1、鍛造成形軟件鍛造成形軟件DEFORM3D培訓培訓 報告人報告人：許沛許沛 日日 期：期：20122012年年9 9月月1717日日 課程大綱課程大綱：n1. 1. DEFORM-3D簡介n2. 2. DEFORM-3D模擬的技術特點n3. 3. 幾何模型處理幾何模型處理n4.4.網格劃分準則網格劃分準則n5.5.邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動分析分析n6.6.熱分析、模型對稱性以及模具應力分析熱分析、模型對稱性以及模具應力分析n7. 7. 工程案例演示工程案例演示DEFORM-3D簡介DEFORM-3D-專門用于處理各種制造工藝問題n鍛造n冷成形 n熱處理

2、n旋轉成型n軋制n開坯鍛造n金屬切削 n板材成形 課程大綱課程大綱：n1. 1. DEFORM-3D簡介n2. 2. DEFORM-3D模擬的技術特點n3. 3. 幾何模型處理幾何模型處理n4.4.網格劃分準則網格劃分準則n5.5.邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動分析分析n6.6.熱分析、模型對稱性以及模具應力分析熱分析、模型對稱性以及模具應力分析n7. 7. 工程案例演示工程案例演示3D模擬的特點3D模擬用于2D模擬不能求解的問題,主要有以下三類：n非軸對稱幾何形狀n軸對稱形狀，但是非軸對稱變形行為 (屈曲/坯料剪切)n非軸對稱變形行為 (擺碾成形或旋壓)

3、 （最終零件為軸對稱形狀）DEFORMDEFORM鍛造問題基本模擬流程鍛造問題基本模擬流程n定義模擬對象n定義幾何模型n根據模擬對象劃分網格n定義邊界條件n定義材料屬性n定義模具運動控制n定義各對象之間關系n定義模擬控制參數n生成計算數據庫文件，進行求解計算n后處理計算結果模擬前的工作n為什么進行模擬?n制定新的工藝n新工藝的可行性分析n工藝缺陷的形成原因n通過模擬得到什么?n折疊n流動缺陷n成形載荷n溫度n模擬需要花費的時間?n快速模擬：1小時以內n詳細模擬：數小時甚至更多. n1夜n數天（非常復雜的問題）幾何模型定義n幾何模型來源nCAD 實體造型軟件，.stl格式文件n其他的網格劃分軟件

4、 (例如Patran, Hypermesh)n其他的DEFORM-3D database 或 keyword 文件nDEFORM-2D文件，通過2D-3D 轉換器n幾何模型對于后續建模和計算至關重要n對于對稱模型，利用對稱性建模，降低計算量。網格劃分n網格劃分對計算時間和求解精度影響最大n用戶應對網格生成進行精確控制n單元細小，計算精度提高，計算時間增加n單元粗大，計算時間降低n適用于快速模擬n可能會造成遺漏細節問題n根據模擬問題選擇合適的單元尺寸邊界條件n主要的邊界條件： n熱邊界條件：溫度計算問題n對稱邊界條件：對稱性問題n其他的邊界條件用于高級計算n并不是所有的計算問題都需要定義邊界條件

5、其他設置n其他的前處理設置n材料n各對象之間關系n模擬控制集團沖壓技委會集團沖壓技委會模擬對象和計算時間n模擬計算時間從幾分鐘幾天，取決于計算問題及前處理設置。n選擇計算步數n選擇計算精度計算精度選擇 n單元尺寸 / 單元總數n步長n對稱性模擬目的n精確分析，驗證設計n精確模擬載荷，流動和填充情況n精確確定可能潛在的折疊或缺陷n所有的成形工步要求精確模擬n解決問題n確定缺陷存在的原因n要求詳細的模擬n根據工程經驗簡化模型n快速模擬n大概了解載荷及流動情況等信息n可能會節省了計算時間，丟失細節n可以采用粗網格，大時間步長n采用簡化CAD模型用戶界面n開放式的前處理器，可以設置各種控制參數n強大、

6、友好n以任何順序輸入數據 nF3 前處理器 采用向導式操作，對于傳統的成形工藝n單變形對象n工具直線運動n用戶根據提示一步步設置數據n專用模板n機械加工n開坯n預成形設計集團沖壓技委會集團沖壓技委會小結n模擬前明確模擬目的。n對于不能進行2D模擬的時候采用3D計算。n模擬設置對于計算時間和求解精度有重要影響，根據模擬對象合理的進行模擬設置。n計算硬件對于計算時間有直接影響。nDEFORM有開放式的前處理器，并針對專門問題提供模板，方便易用。 課程大綱課程大綱：n1. 1. DEFORM-3D簡介n2. 2. DEFORM-3D模擬的技術特點n3. 3. 幾何模型處理幾何模型處理n4.4.網格劃

7、分準則網格劃分準則n5.5.邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動分析分析n6.6.熱分析、模型對稱性以及模具應力分析熱分析、模型對稱性以及模具應力分析n7. 7. 工程案例演示工程案例演示幾何模型定義n基本幾何模型定義n輸入文件要求n各工具之間關系n潛在的問題n平面化 & 離散影響n平面數量的影響n常見的 .stl 錯誤n幾何模型編輯幾何模型定義n采用面幾何信息描述n初始工件網格生成的邊界n工具幾何形狀n單個、連續表面n幾何模型信息 nCAD 實體造型軟件，.stl格式文件n其他網格生成軟件 (例如：Patran, Hypermesh)n其他的DEFORM-3D

8、模擬數據庫，或者 keyword 文件nDEFORM-2D模擬結果，通過2D-3D轉換器導入。幾何模型要求n每個文件一個對象n單個表面n間隙、孔洞、重疊及其他的不連續會造成計算時錯誤n表面的法向必須向外n對.stl文件一般不會出現這樣的問題n由別的網格劃分軟件導入之前檢查法向nDEFORM幾何模型檢查可以檢查出多個表面或者不連續表面幾何模型要求n實體模型產生工具的完全實體描述n“Skin” 僅包含了接觸表面的表示也是允許的，但是不推薦采用該方法。幾何干涉n對于成形模擬，組裝的工具應該合并為單個工具n發生相對滑動接觸的表面不需要重疊與2D不同與早期的3D版本也不相同n標記沖頭的側面避免節點進入小

9、間隙幾何干涉n節點可能穿透工具滑動接觸面的小間隙（例如：凸模與凹模之間的間隙）n這是數值處理的結果，不是實際成形的“飛邊”。幾何干涉n標記沖頭非接觸表面，使得計算時這部分不會參與接觸計算。幾何模型問題n平面化n離散化影響n對計算時間的影響nSTL 錯誤n多個表面n間隙n重疊 & 非法表面12343D幾何模型n多邊形相互獨立- 空間3個頂點組成；n在一定誤差范圍內的頂點進行合并；n在導入.stl 文件進入DEFORM時，定義合并誤差；n誤差過大會造成邊界之間形成間隙。3D幾何模型在邊中點相交的頂點不能描述封閉的曲面在后續的計算中會出問題平面化影響n平面化影響會導致工具和工件之間的間隙和重疊。平面

10、化影響n詳細描述圓柱體需要大量細小平面n幾何精度與文件大小及計算時間存在矛盾n過多的.stl平面要求n更大的存儲空間n用戶界面中加載和顯示時間增加n數值模擬中計算時間增加n合理的平面數量n對于非常簡單的形狀，100多個平面即可滿足n對于簡單的模具，需要上千個平面描述n對于非常復雜的模具，需要50,000到75,000 個平面n平面的尺寸應該與單元尺寸相關聯小結n幾何模型用于定義n工具n表面用于初始網格生成n推薦采用STL作為幾何模型交換格式n根據幾何模型確定恰當的選擇描述平面的大小及數量n非法的.stl幾何模型會對計算造成問題。n通過標記幾何表面，可以避免節點虛假的侵入滑動工具表面 課程大綱課

11、程大綱：n1. 1. DEFORM-3D簡介n2. 2. DEFORM-3D模擬的技術特點n3. 3. 幾何模型處理幾何模型處理n4.4.網格劃分準則網格劃分準則n5.5.邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動分析分析n6.6.熱分析、模型對稱性以及模具應力分析熱分析、模型對稱性以及模具應力分析n7. 7. 工程案例演示工程案例演示有限元網格n有限元網格用于存儲數值信息:n變形體幾何n場變量n邊界條件n計算每一步, 重新計算所有信息n矛盾之處:n單元越多，模型表示越好，越能描述實際情況。 n單元越多，計算量越大，計算時間越長。有限元網格nDEFORM-3D包含了用

12、戶控制自動生成四面體單元n用戶可以控制下列信息n最小單元尺寸n最大/最小單元邊長比n模擬計算中，這些因素用于分配單元尺寸，重新劃分部件網格導入網格n可以通過其他的網格生成軟件(例如：Hypermesh, Patran, 等)劃分網格后導入nIDEAS 或者 PATRAN 網格格式n必須是全 TET-4 or HEX-8單元n不能包含退化單元 (例如， HEX網格中包含楔單元)n單元必須全部相連接 (不能存在中點約束)n也可以利用2D-3D 轉換功能將DEFORM-2D 模擬計算的網格導入3D中n保存了狀態變量網格生成nDEFORM-3D 包含了用戶控制自動生成四面體單元n網格生成包含以下兩步n

13、根據用戶定義的單元尺寸及尺寸比生成表面網格n采用 “advancing front” 生成實體單元n內部單元尺寸取決于表面單元尺寸 單元生成n單元尺寸決定了幾何精度n小于最小單元的折疊不能模擬n角部或者小細節處的尺寸不能小于最小單元尺寸n單元越細小，場變量 (eg. 應變，溫度，損傷)越準確n定義單元尺寸時，應該考慮所有這些因素。網格定義nDEFORM-3D 提供兩種定義網格的方法n絕對尺寸用戶定義的單元尺寸系統計算的單元總數整個模擬過程中保持特定精度部件復雜程度增加，單元總數增加n相對密度用戶定義單元總數系統調整單元尺寸來滿足總的單元數。當部件復雜程度增加時，單元總數不變n混合方法n分配單元

14、總數生成單元n網格重劃時變為絕對密度控制單元定義n最大的單元尺寸比為最大單元與最小單元尺寸比。n權重因子 (應變、應變率、溫度及曲率) 用于定義小單元的位置。n通常情況下，單元尺寸比為 2:1或 3:1 比較合適。n單元比過大會造成網格重劃困難或者重劃時間很長。大、平滑表面頂部小圓角臺階小圓角處簡單幾何形狀網格定義n實例: 1999 德國鍛造工業協會(IDS)考題網格定義n自動網格細劃n網格開始以全局尺寸生成n在某些特征明顯處例如圓角處進行細化網格定義n圓角處網格細劃網格定義n相對網格尺寸定義 - 20,000 單元n12,000 elements at start - 0.6 to 1.6m

15、mn13,000 elements at end - 0.9 to 3.0mm網格定義n絕對網格尺寸定義 單元尺寸0.5 mmn12,000 elements at start - 0.3 to 1.6mmn55,000 elements at end - 0.3 to 1.3mm單元定義n單元尺寸大小應該根據對象特征要求定義n大的單元計算快，但是可能會丟失細節或者錯失缺陷。n小的單元計算時間長，但是能夠模擬細節。模具尖角處的尺寸最小單元定義n可以根據工具的尺寸特征定義單元尺寸nDEFORM輸入:n最小的單元尺寸n尺寸比網格重劃準則n模擬過程中網格發生過度扭曲時需要進行網格重劃:n負 Jaco

16、bian (單元過度扭曲)n工件過度侵入模具 (穿透深度)n單元邊長被過度拉長或者壓縮n當開始網格重劃時:n計算停止n生成新的網格n場變量及邊界條件由舊網格傳遞到新網格。n生成重啟動步，重啟動計算。集團沖壓技委會集團沖壓技委會單元類型nDEFORM 可以用四面體單元Tet和六面體單元（Hex,brick)n兩類單元各有優缺點：四面體單元u可以更好地描述幾何模型.每個單元節點較少 (因此，計算量降低)u對于任意形狀都可以自動劃分質量較好的單元u有時候出現不規則的熱和應變率行為六面體單元u能夠很好地計算熱和應變率行為u對于任意形狀不能很好地離散u效率較低，對于同樣規模的單元數，節點較多。labs1

17、n模型修復和網格劃分 課程大綱課程大綱：n1. 1. DEFORM-3D簡介n2. 2. DEFORM-3D模擬的技術特點n3. 3. 幾何模型處理幾何模型處理n4.4.網格劃分準則網格劃分準則n5.5.邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動分析分析n6.6.熱分析、模型對稱性以及模具應力分析熱分析、模型對稱性以及模具應力分析n7. 7. 工程案例演示工程案例演示前處理n前處理步驟n一般設置 (對象類型, 溫度)n幾何n網格n材料n運動控制n邊界條件n其他對象特性前處理n模擬控制n對象定位n對象間關系n數據檢查及數據庫生成材料數據nDEFORM-2D和DEFORM

18、-3D之間，材料數據可以通用n其他的設置n數據應該含蓋整個工藝范圍應變 應變率溫度n如果進行溫度計算則需要熱數據n對于彈性和彈-塑性分析，需要彈性數據運動控制n運動控制包括n恒定速度n恒定力n成形設備模型機械壓力機液壓機螺旋壓力機鍛錘n采用方向矢量定義運動方向n對于復雜工具運動進行高級控制n旋壓n軋制n擺碾成形邊界條件n邊界條件主要用于定義n熱邊界條件n對稱邊界條件n模具應力邊界條件n非對稱等溫過程模擬不需要任何邊界條件對象特性n3D模擬中體積損失是非常顯著的n如果設置目標體積（target volume），每一步都會計算體積。n目標體積（target volume）可以在運行時或者網格重新劃

19、分時計算n網格重劃分時的體積補償一般不是必須的。模擬控制n步長控制n停止控制n控制文件模擬控制n計算時間步數取決于計算模型的復雜程度 n100步 簡單問題n200-400步 中等復雜n500-5000步 復雜問題n對于非常復雜的問題，由于對于發生材料脫離工具的情況，時間步長控制應該滿足工具運動的距離不超過單元尺寸的1/4.停止控制n停止控制n工藝時間n主模行程n兩工具參考點之間的距離n主模載荷n高級停止控制n主模最小速度n工件最大應變n最大/最小 溫度控制文件nDEFORM-3D 采用兩種求解算法n“Conjugate Gradient” or “CG” 算法內存要求低，計算速度快，但是經常發

20、生不收斂。n“Sparse” 算法內存要求高，但是收斂較容易。n大多數計算中, DEFORM 自動在CG 和Sparse算法之間轉換n對于大型問題，sparse求解器可能超出內存范圍。n求解器轉換控制（控制文件中）可以增加或減少單元數量。對象間關系n對象定位包括n鼠標定位n3方向的移動 n繞任意軸旋轉n間隙定位n下落定位n對象之間的關系對象定位方法n鼠標定位: 沿軸向拖拉物體對象定位方法n給定方向偏移nx, y, z 方向的移動距離n開始點和結束點n可以用鼠標選擇點對象定位方法nInterference Positioning n確定方向n移動到與對象接觸 指定定位方向 使用重力定位找到合適的

21、穩定位置對象定位方法n跌落定位：主要用于不規則工件和模具的定位對象定位方法n旋轉n旋轉軸X, Y, or Z 軸任意軸 n鍵盤輸入n鼠標定義2個點n旋轉角度集團沖壓技委會集團沖壓技委會對象間關系n對于單變形體對象，主-從關系自動定義n剛體為主動體n變形體為從動體n對于多變形體情況，手動添加接觸對象關系n如果所有的接觸對之間的摩擦情況和熱交換情況一樣，則可以設置一個，然后選擇 “apply to other relations”容差帶節點位置改變工具表面邊界接觸條件n當生成接觸條件時，工具表面周圍的容差帶用于檢查節點。生成各接觸對象間關系BCC定義了不同對象之間的接觸關系步驟:n定義主/從關系n

22、定義容差帶 任意從節點落在幾何容差帶范圍內，都將調整到主動面上。“錘頭”圖標自動設置容差帶值n生成邊界條件n檢查網格. 網格是否發生扭曲:保存網格降低容差值，重新生成計算數據庫生成數據檢查n紅色標記表示存在錯誤 不能生成數據庫文件n黃色標記表示可能存在問題，可能影響計算精度或者導致計算失敗，但是不影響生成數據庫文件在生成計算數據庫文件之前，仔細檢查所有警告發生的原因。即使存在警告，也可能計算成功進行模擬計算n退出前處理器，開始進行計算 Simulation- Start Simulationn計算信息寫入message文件及 log 文件n計算進行時n文件管理器顯示 “running” 或者“

23、remeshing”集團沖壓技委會集團沖壓技委會進行計算n計算機具有多個處理器時, DEFORM可以利用所有處理器進行并行計算n用戶必須定義使用處理器的個數， 具體設置“Multiple Processor” 選項nDEFORM 也可以采用多個計算機或者機群進行計算。 檢查模擬n運行中，通過加載FOR003文件可以在后處理器中查看計算結果。n如果計算結果數據庫正在更新，則查看最后一步計算結果會crash 后處理器n不要破壞模擬計算n模擬完成后nLOG文件中顯示Simulation completed 信息nDEFORM 可以采用自動發送Email小結n3D 前處理與2D前處理類似n主要的差別在

24、于n幾何模型n網格生成n定位n體積補償重啟動模擬n完成工藝n增加新的操作n重新運行重啟動模擬n因下列原因未完成計算n錯誤行程n載荷不夠n計算步數太少n繼續完成計算n前處理器中加載最后一步計算結果（Load the last step into the preprocessor）n重新設置計算步數，停止控制n生成計算數據庫n重啟動計算n模擬將按照更新后的停止控制計算增加新的操作n可以添加新的操作n改變模具n改變環境條件 (例如：從空氣中移動到模具上）n工件在模具上重新定位n改變移動控制n增加新的操作要求n從計算結果文件中加載恰當的計算步n導入新的工具n改變環境條件n工件和工具重新定位n重新設置停

25、止和步長控制n生成計算數據庫n運行模擬重新運行n可以在不同的條件下重新運行操作n不同模具n不同的環境n不同的邊界條件n保存當前計算結果:n生成新的問題n用 File-Load Database 加載原始計算問題n作必要的修改n生成計算文件，運行模擬n覆蓋當前計算結果n打開當前計算結果數據庫 n做必要的修改n生成計算文件，運行模擬labs2n成形計算 課程大綱課程大綱：n1. 1. DEFORM-3D簡介n2. 2. DEFORM-3D模擬的技術特點n3. 3. 幾何模型處理幾何模型處理n4.4.網格劃分準則網格劃分準則n5.5.邊界條件、加載、接觸設置以及重啟動邊界條件、加載、接觸設置以及重啟

26、動分析分析n6.6.熱分析、模型對稱性以及模具應力分析熱分析、模型對稱性以及模具應力分析n7. 7. 工程案例演示工程案例演示熱傳輸n工件溫度和溫度分布的影響n材料流動n載荷n材料性能n可以計算下列過程工件溫度變化n變形過程n工件在空氣中的熱傳輸n工件在工具上的熱傳輸n模具的溫度變化也可以計算熱傳輸n包含工件的溫度計算n打開模擬控制的 “heat transfer” 選項n添加材料的熱相關數據 n熱傳導率n熱容n輻射率n增加邊界條件n與環境的熱交換條件（Heat exchange with the environment）n設定工件初始溫度n設定工具初始溫度n設定各物體間熱傳輸系數熱傳輸n工具

27、的溫度可以采用兩種模型n計算實際溫度n假定為常數，均勻分布n工具的溫度分布或溫度計算需要劃分有限元網格n如果設置為恒溫，則不需要劃分網格熱傳輸n工具要求的數據n工具材料的熱性能參數n與環境熱交換邊界條件n初始溫度n計算工具溫度可以提高工件溫度計算的精度 n熱表面之間的熱損失較熱表面與冷表面之間的熱損失少；n對于劃分了網格的模具，熱工件將加熱模具表面，從而阻止了熱傳輸；n而對于恒溫的模具，忽略了這種影響。熱傳輸n對于全工序模擬計算時，必須考慮工件的溫度情況全工序包括：n加熱n空氣中的運輸n置模待鍛n成形n停模n傳遞到下一工序n置模待鍛n下一步成形nn運用工程經驗考慮每一工步的相對影響。對稱性n對于復雜零件,可以選則典型的部分進行分析，顯著降低模擬計算時間；n僅對工件的典型部分建模；n對剖分截面施加對稱性邊界條件。對稱性n利用對稱性可以降低計算時間，而保持精度不變。n對稱面上的點不能在垂直對稱面的方向運動。對稱性n生成對稱部分并導入前處理器n在對稱面上施加對稱邊界條件n不在對稱面上施加熱邊界條件對稱性n在工件上標記對稱邊界條件。對稱性n在工具模型對稱剖分面上標記對稱性對稱性n即使幾何模型對稱，非對稱變形行為也不能模擬n屈曲n工