中南林業(yè)科技大學畢 業(yè) 論 文2007 年 6 月前 言有 限 單 元 法 是 隨 著 電 子 計 算 機 的 發(fā) 展 而 迅 速 發(fā) 展 起 來 的 一 種 現(xiàn) 代 計算 方 法 。 它 是 50 年 代 首 先 在 連 續(xù) 體 力 學 領 域 -飛 機 結(jié) 構(gòu) 靜 、 動 態(tài) 特 性分 析 中 應 用 的 一 種 有 效 的 數(shù) 值 分 析 方 法 ， 隨 后 很 快 廣 泛 的 應 用 于 求 解 熱傳 導 、 電 磁 場 、 流 體 力 學 等 連 續(xù) 性 問 題 。 有 限 元 法 最 初 被 稱 為 矩 陣 近似 方 法 ， 應 用 于 航 空 器 的 結(jié) 構(gòu) 強 度 計 算 ， 并 由 于 其 方 便 性 、 實 用 性 和 有效 性 而 引 起 從 事 力 學 研 究 的 科 學 家 的 濃 厚 興 趣 。 經(jīng) 過 短 短 數(shù) 十 年 的 努 力 ，隨 著 計 算 機 技 術 的 快 速 發(fā) 展 和 普 及 ， 有 限 元 方 法 迅 速 從 結(jié) 構(gòu) 工 程 強 度 分析 計 算 擴 展 到 幾 乎 所 有 的 科 學 技 術 領 域 ， 成 為 一 種 豐 富 多 彩 、 應 用 廣 泛并 且 實 用 高 效 的 數(shù) 值 分 析 方 法 。 將 有 限 元 分 析 應 用 于 沖 壓 工 藝 的 模 具設 計 中 ， 可 以 避 免 僅 憑 經(jīng) 驗 和 試 制 這 種 傳 統(tǒng) 的 模 具 設 計 方 法 所 帶 來 的 弊端 ， 可 以 節(jié) 省 昂 貴 的 模 具 試 驗 費 用 ， 指 導 模 具 設 計 制 造 ， 縮 短 產(chǎn) 品 更 新周 期 。本 次 畢 業(yè) 設 計 就 是 應 用 有 限 元 分 析 軟 件 ANSYS 對 板 材 的 彎 曲 過程 進 行 模 擬 仿 真 ， 對 板 材 彎 曲 后 的 應 力 和 變 形 情 況 進 行 計 算 分 析 并查 找 面 板 彎 曲 后 最 大 應 力 和 最 大 變 形 的 發(fā) 生 點 ， 通 過 方 案 對 比 得 出模 具 結(jié) 構(gòu) 的 最 佳 工 藝 參 數(shù) 即 最 佳 的 凸 、 凹 間 隙 ， 優(yōu) 化 模 具 的 結(jié) 構(gòu) 設 計 。這 次 設 計 是 在 參 閱 了 大 量 文 獻 并 在 張 艷 君 導 師 的 輔 導 下 完 成 的 。由 于 本 人 設 計 經(jīng) 驗 不 足 ， 所 學 知 識 有 限 ， 錯 誤 之 處 在 所 難 免 ， 敬請 各 位 老 師 批 評 指 正 ， 以 便 完 善 。編 者 目 錄中文摘要1英文摘要21 緒論1.1 CAE 技術1.2 有限單元法1.3 ANSYS 軟件1.4 本章小結(jié)2 金屬工藝數(shù)值模擬2.1 基本概念2.2 基本原理2.3 作用2.4 本章小結(jié)3 彎曲工藝機理分析3.1 板料彎曲變形分析3.2 板料回彈的機理分析3.3 本章小結(jié)4 參數(shù)計算及方案確定4.1 問題描述4.2 門面板成形工藝過程4.3 計算過程4.4 方案確定4.5 本章小結(jié)5 ANSYS 建模簡化5.1 模型的簡化與分析5.2 板料彎曲過程的簡化5.3 本章小結(jié)6 彎曲工藝的 ANSYS 分析6.1 前處理操作6.2 求解操作6.3 后處理操作6.4 本章小結(jié)7 結(jié)果與誤差分析7.1 面板的回彈分析7.2 面板的應力分析7.3 本章小結(jié)結(jié) 語致 謝參考文獻中 文 摘 要本設計是采用有限元分析軟件 ANSYS，對板材彎曲成形過程進行模擬仿真，根據(jù)理論間隙值范圍調(diào)整凸、凹模單邊間隙，分析回彈和應力集中區(qū)。通過分析比較得到較理想的間隙值，從而達到優(yōu)化設計的效果。通過準確地模擬出模具與板料之間的動態(tài)接觸，在全面分析板料與模具接觸邊界動態(tài)變化的基礎上，結(jié)合 ANSYS 軟件給出了模型的幾何描述、接觸算法選擇、接觸摩擦模型的建立等具體方法。通過具體應用實例分析，證明了這些方法應用于板料彎曲成形分析的可行性，而其變形規(guī)律具有一定的典型性。研究這類彎曲件的成形規(guī)律，不僅對這類件成形工藝參數(shù)和工藝步驟的確定是至關重要的，同時也是進一步認識復雜件成形規(guī)律的基礎。應用 ANSYS 軟件對板材彎曲成形過程進行有限元分析并優(yōu)化設計，可以避免許多由傳統(tǒng)的模具設計方法所導致的設計缺陷，提高成品率和生產(chǎn)效率。關鍵詞 有限元 ANSYS 彎曲 模擬仿真 間隙 回彈 應力 規(guī)律外 文 摘 要 Title Gate Kneading Board Curving Forming Value SimulationAbstractThis design uses finite element analysis software ANSYS, carries on the simulation simulation to the sheet curving forming process, according to theory gap value range adjustment raised, concave mold unilateral gap, analysis snapping back and stress concentration area. Obtains the ideal gap value through the analysis comparison, thus achieves the optimized design the effect. Through simulates between the mold and the sheet dynamic contact accurately, contacts the boundary dynamic change in the comprehensive analysis sheet and the mold in the foundation, unified the ANSYS software to give the model geometry description, the contact algorithm choice, the contact friction model establishment and so on the concrete method. Through the concrete application example analysis, had proven these methods apply in the sheet curving forming analysis feasibility， But its distortion rule has certain typical nature. Studies this kind of curving formed rule, not only to this kind of formed craft parameter and the craft step determination is very important, simultaneously also is further knows the duplicate miscellaneous items forming rule the foundation. Visits the kneading board curving forming process using the ANSYS software to the refrigerator to carry on the finite element analysis and to optimize the design, may avoid many the design flaw which causes by the traditional mold design method, enhances the rate of finished products and the production efficiency. Keywords Finite element ANSYS curving simulation gap snapping back stress rule1.緒 論1.1 CAE 技術1.1.1 CAE 的概念與分類CAE 是計算機輔助工程(Computer-Aided Engineering)的英文簡稱，隨著計算技術的發(fā)展，企業(yè)可以建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機，并模擬產(chǎn)品及零件的工況，對零件和產(chǎn)品進行工程校驗、有限元分析和計算機仿真。在產(chǎn)品開發(fā)階段，企業(yè)應用 CAE 能有效地對零件和產(chǎn)品進行仿真檢測，確定產(chǎn)品和零件的相關技術參數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化產(chǎn)品設計，并極大降低產(chǎn)品開發(fā)成本。在產(chǎn)品維護檢修階段能分析產(chǎn)品故障原因，分析質(zhì)量因素等。 有限元分析在 CAE 中運用最廣，有限單元法的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個簡單單元的組合，用這些單元的集合來模擬或逼近原來的物體，從而將一個連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題。物體被離散后，通過對其中各個單元進行單元分析，最終得到對整個物體的分析結(jié)構(gòu)。隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷增大和逼近真實情況。如圖 1-1 所示為現(xiàn)行 CAE 軟件的結(jié)構(gòu)示意圖:CAE 軟件可分為專用與通用兩類，前者主要是針對特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析，預測和優(yōu)化的軟件，它以在某個領域中的應用深入而見長，如美國 ETA 公司的汽車專用 CAE 軟件 LS/YNA3D 及 ETA/FEMB 等。通用型軟件可對多種類型工程和產(chǎn)品的物理力學性能進行分析、模擬、預測、評價利優(yōu)化 ，以實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的軟件，它以覆蓋的應用范圍廣而著稱，如ANSYS、NASTRAN、MARC 等 。CAE 軟件的主要價值在于：在設計階段，通過對工程和產(chǎn)品進行加工、性能和安全可靠性的模擬，可以及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，并預測工程產(chǎn)品的可靠性與實用性，為工程實施、產(chǎn)品創(chuàng)新提供技術保障。CAE 技術的發(fā)展動力是 CAD/CAM 技術水平和應用水平的提高，CAE 技術的發(fā)展條件是計算機及圖形顯示設備的推出，CAE 軟件的理論基礎是有限元、邊界元法等現(xiàn)代計算力學方法，其核心內(nèi)容是計算機模擬和仿真。1.1.2 CAE 的作用與發(fā)展美國上市公司 Moldflow 公司是專業(yè)從事注塑成型 CAE 軟件和咨詢公司，自 1976 年發(fā)行了世界上第一套流動分析軟件以來，一直主導塑料成型 CAE 軟件市場。近幾年，在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領域得到了廣泛應用。利用 CAE 技術可以在模具加工前，在計算機上對整個注塑成型過程進行模擬分析，準確預測熔體的填充、保壓、冷卻情況，以及制品中的應力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設計者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改制件和模具設計，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設計方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修報廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大的技術經(jīng)濟意義。塑料模具的設計不但要采用 CAD 技術，而且還要采用 CAE 技術。這是發(fā)展的必然趨勢。注塑成型分兩個階段，即開發(fā)/設計階段（包括產(chǎn)品設計、模具設計和模具制造）和生產(chǎn)階段（包括購買材料、試模和成型） 。傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前，由于設計人員憑經(jīng)驗與直覺設計模具，模具裝配完畢后，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅需要重新設置工藝參數(shù)，甚至還需要修改塑料制品和模具設計，這勢必增加生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品開發(fā)周期。采用 CAE 技術，可以完全代替試模，CAE 技術提供了從制品設計到生產(chǎn)的完整解決方案，在模具制造之前，預測塑料熔體在型腔中的整個成型過程，幫助研判潛在的問題，有效地防止問題發(fā)生，大大縮短了開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。近年來，CAE 技術在注塑成型領域中的重要性日益增大，采用 CAE 技術可以全面解決注塑成型過程中出現(xiàn)的問題。CAE 分析技術能成功地應用于三組不同的生產(chǎn)過程，即制品設計、模具設計和注塑成型。制品設計制品設計者能用流動分析解決下列問題：(1) 制品能否全部注滿 這一古老的問題仍為許多制品設計人員所注目，尤其是大型制件，如蓋子、容器和家具等。(2) 制件實際最小壁厚 如能使用薄壁制件，就能大大降低制件的材料成本。減小壁厚還可大大降低制件的循環(huán)時間，從而提高生產(chǎn)效率，降低塑件成本。(3)澆口位置是否合適 采用 CAE 分析可使產(chǎn)品設計者在設計時具有充分的選擇澆口位置的余地，確保設計的審美特性。模具設計和制造CAE 分析可在以下諸方面輔助設計者和制造者，以得到良好的模具設計：(1) 良好的充填形式 對于任何的注塑成型來說，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、經(jīng)濟。單向充填是一種好的注塑方式，它可以提高塑件內(nèi)部分子單向和穩(wěn)定的取向性。這種填充形式有助于避免因不同的分子取向所導致的翹曲變形。(2)最佳澆口位置與澆口數(shù)量 為了對充填方式進行控制，模具設計者必須選擇能夠?qū)崿F(xiàn)這種控制的澆口位置和數(shù)量，CAE 分析可使設計者有多種澆口位置的選擇方案并對其影響作出評價。(3)流道系統(tǒng)的優(yōu)化設計 實際的模具設計往往要反復權(quán)衡各種因素，盡量使設計方案盡善盡美。通過流動分析，可以幫助設計者設計出壓力平衡、溫度平衡或者壓力、溫度均平衡的流道系統(tǒng)，還可對流道內(nèi)剪切速率和摩擦熱進行評估，如此，便可避免材料的降解和型腔內(nèi)過高的熔體溫度。(4)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設計 通過分析冷卻系統(tǒng)對流動過程的影響，優(yōu)化冷卻管路的布局和工作條件，從而產(chǎn)生均勻的冷卻，并由此縮短成型周期，減少產(chǎn)品成型后的內(nèi)應力。(5)減小反修成本 提高模具一次試模成功的可能性是 CAE 分析的一大優(yōu)點。反復地試模、修模要耗損大量的時間和金錢。此外，未經(jīng)反復修模的模具，其壽命也較長。注塑成型注塑者可望在制件成本、質(zhì)量和可加工性方面得到 CAE 技術的幫助：(1) 更加寬廣更加穩(wěn)定的加工“ 裕度” 流動分析對熔體溫度、模具溫度和注射速度等主要注塑加工參數(shù)提出一個目標趨勢，通過流動分析，注塑者便可估定各個加工參數(shù)的正確值，并確定其變動范圍。會同模具設計者一起，他們可以結(jié)合使用最經(jīng)濟的加工設備，設定最佳的模具方案。(2) 減小塑件應力和翹曲 選擇最好的加工參數(shù)使塑件殘余應力最小。殘余應力通常使塑件在成型后出現(xiàn)翹曲變形，甚至發(fā)生失效。(3) 省料和減少過量充模 流道和型腔的設計采用平衡流動，有助于減少材料的使用和消除因局部過量注射所造成的翹曲變形。(4)最小的流道尺寸和回用料成本 流動分析有助于選定最佳的流道尺寸。以減少澆道部分塑料的冷卻時間，從而縮短整個注射成型的時間，以及減少變成回收料或者廢料的澆道部分塑料的體積。1.2 有限單元法1.2.1 基本概念與發(fā)展有限單元法是應用數(shù)值分析技術并借助于電子計算機的高速、大容量的功能把復雜的工程結(jié)構(gòu)的強度、剛度及動態(tài)特性分析計算問題轉(zhuǎn)化為概念淺顯、容易掌握、適應范圍廣泛和精確度高的一種分析計算方法。其基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是有許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單）的近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件）從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解。由于大多數(shù)實際問題難以得到準確解而有限元不僅計算精度高而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。有限單元法最初是在二十世紀五十年代