最大应变云图如下图4所示,点击播放按钮选择第50步查看最 大应力分布情况。从图中可以清晰地看出，前段部分应力分布较均匀，且数值较大, 为三向压应力状态；从中还可以看出挤压过程中应力最大的位置出现在工件刚刚进 入挤压模的位置，因为在此处由于工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不 均匀变形也最大，产生较大的附加应力。未挤出的部分应力分布不均匀，中心部分 均匀但应力较小，以为有摩擦力时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。再者坯料上端部应力最小，这是 此处金属流动很难，变形很小，则应力很小，在图4中可以清晰的看出。2）后处理中在状态变量的下拉菜单中选择Max Stress，点击播放按钮选中第50 步查看应力分布及变化情况，如图5所示。从图中可以清晰地看出，前段部分应力 几乎不变呈直线平行横坐标，且其应力值很大，然后其应力曲线急剧下降，应力分 布不均匀，且变化幅度较大。因为工件的直径急剧变化，金属流动的阻力最大，不 均匀变形也最大产生较大的附加应力，所以也就出现了如图所示的情况。Stowt-Wr pilKIKilF图4最大应力云图Tf |WtJ图5最大应力曲线3.4观察最大应变分布1）后处理中观察最大应变云图如下图6所示,点击播放按钮选择第50步查看最 大应力分布情况，如图7所示。从图中可以清晰的看出，在整个挤压过程中离挤压 垫近端变形很小，此段属于均匀变形而且坯料的金属流动阻力最大；当坯料逐渐被 挤出模孔，后端变形区逐渐变小，与挤压垫接触界面的金属难以克服沾结力纵向补 充到流速最快的外层，进而导致中心缩尾现象，导致产品质量下降。然后应变最大 的位置出现在工件挤出挤压模孔的位置，此时工件部的主变形量最大，不均匀变形 也最大，即应变最大。中心内部位应变较小，坯料两端应变最小，因为此位置金属 流动阻力大。2）在状态变量的下拉菜单中选择Max Strain,点击播放按钮选中第50步的应变 分布及其变化情况：如图7所示。观察跟踪点Pl、P2、P3和P4,离挤压垫越近处 的应变越小，离挤压垫越远处的应变越大。P1点几乎贴近挤压垫下表面，几乎不发 生变形；P2点变形发生在坯料慢慢填充挤压筒而为进入挤压模中，应变较小；P3点 刚刚进入挤压模发生剧烈变形不均匀变形大，应变随之增大；P4点离挤压垫最远， 坯料挤压成型，挤压最严重，应变最大。图6最大应变云图PeM rrasriry图7最大应变曲线3.5观察工件破坏情况1）后处理中观察破坏系数云图如下图8所示,点击播放按钮选中第50步的破坏情况分布，随着挤压变形的进行，坯料破会愈严重，因为随着挤压过程的进行工件 的变形越来越大，不均匀变形也越严重，同时残余应力也增加，金属内部晶格畸变 也是越来越严重，则挤压变形的进行破坏情况越来越严重。2）在状态变量的下拉菜单中选择Damage，点击播放按钮选中第50步的破坏系 数分布曲线，由图9可以看出，开始阶段破坏系数几乎为零，因为开始阶段变形很 小；后期破坏系数整个都是增大的，因为随着挤压过程的进行工件的应变越来越大， 不均匀变形也越严重，同时残余应力也增加，金属内部晶格畸变也是越来越严重， 则挤压变形的进行就越容易破坏，所以工件的破坏系数是逐渐增加的。据点跟踪分 析显示，沿高度方向上均匀分布的三点P1和P2、P3。P1点的破坏系数几乎为零， P2略有增加，增加幅度很小，而P3点在挤压后期几乎成直线上升，这是因为前三 点挤压变形小，而P3点经过剧烈变形后挤出模孔后，应变大，不均匀变形严重，造 成晶格畸变，内部破坏严重。I ITI P nb丄图8工件破坏情况云图PM rrssring图9破坏系数3.6成型过程载荷曲线点击Load Stroke按钮，生成变形工具加载曲线图，如图10所示。从图中可以 看出，从0-1.89sec整个挤压过程的成型载荷总体上是沿直线逐渐增加的趋势，这 是因为主延伸变形随着压出制品长度的增加而增大，而挤压力与主延伸变形量大小 成正比，然而变形过程中应变不均匀造成曲线有点小起伏；随着挤压过程的进行， 工件和挤压模的接触面积越多，则受挤压模具的摩擦力就会逐渐增大，同时还会受 到金属内部原子的相互作用力，金属流动越来越困难，要求的挤压力也越大。图形 中出现的很小的起伏，主要是因为在挤压过程中DEFORM-3D成型软件进行了网络 的重划分，产生了均匀应变，挤压力小幅度降低，挤压力总体上呈上升趋势。另外 曲线图中部分阶段有波动，这是因为坯料表面的金属流动不均导致的。Load Predictsn0.D001.QD2.D1Time (sec)3.011025.02图10成型载荷曲线3.7流动网格分析下面选取地30步与60步流动网格分析的截图，观察网格流动情况。均匀分布 在坯料外部的网格随着坯料的变形，网格之间的距离发生明显改变；坯料下端变密 程度较大，上端较下端稀疏。从图中还可以看出：各层网格线任然是平行；这说明 是基本挤压阶段金属流动的特点，即坯料的中心层与外层之间的流动不紊乱，坯料 外层金属出模孔后仍在制品外层，不会流到制品中心。图9温度变化图11棒材挤压过程流动网格图4实验小结在挤压模拟过程中，也遇到许多问题。由于摩擦系数，挤压速度和散热系数等 不是实际生产模拟，造成挤压出来的管材表面粗糙不均，甚至出现缩尾。所以在实 际生产过程中棒材挤压的摩擦系数要经过实验得出，挤压速度要根据实际生产需要 以及制品表面质量的要求来确定，散热系数也要经过实验得出。在分析坯料的载荷 分布图时，出现了波浪起伏的现象，这是由于我们事先划分网格的挤压过程中运算 不了时，系统将将进行自动的网格划分，均匀后，然后再接着计算造成的。由于坯料各部分受力不均、摩擦不同以及挤出速度过快而产生飞边，导致坯料 挤出的部分出现弯曲现象，如果在实际生产中出现这种情况，则产品不合格；所以 我们应该控制好摩擦力和合理的挤出速度。通过这次模拟训练，我们学会了许多知识。复习了以前学习的 PROE 三维绘图 软件的使用，学会了 DEF0RM-3D的基本操作，熟悉了它实际生产中的应用，DEF0RM-3D 图形界面既强大又灵活，能够分析金属成型过程中多个关联对象的变形和热特性， 而且它还有自动重新网格划分的功能。DEFORM-3D的后处理可以对所需要的部位进 行充分的分析，它可主动生成曲线，为我们研究材料成型过程中的金属的性能的变 化提供重要的参考数据，使对于材料成型过程中有了更加的形象的了解。同时，在 运用office完成材料成形过程模拟实验的实验报告中，练习了 office软件的Word 等常用编辑软件的使用方法。