Deform3D锻造成形软件培训解析课件

1、锻造成形软件DEFORM3D培训 報告人：许沛 日 期：2012年9月17日第1页，共99页。 課程大綱：1. DEFORM-3D简介2. DEFORM-3D模拟的技术特点3. 几何模型处理4.网格划分准则5.边界条件、加载、接触设置以及重启动分析6.热分析、模型对称性以及模具应力分析7. 工程案例演示第2页，共99页。DEFORM-3D简介DEFORM-3D-专门用于处理各种制造工艺问题锻造冷成形 热处理旋转成型轧制开坯锻造金属切削 板材成形第3页，共99页。 課程大綱：1. DEFORM-3D简介2. DEFORM-3D模拟的技术特点3. 几何模型处理4.网格划分准则5.边界条件、加载、接

2、触设置以及重启动分析6.热分析、模型对称性以及模具应力分析7. 工程案例演示第4页，共99页。3D模拟的特点3D模拟用于2D模拟不能求解的问题,主要有以下三类：非轴对称几何形状轴对称形状，但是非轴对称变形行为 (屈曲/坯料剪切)非轴对称变形行为 (摆碾成形或旋压) （最终零件为轴对称形状）第5页，共99页。DEFORM锻造问题基本模拟流程定义模拟对象定义几何模型根据模拟对象划分网格定义边界条件定义材料属性定义模具运动控制定义各对象之间关系定义模拟控制参数生成计算数据库文件，进行求解计算后处理计算结果第6页，共99页。模拟前的工作为什么进行模拟?制定新的工艺新工艺的可行性分析工艺缺陷的形成原因通

3、过模拟得到什么?折叠流动缺陷成形载荷温度模拟需要花费的时间?快速模拟：1小时以内详细模拟：数小时甚至更多. 1夜数天（非常复杂的问题）第7页，共99页。几何模型定义几何模型来源CAD 实体造型软件，.stl格式文件其他的网格划分软件 (例如Patran, Hypermesh)其他的DEFORM-3D database 或 keyword 文件DEFORM-2D文件，通过2D-3D 转换器几何模型对于后续建模和计算至关重要对于对称模型，利用对称性建模，降低计算量。第8页，共99页。网格划分网格划分对计算时间和求解精度影响最大用户应对网格生成进行精确控制单元细小，计算精度提高，计算时间增加单元粗大

4、，计算时间降低适用于快速模拟可能会造成遗漏细节问题根据模拟问题选择合适的单元尺寸第9页，共99页。边界条件主要的边界条件： 热边界条件：温度计算问题对称边界条件：对称性问题其他的边界条件用于高级计算并不是所有的计算问题都需要定义边界条件第10页，共99页。其他设置其他的前处理设置材料各对象之间关系模拟控制集團沖壓技委會第11页，共99页。模拟对象和计算时间模拟计算时间从几分钟几天，取决于计算问题及前处理设置。选择计算步数选择计算精度第12页，共99页。计算精度选择 单元尺寸 / 单元总数步长对称性第13页，共99页。模拟目的精确分析，验证设计精确模拟载荷，流动和填充情况精确确定可能潜在的折叠或

5、缺陷所有的成形工步要求精确模拟解决问题确定缺陷存在的原因要求详细的模拟根据工程经验简化模型快速模拟大概了解载荷及流动情况等信息可能会节省了计算时间，丢失细节可以采用粗网格，大时间步长采用简化CAD模型第14页，共99页。用户界面开放式的前处理器，可以设置各种控制参数强大、友好以任何顺序输入数据 F3 前处理器 采用向导式操作，对于传统的成形工艺单变形对象工具直线运动用户根据提示一步步设置数据专用模板机械加工开坯预成形设计集團沖壓技委會第15页，共99页。小结模拟前明确模拟目的。对于不能进行2D模拟的时候采用3D计算。模拟设置对于计算时间和求解精度有重要影响，根据模拟对象合理的进行模拟设置。计算

6、硬件对于计算时间有直接影响。DEFORM有开放式的前处理器，并针对专门问题提供模板，方便易用。第16页，共99页。 課程大綱：1. DEFORM-3D简介2. DEFORM-3D模拟的技术特点3. 几何模型处理4.网格划分准则5.边界条件、加载、接触设置以及重启动分析6.热分析、模型对称性以及模具应力分析7. 工程案例演示第17页，共99页。几何模型定义基本几何模型定义输入文件要求各工具之间关系潜在的问题平面化 & 离散影响平面数量的影响常见的 .stl 错误几何模型编辑第18页，共99页。几何模型定义采用面几何信息描述初始工件网格生成的边界工具几何形状单个、连续表面几何模型信息 CAD 实体

7、造型软件，.stl格式文件其他网格生成软件 (例如：Patran, Hypermesh)其他的DEFORM-3D模拟数据库，或者 keyword 文件DEFORM-2D模拟结果，通过2D-3D转换器导入。第19页，共99页。几何模型要求每个文件一个对象单个表面间隙、孔洞、重叠及其他的不连续会造成计算时错误表面的法向必须向外对.stl文件一般不会出现这样的问题由别的网格划分软件导入之前检查法向DEFORM几何模型检查可以检查出多个表面或者不连续表面第20页，共99页。几何模型要求实体模型产生工具的完全实体描述“Skin” 仅包含了接触表面的表示也是允许的，但是不推荐采用该方法。第21页，共99页

8、。几何干涉对于成形模拟，组装的工具应该合并为单个工具发生相对滑动接触的表面不需要重叠与2D不同与早期的3D版本也不相同标记冲头的侧面避免节点进入小间隙第22页，共99页。几何干涉节点可能穿透工具滑动接触面的小间隙（例如：凸模与凹模之间的间隙）这是数值处理的结果，不是实际成形的“飞边”。第23页，共99页。几何干涉标记冲头非接触表面，使得计算时这部分不会参与接触计算。第24页，共99页。几何模型问题平面化离散化影响对计算时间的影响STL 错误多个表面间隙重叠 & 非法表面第25页，共99页。12343D几何模型多边形相互独立- 空间3个顶点组成；在一定误差范围内的顶点进行合并；在导入.stl 文

9、件进入DEFORM时，定义合并误差；误差过大会造成边界之间形成间隙。第26页，共99页。3D几何模型在边中点相交的顶点不能描述封闭的曲面在后续的计算中会出问题第27页，共99页。平面化影响平面化影响会导致工具和工件之间的间隙和重叠。第28页，共99页。平面化影响详细描述圆柱体需要大量细小平面几何精度与文件大小及计算时间存在矛盾过多的.stl平面要求更大的存储空间用户界面中加载和显示时间增加数值模拟中计算时间增加合理的平面数量对于非常简单的形状，100多个平面即可满足对于简单的模具，需要上千个平面描述对于非常复杂的模具，需要50,000到75,000 个平面平面的尺寸应该与单元尺寸相关联第29页

10、，共99页。小结几何模型用于定义工具表面用于初始网格生成推荐采用STL作为几何模型交换格式根据几何模型确定恰当的选择描述平面的大小及数量非法的.stl几何模型会对计算造成问题。通过标记几何表面，可以避免节点虚假的侵入滑动工具表面第30页，共99页。 課程大綱：1. DEFORM-3D简介2. DEFORM-3D模拟的技术特点3. 几何模型处理4.网格划分准则5.边界条件、加载、接触设置以及重启动分析6.热分析、模型对称性以及模具应力分析7. 工程案例演示第31页，共99页。有限元网格有限元网格用于存储数值信息:变形体几何场变量边界条件计算每一步, 重新计算所有信息矛盾之处:单元越多，模型表示越

11、好，越能描述实际情况。 单元越多，计算量越大，计算时间越长。第32页，共99页。有限元网格DEFORM-3D包含了用户控制自动生成四面体单元用户可以控制下列信息最小单元尺寸最大/最小单元边长比模拟计算中，这些因素用于分配单元尺寸，重新划分部件网格第33页，共99页。导入网格可以通过其他的网格生成软件(例如：Hypermesh, Patran, 等)划分网格后导入IDEAS 或者 PATRAN 网格格式必须是全 TET-4 or HEX-8单元不能包含退化单元 (例如， HEX网格中包含楔单元)单元必须全部相连接 (不能存在中点约束)也可以利用2D-3D 转换功能将DEFORM-2D 模拟计算的

12、网格导入3D中保存了状态变量第34页，共99页。网格生成DEFORM-3D 包含了用户控制自动生成四面体单元网格生成包含以下两步根据用户定义的单元尺寸及尺寸比生成表面网格采用 “advancing front” 生成实体单元内部单元尺寸取决于表面单元尺寸 第35页，共99页。单元生成单元尺寸决定了几何精度小于最小单元的折叠不能模拟角部或者小细节处的尺寸不能小于最小单元尺寸单元越细小，场变量 (eg. 应变，温度，损伤)越准确定义单元尺寸时，应该考虑所有这些因素。第36页，共99页。网格定义DEFORM-3D 提供两种定义网格的方法绝对尺寸用户定义的单元尺寸系统计算的单元总数整个模拟过程中保持特

13、定精度部件复杂程度增加，单元总数增加相对密度用户定义单元总数系统调整单元尺寸来满足总的单元数。当部件复杂程度增加时，单元总数不变混合方法分配单元总数生成单元网格重划时变为绝对密度控制第37页，共99页。单元定义最大的单元尺寸比为最大单元与最小单元尺寸比。权重因子 (应变、应变率、温度及曲率) 用于定义小单元的位置。通常情况下，单元尺寸比为 2:1或 3:1 比较合适。单元比过大会造成网格重划困难或者重划时间很长。第38页，共99页。大、平滑表面顶部小圆角台阶小圆角处简单几何形状网格定义实例: 1999 德国锻造工业协会(IDS)考题第39页，共99页。网格定义自动网格细划网格开始以全局尺寸生成

14、在某些特征明显处例如圆角处进行细化第40页，共99页。网格定义圆角处网格细划第41页，共99页。网格定义相对网格尺寸定义 - 20,000 单元12,000 elements at start - 0.6 to 1.6mm13,000 elements at end - 0.9 to 3.0mm第42页，共99页。网格定义绝对网格尺寸定义 单元尺寸0.5 mm12,000 elements at start - 0.3 to 1.6mm55,000 elements at end - 0.3 to 1.3mm第43页，共99页。单元定义单元尺寸大小应该根据对象特征要求定义大的单元计算快，但是可

15、能会丢失细节或者错失缺陷。小的单元计算时间长，但是能够模拟细节。第44页，共99页。模具尖角处的尺寸最小单元定义可以根据工具的尺寸特征定义单元尺寸DEFORM输入:最小的单元尺寸尺寸比第45页，共99页。网格重划准则模拟过程中网格发生过度扭曲时需要进行网格重划:负 Jacobian (单元过度扭曲)工件过度侵入模具 (穿透深度)单元边长被过度拉长或者压缩当开始网格重划时:计算停止生成新的网格场变量及边界条件由旧网格传递到新网格。生成重启动步，重启动计算。集團沖壓技委會第46页，共99页。单元类型DEFORM 可以用四面体单元Tet和六面体单元（Hex,brick)两类单元各有优缺点：四面体单元

16、可以更好地描述几何模型.每个单元节点较少 (因此，计算量降低)对于任意形状都可以自动划分质量较好的单元有时候出现不规则的热和应变率行为六面体单元能够很好地计算热和应变率行为对于任意形状不能很好地离散效率较低，对于同样规模的单元数，节点较多。第47页，共99页。labs1模型修复和网格划分第48页，共99页。 課程大綱：1. DEFORM-3D简介2. DEFORM-3D模拟的技术特点3. 几何模型处理4.网格划分准则5.边界条件、加载、接触设置以及重启动分析6.热分析、模型对称性以及模具应力分析7. 工程案例演示第49页，共99页。前处理前处理步骤一般设置 (对象类型, 温度)几何网格材料运动

17、控制边界条件其他对象特性第50页，共99页。前处理模拟控制对象定位对象间关系数据检查及数据库生成第51页，共99页。材料数据DEFORM-2D和DEFORM-3D之间，材料数据可以通用其他的设置数据应该含盖整个工艺范围应变 应变率温度如果进行温度计算则需要热数据对于弹性和弹-塑性分析，需要弹性数据第52页，共99页。运动控制运动控制包括恒定速度恒定力成形设备模型机械压力机液压机螺旋压力机锻锤采用方向矢量定义运动方向对于复杂工具运动进行高级控制旋压轧制摆碾成形第53页，共99页。边界条件边界条件主要用于定义热边界条件对称边界条件模具应力边界条件非对称等温过程模拟不需要任何边界条件第54页，共99

18、页。对象特性3D模拟中体积损失是非常显著的如果设置目标体积（target volume），每一步都会计算体积。目标体积（target volume）可以在运行时或者网格重新划分时计算网格重划分时的体积补偿一般不是必须的。第55页，共99页。模拟控制步长控制停止控制控制文件第56页，共99页。模拟控制计算时间步数取决于计算模型的复杂程度 100步 简单问题200-400步 中等复杂500-5000步 复杂问题对于非常复杂的问题，由于对于发生材料脱离工具的情况，时间步长控制应该满足工具运动的距离不超过单元尺寸的1/4.第57页，共99页。停止控制停止控制工艺时间主模行程两工具参考点之间的距离主模载

19、荷高级停止控制主模最小速度工件最大应变最大/最小 温度第58页，共99页。控制文件DEFORM-3D 采用两种求解算法“Conjugate Gradient” or “CG” 算法内存要求低，计算速度快，但是经常发生不收敛。“Sparse” 算法内存要求高，但是收敛较容易。大多数计算中, DEFORM 自动在CG 和Sparse算法之间转换对于大型问题，sparse求解器可能超出内存范围。求解器转换控制（控制文件中）可以增加或减少单元数量。第59页，共99页。对象间关系对象定位包括鼠标定位3方向的移动 绕任意轴旋转间隙定位下落定位对象之间的关系第60页，共99页。对象定位方法鼠标定位: 沿轴向

20、拖拉物体第61页，共99页。对象定位方法给定方向偏移x, y, z 方向的移动距离开始点和结束点可以用鼠标选择点第62页，共99页。对象定位方法Interference Positioning 确定方向移动到与对象接触第63页，共99页。指定定位方向使用重力定位找到合适的稳定位置对象定位方法跌落定位：主要用于不规则工件和模具的定位第64页，共99页。对象定位方法旋转旋转轴X, Y, or Z 轴任意轴 键盘输入鼠标定义2个点旋转角度集團沖壓技委會第65页，共99页。对象间关系对于单变形体对象，主-从关系自动定义刚体为主动体变形体为从动体对于多变形体情况，手动添加接触对象关系如果所有的接触对之间

21、的摩擦情况和热交换情况一样，则可以设置一个，然后选择 “apply to other relations”第66页，共99页。容差带节点位置改变工具表面边界接触条件当生成接触条件时，工具表面周围的容差带用于检查节点。第67页，共99页。生成各接触对象间关系BCC定义了不同对象之间的接触关系步骤:定义主/从关系定义容差带 任意从节点落在几何容差带范围内，都将调整到主动面上。“锤头”图标自动设置容差带值生成边界条件检查网格. 网格是否发生扭曲:保存网格降低容差值，重新生成第68页，共99页。计算数据库生成数据检查红色标记表示存在错误 不能生成数据库文件黄色标记表示可能存在问题，可能影响计算精度或者

22、导致计算失败，但是不影响生成数据库文件在生成计算数据库文件之前，仔细检查所有警告发生的原因。即使存在警告，也可能计算成功第69页，共99页。进行模拟计算退出前处理器，开始进行计算 Simulation- Start Simulation计算信息写入message文件及 log 文件计算进行时文件管理器显示 “running” 或者“remeshing”集團沖壓技委會第70页，共99页。进行计算计算机具有多个处理器时, DEFORM可以利用所有处理器进行并行计算用户必须定义使用处理器的个数， 具体设置“Multiple Processor” 选项DEFORM 也可以采用多个计算机或者机群进行计算

23、。 第71页，共99页。检查模拟运行中，通过加载FOR003文件可以在后处理器中查看计算结果。如果计算结果数据库正在更新，则查看最后一步计算结果会crash 后处理器不要破坏模拟计算模拟完成后LOG文件中显示Simulation completed 信息DEFORM 可以采用自动发送Email第72页，共99页。小结3D 前处理与2D前处理类似主要的差别在于几何模型网格生成定位体积补偿第73页，共99页。重启动模拟完成工艺增加新的操作重新运行第74页，共99页。重启动模拟因下列原因未完成计算错误行程载荷不够计算步数太少继续完成计算前处理器中加载最后一步计算结果（Load the last st

24、ep into the preprocessor）重新设置计算步数，停止控制生成计算数据库重启动计算模拟将按照更新后的停止控制计算第75页，共99页。增加新的操作可以添加新的操作改变模具改变环境条件 (例如：从空气中移动到模具上）工件在模具上重新定位改变移动控制增加新的操作要求从计算结果文件中加载恰当的计算步导入新的工具改变环境条件工件和工具重新定位重新设置停止和步长控制生成计算数据库运行模拟第76页，共99页。重新运行可以在不同的条件下重新运行操作不同模具不同的环境不同的边界条件保存当前计算结果:生成新的问题用 File-Load Database 加载原始计算问题作必要的修改生成计算文件，

25、运行模拟覆盖当前计算结果打开当前计算结果数据库 做必要的修改生成计算文件，运行模拟第77页，共99页。labs2成形计算第78页，共99页。 課程大綱：1. DEFORM-3D简介2. DEFORM-3D模拟的技术特点3. 几何模型处理4.网格划分准则5.边界条件、加载、接触设置以及重启动分析6.热分析、模型对称性以及模具应力分析7. 工程案例演示第79页，共99页。热传输工件温度和温度分布的影响材料流动载荷材料性能可以计算下列过程工件温度变化变形过程工件在空气中的热传输工件在工具上的热传输模具的温度变化也可以计算第80页，共99页。热传输包含工件的温度计算打开模拟控制的 “heat tran

26、sfer” 选项添加材料的热相关数据 热传导率热容辐射率增加边界条件与环境的热交换条件（Heat exchange with the environment）设定工件初始温度设定工具初始温度设定各物体间热传输系数第81页，共99页。热传输工具的温度可以采用两种模型计算实际温度假定为常数，均匀分布工具的温度分布或温度计算需要划分有限元网格如果设置为恒温，则不需要划分网格第82页，共99页。热传输工具要求的数据工具材料的热性能参数与环境热交换边界条件初始温度计算工具温度可以提高工件温度计算的精度 热表面之间的热损失较热表面与冷表面之间的热损失少；对于划分了网格的模具，热工件将加热模具表面，从而阻止

27、了热传输；而对于恒温的模具，忽略了这种影响。第83页，共99页。热传输对于全工序模拟计算时，必须考虑工件的温度情况全工序包括：加热空气中的运输置模待锻成形停模传递到下一工序置模待锻下一步成形运用工程经验考虑每一工步的相对影响。第84页，共99页。对称性对于复杂零件,可以选则典型的部分进行分析，显著降低模拟计算时间；仅对工件的典型部分建模；对剖分截面施加对称性边界条件。第85页，共99页。对称性利用对称性可以降低计算时间，而保持精度不变。对称面上的点不能在垂直对称面的方向运动。第86页，共99页。对称性生成对称部分并导入前处理器在对称面上施加对称边界条件不在对称面上施加热边界条件第87页，共99页。对称性在工件上标记对称边界条件。第88页，共99页。对称性在工具模型对称剖分面上标记对称性第89页，共99页。对称性即使几何模型对称，非对称变形行