三維金屬體積成形過程有限元模擬若干關鍵技術研究與系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、金屬體積成形工藝就是將金屬材料，在鍛壓設備及安裝在其上的模具作用下發(fā)生塑性變形，成形為所需形狀和性能工件的工藝過程，金屬體積成形工藝主要包括鍛造、擠壓、軋制、輥鍛、楔橫軋等。在工業(yè)生產中，金屬體積成形制造技術是支撐國民經濟發(fā)展與國防建設的主要技術之一，在汽車、航天航空、裝備制造、兵器、能源、造船等行業(yè)具有廣泛用途。金屬體積成形技術具有產品機械性能好、生產效率高、節(jié)省原材料等優(yōu)點，但是同時也具有模具成本高、生產周期長、浪費能源、污染環(huán)境等

2、缺點。在全球“低碳經濟”和“節(jié)能減排”的大形勢下，如何揚長避短，適應新的發(fā)展形勢，成為金屬體積塑性加工技術研究新的任務和要求。
　　 金屬體積成形過程是一個受多因素影響的復雜物理過程，材料性能、模具形狀、毛坯形狀、工藝參數、成形溫度等對成形過程都有影響，這使其工藝和模具設計變得非常復雜，傳統(tǒng)的經驗設計方法，通常會帶來設備、材料和時間浪費的弊端。對金屬體積成形過程進行準確的數值模擬不但可以節(jié)省昂貴的實驗費用，而且對合理確定成形工藝

3、、保證模具設計的一次性成功具有重要的理論指導意義和工程實用價值。隨著數值計算方法和計算機技術的發(fā)展，數值模擬分析方法已經成為解決工程問題的重要方法，其中有限元方法最為成熟，在金屬體積成形過程數值模擬中發(fā)揮著重要的作用。近年來，隨著體積成形工藝的快速發(fā)展，目前的體積成形有限元模擬軟件存在網格再劃分次數多、復雜運動條件加載困難、大型問題分析效率低等問題，已不能滿足體積成形有限元分析的需要。為此本文對金屬體積成形有限元模擬的理論、算法和具體實

4、現(xiàn)技術進行了研究，并建立了基于剛粘塑性理論的體積成形有限元模擬軟件平臺。
　　 對三維有限元網格的劃分方法進行了研究，為解決有限元網格模型精度與單元數量的矛盾，提出了自適應網格劃分的方法，對常用的六面體網格模型、四面體網格模型的自適應生成方法進行了研究；為了兼顧兩種網格模型的優(yōu)點，研究了四面體、六面體混合網格模型的自適應生成方法；提出了不同網格劃分方法的選擇原則，建立了三維初次網格劃分算法。對三維有限元網格的再劃分方法進行了研究

5、，研究了畸變網格幾何形狀提取和修復的方法，提出了新舊網格物理場量傳遞的算法。為了提高物理場量的插值精度，提出了基于幾何特征和計算物理場量的雙重自適應網格再劃分方法。為了提高網格再劃分的效率，提出了三維有限元網格局部再劃分技術，針對干涉網格提出了局部網格加密法；針對畸變網格提出了局部網格優(yōu)化法和局部網格剖分法。制定了不同網格再劃分方法的選擇標準和原則。
　　 分析了目前的體積成形有限元模擬的理論和方法，采用剛粘塑性理論作為體積成形

6、有限元分析的基本理論；研究了基于六面體網格模型、四面體網格模型及四面體、六面體混合網格模型等不同網格模型的剛粘塑性有限元總體剛度方程的建立方法和求解方法。對三維金屬體積成形有限元分析計算的關鍵技術進行了研究，提出了基于STL文件數據重構的模具三維幾何形狀的描述方法；提出了一種局部坐標系的建立方法，保證了接觸模具和對稱約束邊界條件的正確施加；研究了模具復雜運動的處理方法，確定了模具運動的描述方法，給出了模具速度求解方法和模具位置更新方法；

7、提出了三維動態(tài)邊界條件的處理方法，采用相對位置法判斷節(jié)點的觸模情況，采用最短距離法處理觸模節(jié)點的位置調整問題；為了提高分析計算的效率，減少存儲空間的消耗，提出了總體剛度方程的壓縮存儲算法和總體剛度方程的高效求解方法。在關鍵技術研究的基礎上，開發(fā)了三維金屬體積成形有限元模擬分析計算系統(tǒng)。
　　 研究了三維溫度場有限元分析的基本理論和關鍵技術，開發(fā)了三維溫度場有限元分析系統(tǒng)；研究了熱力耦合有限元模擬的基本理論及關鍵技術，如溫度場震蕩

8、的處理、熱熱力學參數的處理、速度場和溫度場相互影響的處理等關鍵技術；在理論基礎和關鍵技術研究的基礎上，將三維溫度場有限元分析系統(tǒng)與三維金屬體積成形有限元模擬分析計算系統(tǒng)相結合，應用間接耦合的方法建立了三維金屬體積成形熱力耦合有限元模擬計算系統(tǒng)。
　　 基于三維金屬體積成形有限元模擬輔助子系統(tǒng)關鍵技術和實現(xiàn)方法的研究，開發(fā)了三維金屬體積成形有限元模擬輔助子系統(tǒng)，主要包括：建立有限元模型的前處理系統(tǒng)，分析有限元計算結果的后處理系統(tǒng)，