1、材加專業前沿講座前沿調研報告數值模擬技術及其在金屬塑性成形中的應用學院：機械工程學院班級：xxxxx姓名：南京小諸葛學號：xxxxx目錄一、摘要1二、正文12.1數值模擬技術1 2.1.1數值模擬技術簡介12.1.2數值模擬技術的優勢12.1.3有限元法發展歷史22.1.4有限元法的發展現狀22.1.5有限元法在機械中的應用22.2數值模擬技術在金屬塑性成形中的應用22.3數值模擬技術的應用舉例3三、參考文獻4一、摘要在本次材加專業學科前沿體驗課金淼老師關于數值模擬技術及其在金屬塑形成型中的應用，我學到了很多先進前沿的知識。數值模擬技術是一項新型的求解數學模型的方法，尤其是數值法中的有限元法，

2、在機械行業運用廣泛，在金屬塑性成形過程中更是有著很大的實用價值，是一項值得我們認真研究的科學處理方法。關鍵字：數值模擬 塑性成形 有限元法二、正文在材加專業學科前沿體驗課中，我們都聽了很多老師在不同方面的專業知識的講座，但讓我留下最深印象的就是金淼老師講授的“數值模擬技術及其在金屬塑性成形中的應用”的講座。數值模擬技術是一種新型的模擬分析的技術，在現實生產應用十分廣泛，對我們專業的未來生產生活中的應用也是頗有價值，所以我對數值模擬技術做了下面的前沿調研報告。該調研報告分為三個部分來講：首先講什么是數值模擬技術，然后講數值模擬技術在金屬塑性成形中的應用，最后會列舉一個數值模擬技術實際生產中的例子

3、。2.1數值模擬技術2.1.1數值模擬技術簡介求解數學模型通常有兩種方法：一種是解析法，它通過嚴格的數學推導求出問題的精確解，或稱解析解；另一種是數值法，它通過一定的算法和程序，利用計算機計算出問題的近似解，又稱數值解。常見的數值法有差分法，變分法和有限元法等。我們接下來主要講解集成差分法和變分法二者數值模擬優點的有限元法。有限元法是求解各種復雜數理方程的一種數值計算方法，是彈性/塑性理論、計算數學、計算機軟硬件有機結合在一起的一種數值分析技術，是解決工程實際問題的一種有力的數值計算工具。2.1.2數值模擬技術的優勢近年來，在計算機技術和數值分析方法的支持下，數值模擬技術在國防、航空航天、交通

4、運輸、電力、機械、工程建筑等領域得到了廣泛的應用，從結構合理性設計到結構承載能力和工件壽命預測、從結構的穩定性到工件開裂預測等，各個領域都滲透者數值模擬技術的身影。例如，分析葉片成形過程，研究其缺陷產生原因，以期為實際鍛造過程作知道，有效地改進葉片成型質量；模擬不同形狀工件、不同變形條件下缺陷產生的過程，以便能更好地了解缺陷的成因及改進措施等。數值模擬以其低成本、高價值的優勢成為越來越普通的工程計算和科學研究的手段，被越來越多的科研人員所接受和使用。因此，數值模擬技術也是降低制造成本、縮短研發周期、搞笑而實用地預測研究缺陷的方法和手段。數值模擬技術已從一個單純的分析工具轉變為一種設計手段，成為

5、快速發展的一個相對獨立的科學領域，在理論和應用方面都具有學科的特色。其優勢主要體現在：有效縮短新產品的開發研究周期，大幅度降低產品研發成本；以精確的分析結果為知道，制造出高質量的產品；快速進行方案設計和改進，增加產品和工程的可靠性；精確預測產品性能；實現優化設計，降低材料的消耗和成本；預先發現產品制造或工程設施中可能潛在的問題，減少經濟損失和時間消耗；進行試過分析，查找事故發生的可能原因；對實驗方案進行仿真，選擇最優方案及參數，同時縮短實驗時間，減小財力消耗等。2.1.3有限元法的發展歷史1956年美國科學家Turner,Clough等人在分析飛機結構時，將剛架位移法推廣到彈性力學平面問題，第

6、一次給出用三角形單元求平面應力問題的正確解答。1960年Clough進一步處理了平面問題，并第一次提出“有限單元法”的名稱，并取得了一系列成果。60-70年代，有限元的巨大成就引起了數學界的注意，對于有限元離散化誤差，收斂性，穩定性等方面的研究鞏固了有限元的數學基礎。70年代有限元發展異常迅速，從“位移法”開始已經發展成內容十分廣泛的計算力學學科，僅分析方法而論，可分為：位移元，雜交元，混合元，邊界元，樣條元和半解析法等；就分析對象而言，已由固體力學分析，發展為流體，傳導，塑性，粘彈性等，近年來，每年發表有關有限元的論文數以千計。2.1.4有限元法的應用現狀由于該法具有靈活、快速和有效的特點，

7、使得其發展非常迅速，很快成為許多科學技術領域和實際工程問題中廣泛應用的方法。應用領域涉及機械制造、材料加工、航空航天、土木建筑、電子電器、國防軍工、船舶、鐵道、汽車、石油以及生物工程等等任何涉及場的問題。目前，國際上有90的機械產品和裝備都要采用有限元方法進行分析，進而進行設計修改和優化。實際上有限元分析已成為替代大量實物實驗的數值化“虛擬試驗”，基于該方法的大量計算分析與典型的驗證性試驗相結合可以做到高效率和低成本。2.1.5有限元法在機械中的應用（1）靜力學分析，即求解所受的外載荷不隨時間變化或隨時間變化緩慢的機械系統平衡問題；（2）模態分析，即求解關于系統的某種特征值或穩定值的問題；振動

8、領域（3）瞬態動力學分析， 即求解所受的外載荷隨時間變化的動力學響應問題；（4）非結構力學分析，主要有機械系統的熱傳導（溫度場）、噪聲分析與控制以及結構、熱、噪聲等多場耦合分析；在機械結構分析的軟件方面，最早的是美國國家宇航局（NASA）在1965年委托美國計算科學公司和貝爾航空系統公司開發的NASTRAN有限元分析系統，該系統發展到現在已有幾十個版本。此外比較知名的有限元軟件包括德國ASKA、英國PAFEC、法國SYSTUS、FORGE,美國ABAQUS、ADINA、ANSYS、COSMOS、MARC、DEFORM。2.2數值模擬技術在金屬塑性成形中的應用金屬塑性加工成型是現代制造業中金屬加

9、工的重要方法之一，金屬塑性加工的變形過程是一個非常復雜的彈塑性大變形過程。這時既有材料非線性，又有幾何非線性 ,再加上復雜的邊界接觸條件的非線性，這些因素使其變形機理非常復雜，難以用準確的數學關系式來進行描述。隨著金屬塑性成形技術的日益發展 ，人們對其在成形過程中的變形規律、變形力學的分析越來越重視。數值模擬已經被廣泛應用于金屬成形過程。產品質量的提高與成型過程的控制息息相關，二者也是塑性成形領域一直關注和面臨的難題。在生產過程中，由于工藝設計不合理常常會產生各種缺陷。金屬塑性成形過程中的缺陷主要分為表面缺陷和內部缺陷兩大類，常見的有表面折疊、起皺、縮孔、裂紋、填充不足、外部開裂和內部開裂等。

10、缺陷的存在會嚴重影響到制件的后續加工和使用質量，甚至導致產品的報廢、從而造成巨大的經濟損失。因此，通過數值模擬技術進行缺陷預測以制定缺陷防止措施，可節省大量人力、物力和財力，從而降低成本、縮短研發周圍，對工業生產具有重要價值。近年來，研究預測金屬塑性成形過程缺陷的方法很多，主要有主應力法、上限法和有限元數值模擬方法。主應力法和上限法需要進行大量的人工計算，而且無法考慮應力應變歷史。有限元數值模擬方法克服了以上2中方法的缺點，可直觀地從模擬結果看出產品表面缺陷，也可根據應力、應變和密度等場量的變化歷史來分析產品內部和表面缺陷，是目前應用最廣泛的一種缺陷預測方法。2.3數值模擬技術的應用舉例薄板沖

11、壓數值模擬技術在汽車覆蓋件制造中的應用汽車覆蓋件是汽車產品最重要的組成部件之一，一般是通過大型模具采用沖壓工藝加工制造而成。車身覆蓋件要求表面平滑，不允許有皺紋、劃傷、拉毛等表面缺陷，要求具有足夠的剛性和尺寸穩定性。這些都與加工過程中的板殼力學問題息息相關，而成形過程中的力學問題非常復雜，只有采用數值技術才能使問題得到簡化。汽車覆蓋件成形加工生產目前主要依靠傳統經驗設計來制定沖壓工藝、開發相關模具，具有相當大的隨意性和不確定性。然而板料成形的力學過程及成形影響因素非常復雜，是一個集幾何非線性、材料非線性、接觸非線性于一體的強非線性問題，用傳統的解析方法很難求解。塑性成形理論經過100多年的發展

12、，已相當成熟。隨著計算機應用技術的普及，板料塑性成形過程用有限元方法進行數值模擬已成為一項有效解決該問題的高新技術。汽車覆蓋件包括覆蓋汽車發動機、底盤、構成駕駛室及車身的所有厚度3mm以下的薄鋼板沖壓而成的表面和內部零件，其重量占到汽車用鋼材總量的50%以上。汽車覆蓋件具有材料薄、形狀復雜、多為復雜的空間曲面、結構尺寸大和表面質量高等特點。在沖壓時毛坯的變形情況復雜，故不能按一般拉伸件那樣用拉伸系數來判斷和計算它的拉伸次數和拉伸可能性，且需要的拉延力和壓料力都較大，各工序的模具依賴性大，模具的調整工作量也大。汽車覆蓋件成形過程中板料上的應力應變分布情況非常復雜，成形質量影響因素較多。從變形方式看，板料的成形是拉延、翻邊、脹形、彎曲等多種變形方式的組合過程。對一個給定的零件來說，一套合理的模具和工藝方案的確定，不僅要靠實踐經驗和理論計算，還往往離不開反復地試模和修模。因此汽車覆蓋件模具設計的主要任務就是要解決好沖壓過程中板料不同部位之間材料的協調變形問題，既要避免局部區域過分變薄甚至拉裂，又要避免起皺或在零件上留下滑移線，還要將零件的回彈量控制在允許的范圍內。目前，板料沖壓過程的計算機分析與仿真技術（非線性有限元分析技術）已能在工程實際中幫助解決傳統方法難以解決的模具設計和沖壓工藝設計難題，