1、 中南林业科技大学毕 业 论 文2007 年 6 月前 言有 限 单 元 法 是 随 着 电 子 计 算 机 的 发 展 而 迅 速 发 展 起 来 的 一 种 现 代 计算 方 法 。 它 是 50 年 代 首 先 在 连 续 体 力 学 领 域 -飞 机 结 构 静 、 动 态 特 性分 析 中 应 用 的 一 种 有 效 的 数 值 分 析 方 法 ， 随 后 很 快 广 泛 的 应 用 于 求 解 热传 导 、 电 磁 场 、 流 体 力 学 等 连 续 性 问 题 。 有 限 元 法 最 初 被 称 为 矩 阵 近似 方 法 ， 应 用 于 航 空 器 的 结 构 强 度 计 算 ，
2、 并 由 于 其 方 便 性 、 实 用 性 和 有效 性 而 引 起 从 事 力 学 研 究 的 科 学 家 的 浓 厚 兴 趣 。 经 过 短 短 数 十 年 的 努 力 ，随 着 计 算 机 技 术 的 快 速 发 展 和 普 及 ， 有 限 元 方 法 迅 速 从 结 构 工 程 强 度 分析 计 算 扩 展 到 几 乎 所 有 的 科 学 技 术 领 域 ， 成 为 一 种 丰 富 多 彩 、 应 用 广 泛并 且 实 用 高 效 的 数 值 分 析 方 法 。 将 有 限 元 分 析 应 用 于 冲 压 工 艺 的 模 具设 计 中 ， 可 以 避 免 仅 凭 经 验 和 试 制
3、这 种 传 统 的 模 具 设 计 方 法 所 带 来 的 弊端 ， 可 以 节 省 昂 贵 的 模 具 试 验 费 用 ， 指 导 模 具 设 计 制 造 ， 缩 短 产 品 更 新周 期 。本 次 毕 业 设 计 就 是 应 用 有 限 元 分 析 软 件 ANSYS 对 板 材 的 弯 曲 过程 进 行 模 拟 仿 真 ， 对 板 材 弯 曲 后 的 应 力 和 变 形 情 况 进 行 计 算 分 析 并查 找 面 板 弯 曲 后 最 大 应 力 和 最 大 变 形 的 发 生 点 ， 通 过 方 案 对 比 得 出模 具 结 构 的 最 佳 工 艺 参 数 即 最 佳 的 凸 、 凹
4、间 隙 ， 优 化 模 具 的 结 构 设 计 。这 次 设 计 是 在 参 阅 了 大 量 文 献 并 在 张 艳 君 导 师 的 辅 导 下 完 成 的 。由 于 本 人 设 计 经 验 不 足 ， 所 学 知 识 有 限 ， 错 误 之 处 在 所 难 免 ， 敬请 各 位 老 师 批 评 指 正 ， 以 便 完 善 。编 者 目 录中文摘要1英文摘要21 绪论1.1 CAE 技术1.2 有限单元法1.3 ANSYS 软件1.4 本章小结2 金属工艺数值模拟2.1 基本概念2.2 基本原理2.3 作用2.4 本章小结3 弯曲工艺机理分析3.1 板料弯曲变形分析3.2 板料回弹的机理分析3
5、.3 本章小结4 参数计算及方案确定4.1 问题描述4.2 门面板成形工艺过程4.3 计算过程4.4 方案确定4.5 本章小结5 ANSYS 建模简化5.1 模型的简化与分析5.2 板料弯曲过程的简化5.3 本章小结6 弯曲工艺的 ANSYS 分析6.1 前处理操作6.2 求解操作6.3 后处理操作6.4 本章小结7 结果与误差分析7.1 面板的回弹分析7.2 面板的应力分析7.3 本章小结结 语致 谢参考文献中 文 摘 要本设计是采用有限元分析软件 ANSYS，对板材弯曲成形过程进行模拟仿真，根据理论间隙值范围调整凸、凹模单边间隙，分析回弹和应力集中区。通过分析比较得到较理想的间隙值，从而达
6、到优化设计的效果。通过准确地模拟出模具与板料之间的动态接触，在全面分析板料与模具接触边界动态变化的基础上，结合 ANSYS 软件给出了模型的几何描述、接触算法选择、接触摩擦模型的建立等具体方法。通过具体应用实例分析，证明了这些方法应用于板料弯曲成形分析的可行性，而其变形规律具有一定的典型性。研究这类弯曲件的成形规律，不仅对这类件成形工艺参数和工艺步骤的确定是至关重要的，同时也是进一步认识复杂件成形规律的基础。应用 ANSYS 软件对板材弯曲成形过程进行有限元分析并优化设计，可以避免许多由传统的模具设计方法所导致的设计缺陷，提高成品率和生产效率。关键词 有限元 ANSYS 弯曲 模拟仿真 间隙
7、回弹 应力 规律外 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, an
8、alysis 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 analy
9、sis 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
10、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 miscellaneo
11、us 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 rat
12、e of finished products and the production efficiency. Keywords Finite element ANSYS curving simulation gap snapping back stress rule1.绪 论1.1 CAE 技术1.1.1 CAE 的概念与分类CAE 是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。在产品开发阶段，企业应用 CAE 能有效地对零件和产品进行仿
13、真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。 有限元分析在 CAE 中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。如图 1-1 所示为现行 CAE 软件的结构示意图:CAE 软件可分为专用与通用两类，前者主要是针对特定类型的工程
14、或产品所开发的用于产品性能分析，预测和优化的软件，它以在某个领域中的应用深入而见长，如美国 ETA 公司的汽车专用 CAE 软件 LS/YNA3D 及 ETA/FEMB 等。通用型软件可对多种类型工程和产品的物理力学性能进行分析、模拟、预测、评价利优化 ，以实现产品创新的软件，它以覆盖的应用范围广而著称，如ANSYS、NASTRAN、MARC 等 。CAE 软件的主要价值在于：在设计阶段，通过对工程和产品进行加工、性能和安全可靠性的模拟，可以及早发现设计缺陷，并预测工程产品的可靠性与实用性，为工程实施、产品创新提供技术保障。CAE 技术的发展动力是 CAD/CAM 技术水平和应用水平的提高，C
15、AE 技术的发展条件是计算机及图形显示设备的推出，CAE 软件的理论基础是有限元、边界元法等现代计算力学方法，其核心内容是计算机模拟和仿真。1.1.2 CAE 的作用与发展美国上市公司 Moldflow 公司是专业从事注塑成型 CAE 软件和咨询公司，自 1976 年发行了世界上第一套流动分析软件以来，一直主导塑料成型 CAE 软件市场。近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用。利用 CAE 技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注塑成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者
16、能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以后再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。塑料模具的设计不但要采用 CAD 技术，而且还要采用 CAE 技术。这是发展的必然趋势。注塑成型分两个阶段，即开发/设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型） 。传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕后，通常需要几次试模，发现问题后，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑料制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期
17、。采用 CAE 技术，可以完全代替试模，CAE 技术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，预测塑料熔体在型腔中的整个成型过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本。近年来，CAE 技术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用 CAE 技术可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。CAE 分析技术能成功地应用于三组不同的生产过程，即制品设计、模具设计和注塑成型。制品设计制品设计者能用流动分析解决下列问题：(1) 制品能否全部注满 这一古老的问题仍为许多制品设计人员所注目，尤其是大型制件，如盖子、容器和家具等。(2) 制件实际最小壁厚 如能使用薄壁制件
18、，就能大大降低制件的材料成本。减小壁厚还可大大降低制件的循环时间，从而提高生产效率，降低塑件成本。(3)浇口位置是否合适 采用 CAE 分析可使产品设计者在设计时具有充分的选择浇口位置的余地，确保设计的审美特性。模具设计和制造CAE 分析可在以下诸方面辅助设计者和制造者，以得到良好的模具设计：(1) 良好的充填形式 对于任何的注塑成型来说，最重要的是控制充填的方式，以使塑件的成型可靠、经济。单向充填是一种好的注塑方式，它可以提高塑件内部分子单向和稳定的取向性。这种填充形式有助于避免因不同的分子取向所导致的翘曲变形。(2)最佳浇口位置与浇口数量 为了对充填方式进行控制，模具设计者必须选择能够实现
19、这种控制的浇口位置和数量，CAE 分析可使设计者有多种浇口位置的选择方案并对其影响作出评价。(3)流道系统的优化设计 实际的模具设计往往要反复权衡各种因素，尽量使设计方案尽善尽美。通过流动分析，可以帮助设计者设计出压力平衡、温度平衡或者压力、温度均平衡的流道系统，还可对流道内剪切速率和摩擦热进行评估，如此，便可避免材料的降解和型腔内过高的熔体温度。(4)冷却系统的优化设计 通过分析冷却系统对流动过程的影响，优化冷却管路的布局和工作条件，从而产生均匀的冷却，并由此缩短成型周期，减少产品成型后的内应力。(5)减小反修成本 提高模具一次试模成功的可能性是 CAE 分析的一大优点。反复地试模、修模要耗
20、损大量的时间和金钱。此外，未经反复修模的模具，其寿命也较长。注塑成型注塑者可望在制件成本、质量和可加工性方面得到 CAE 技术的帮助：(1) 更加宽广更加稳定的加工“ 裕度” 流动分析对熔体温度、模具温度和注射速度等主要注塑加工参数提出一个目标趋势，通过流动分析，注塑者便可估定各个加工参数的正确值，并确定其变动范围。会同模具设计者一起，他们可以结合使用最经济的加工设备，设定最佳的模具方案。(2) 减小塑件应力和翘曲 选择最好的加工参数使塑件残余应力最小。残余应力通常使塑件在成型后出现翘曲变形，甚至发生失效。(3) 省料和减少过量充模 流道和型腔的设计采用平衡流动，有助于减少材料的使用和消除因局
21、部过量注射所造成的翘曲变形。(4)最小的流道尺寸和回用料成本 流动分析有助于选定最佳的流道尺寸。以减少浇道部分塑料的冷却时间，从而缩短整个注射成型的时间，以及减少变成回收料或者废料的浇道部分塑料的体积。1.2 有限单元法1.2.1 基本概念与发展有限单元法是应用数值分析技术并借助于电子计算机的高速、大容量的功能把复杂的工程结构的强度、刚度及动态特性分析计算问题转化为概念浅显、容易掌握、适应范围广泛和精确度高的一种分析计算方法。其基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是有许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单）的近似解，然后推导求解这个域总的满足
22、条件（如结构的平衡条件）从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解。由于大多数实际问题难以得到准确解而有限元不仅计算精度高而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限单元法最初是在二十世纪五十年代作为处理力学问题的方法出现的，在 1945 至 1955 这十年间发展起来的结构分析矩阵（位移）法可以说是他的雏形。1956 年 Turner Clough 把刚价位移（直接刚度法）应用到弹性力学平面问题中去，他们把结构划分成一个个三角形和矩形的“单元” 。与矩阵法不同的是，矩阵分析法中每一结构件的力与位移的关系是精确推导出来的，而有限元法的解则是利用每一单元中近似的位移函数。初期
23、的有限（单元）法是建立在虚功的原理上。1963-1964 年Besseling、Melosh 和 Jones 等人证明了有限元法是基于变分原理的里兹（Ritz）法的另一种形式，确认了有限元法是处理连续介质问题的一种普遍方法，扩大了有限元法的应用范围。从 20 世纪 60 年代后期开始，进一步利用加权余量法，主要是伽辽金法（Galerkin）法，来确定单元特性和建立有限元求解方程，使之应用于已知问题的微分方程和边界条件、但变分的泛函尚未找到或根本不存在的情况，进一步扩大了有限元法的应用领域。四十年来，有限单元法蓬勃发展，其应用已由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到流体力学、渗流与固结理论、热传导与热应力问题、磁场问题以及建筑声学与噪音问题。不仅涉及稳态场问题，还涵盖材料非线性、几何非线性、时间维问题和断裂力学等。已出现多种新单元（先后有等参元、高次元、不协调元、杂交元、样条元、边界元、罚单元、半解析的有限条等不同单元）和求解方法（如半带宽于变带宽消去法、超矩阵法、波前法、子结构法、子空间迭代法等） 。能解决各种复杂耦合问题的软件和软件系统不断
