Deform在材料加工中的应用

2018-04-22 01:31:58 科教导刊·电子版 2018年34期
关键词:有限元机械设计应用

摘 要 有限元法广泛应用于科学计算、设计、分析中,解决了许多复杂的问题。在机械设计中已成为一个重要的工具。在有限元基本原理的基础上,介绍了有限元的概念 、有限元的分析步骤、有限元模拟软件DEFORM-3D、及其在机械设计中的应用。

关键词 有限元 DEFORM 机械设计 应用

中图分类号:TP319文献标识码:A

1有限元法

有限元法(FEA,Finite Element Analysis)的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成,对每一单元假定一个合适的(较简单的)近似解,然后推导求解这个域总的满足條件(如结构的平衡条件),从而得到问题的解。这个解不是准确解,而是近似解,因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解,而有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,因而成为行之有效的工程分析手段。

2有限元模拟软件DEFORM-3D

随着计算机技术的发展以及有限元理论的不断完善,有限元法在平面问题以及三维问题上都有显著的成就。近年来,有限元法与计算机软件的结合,为工程实际生产提供了可靠的理论基础。早先的有限元软件是OhSI、WuWT、AltanT等学者开发的一种二维的刚塑性/刚粘塑性有限元程序ALPID,该软件经过不断的演变成为现在的DEFORM。有限元模拟软件由二维到三维的转折,更好的描述了金属塑性成形的规律以及成形过程中应力场、应变场、温度场、速度场等的详尽数据,为实际生产提供可靠的数据。

3 DEFORM-3D软件的特点

(1)DEFORM-3D是一种功能强大的体积成形有限元模拟专用商业软件,其操作简单,易于使用,集成了成形分析、热传导耦合分析及模具应力分析等模块。在锻造、挤压、轧制以及切削等塑性成形工艺数值模拟中,它可用于分析研究各种金属在成形过程中的金属流动规律、成形载荷、模具应力、金属微观组织结构及成形缺陷等。DEFORM-3D是模拟金属流动的理想工具,它继承了强大的模拟引擎,能够分析金属体积成形过程中多个因素耦合作用问题。该软件还具有强大的网格重划分功能,当变形量超过设定值时能自动进行网格重划分,生成优化的网格系统。DEFORM-3D图形界面功能强大,而且操作简单,为用户提供了有效的数据输入及结果观察工具,节省了用户的操作时间,提高了模拟分析效率。

(2)DEFORM-3D软件的模块结构。DEFORM-3D软件主要由前处理模块、有限元分析模块、后处理模块以及用户处理模块组成。 前处理模块主要包括成形部件几何模型的建立及材料模型的建立、有限元网格划分、模具的运动控制和边界条件的设置等。有限元计算模块是DEFORM-3D的核心组成部分,所有数据都要经过此模块的计算处理送入后处理模块。后处理模块可以将模拟结果可视化输出,如三维材料的流动情况、材料的温度变化、材料的流动速度、成形载荷、等效应力、等效应变等可以将模拟数据以多种方法显示,包括彩色等值线图、云图、变形图及X-Y曲线,以便进行工艺分析及模具优化设计。 另外可以通过用户处理器对DEFORM-3D的数据库进行操作,对系统设置进行修改,以及定义自己的材料模型等。

4有限元法在机械方面中的应用

目前,有限元法在机械工程上的应用主要有以下几个方面:

(1)静力学分折。这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析,是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时间的变化十分缓慢,应进行静力学分析。

(2)模态分析。这是动力学分析的一种,用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。

(3)谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属动力学分析,用于研究结构对周期载荷和非周期戴荷的动态响应。

(4)热应力分析,这类分析用于研究结构的工作温度不等于安装温度时,或工作时结构内部存在温度分布时.结构内部的温度应力。

(5)接触分析。这是一种状态非线性分析,用于分析两个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的,所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。但是,以前受计算能力的制约,接触分析应用的较少。

(6)屈曲分析。这是一种几何非线性分析.用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状,例如压杆稳定性问题。

5结束语

有限元的应用大大提高了企业的设计效率,优化了设计方案,缩短了产品的开发周期。越来越多的企业和技术人员意识到DEFORM技术是一种巨大是生产力。可以预见, 不久的将来,有限元法的应用,必将更加普及,将会有更大的突破必将推动了科技进步和社会发展,并且会取得巨大的经济效益。

基金项目:四川省教育厅科研项目(17ZB0061);成都理工大学工程技术学院青年科学基金项目(C122016017)。

作者简介:骆静,男,硕士研究生,讲师,主要从事金属塑性成型研究。

参考文献

[1] 朱志飞,岑松.有限元法新论[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[2] 梁清香,张根全.有限元法与MARC实现[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3] 李开泰,黄艾香,黄庆怀.有限元方法及其应用[M].北京:北京科学出版社,2006.

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