MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用

前言

塑性加工成形中的各種現(xiàn)象及其規(guī)律是十分復(fù)雜的，這使得塑性加工成形工藝和模具設(shè)計(jì)缺乏系統(tǒng)精確的理論分析手段，主要依據(jù)工程師長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)質(zhì)量難以得到保證。借助于有限元模擬方法，可以獲得對(duì)于塑性加工成形過(guò)程規(guī)律的認(rèn)識(shí)，用較小的代價(jià)、在較短的時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)的或可行的設(shè)計(jì)方案。有限元模擬對(duì)材料加工是強(qiáng)有力的設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的工具，可以分析預(yù)測(cè)成形期間零件形狀的變化、坯料的變形規(guī)律、最終應(yīng)變分布、溫度場(chǎng)分布、全場(chǎng)應(yīng)力與應(yīng)變分布、組織性能變化規(guī)律、工藝參數(shù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和尺寸精度的影響規(guī)律以及缺陷形成區(qū)域等，并可在零件生產(chǎn)前最大限度地優(yōu)化工藝參數(shù)，加快生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，所有這些對(duì)于成功地成形復(fù)雜形狀的零件并減少成形時(shí)間是至關(guān)重要的。采用有限元技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)塑性成形全過(guò)程的參數(shù)監(jiān)控與預(yù)測(cè)，進(jìn)行材料的流動(dòng)變形規(guī)律與各種工藝缺陷的變化規(guī)律研究，作為工藝參數(shù)優(yōu)化與選擇的依據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)起到指導(dǎo)和預(yù)測(cè)的作用，為提高塑性加工生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，使工藝設(shè)計(jì)和生產(chǎn)控制擺脫人工試錯(cuò)法，走向科學(xué)化和智能化。塑性加工成形模擬技術(shù)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，國(guó)際上已經(jīng)出現(xiàn)了一批塑性成形模擬軟件。其中，大型有限元分析軟件MSC.MARC是可以快速模擬各種冷熱成形、擠壓、軋制等塑性成形過(guò)程的工藝成形專用軟件，它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)具有高度組合的非線性體成形過(guò)程的全自動(dòng)數(shù)值模擬，MSC.MARC為滿足特殊用戶的二次開(kāi)發(fā)需求，提供了友好的用戶開(kāi)發(fā)環(huán)境，為塑性加工成形二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本書(shū)通過(guò)各種典型材料加工案例，詳細(xì)介紹：MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用及其相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。全書(shū)以應(yīng)用為主，理論為輔，一方面強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)MSC.MARC有限元軟件基本應(yīng)用能力，另一方面又強(qiáng)調(diào)提高應(yīng)用MSc.MARC有限元軟件計(jì)算結(jié)果分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。本書(shū)所有案例皆來(lái)自實(shí)際工程項(xiàng)目，不僅包括具體的建模過(guò)程，還包括具體的模擬結(jié)果分析與技術(shù)處理。全書(shū)共分13章，第1章由張士宏（中國(guó)科學(xué)院金屬研究所）編寫(xiě)，介紹有限元技術(shù)在材料加工工程中的應(yīng)用狀況。第2章由岳峰麗（沈陽(yáng)理工大學(xué)）編寫(xiě)，介紹有限元法的一些基本原理與關(guān)鍵技術(shù)。第3章由李毅波（中南大學(xué)博士生，MSC：上海辦事處工程師）編寫(xiě)，介紹MSC.MARC：在材料加工過(guò)程中的常用技術(shù)。第4章由劉勁松（沈陽(yáng)理工大學(xué)）、岳峰麗編寫(xiě)，介紹異型結(jié)構(gòu)件增量彎曲成形有限元模擬和一些MSC.MARC軟件的基本操作技能。第5章由肖寒（大連理工大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生）、劉勁松編寫(xiě)，介紹整體壁板滾彎成形有限元模擬。第6章由王祺（沈陽(yáng)理工大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生）、劉勁松、肖寒編寫(xiě)，介紹鎂合金型材彎曲成形有限元模擬。第7章由李毅波編寫(xiě)，介紹金屬軋制成形的有限元模擬。第8章由梁海城（沈陽(yáng)理工大學(xué)，東北大學(xué)博士研究生）編寫(xiě)，介紹鎂合金板材異步軋制數(shù)值模擬。第9章由李冰（大連交通大學(xué)）編寫(xiě)，介紹三輥行星軋制成形有限元模擬。第10章由陳仕清（大連理工大學(xué)與中國(guó)科學(xué)院金屬研究所聯(lián)合培養(yǎng)碩士研究生）、袁安營(yíng)編寫(xiě)，介紹管材液壓成形有限元分析實(shí)例。

內(nèi)容概要

本書(shū)主要介紹MSC.MARC在材料加工工程中的應(yīng)用及其相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題，特別是對(duì)塑性加工成型過(guò)程中的典型應(yīng)用作了重點(diǎn)講解。全書(shū)以應(yīng)用為主，理論為輔，既注重MSC.MARC基本原理與使用方法，又強(qiáng)調(diào)提高實(shí)際工程應(yīng)用分析能力。    本書(shū)所有案例皆來(lái)自實(shí)際工程項(xiàng)目，不僅包括具體的建模過(guò)程，還包括具體的模擬結(jié)果分析與技術(shù)處理。全書(shū)共分13章，介紹有限元技術(shù)在材料加工工程中的應(yīng)用狀況，有限元法的一些基本原理與MSC.MARC在材料加工中的一些常用技術(shù)，分別從板材成型、型材成型、軋制成型、液壓成型、鍛造成型、熱處理、焊接等方面介紹MSC.MARC在材料加工工程中的典型應(yīng)用案例，并給出全部命令流流程和相應(yīng)的子程序代碼。讀者通過(guò)本書(shū)的學(xué)習(xí)，可以掌握有限元法解決實(shí)際工程問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)，學(xué)會(huì)應(yīng)用本專業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題、解決問(wèn)題，將理論分析與工程實(shí)踐緊密銜接在一起。本書(shū)附帶所有案例的模型文件，讀者可以在中國(guó)水電水利出版社網(wǎng)站下載。    本書(shū)既適合作為材料加工工程專業(yè)的本科生與研究生教材，也可作為相關(guān)企事業(yè)工程技術(shù)人員應(yīng)用參考書(shū)，還可作為MSC.MARC有限元分析軟件的高級(jí)培訓(xùn)教材。

書(shū)籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  有限元法的特點(diǎn)與發(fā)展過(guò)程  1.2  有限元法在塑性加工領(lǐng)域的應(yīng)用  1.3  有限元法的基本問(wèn)題  1.4  有限元法的發(fā)展趨勢(shì)  1.5  MSC.Marc有限元軟件的特點(diǎn)第2章  有限元法的基本理論第3章  MSC.MARC在材料加工過(guò)程中的一些常用技術(shù)第4章  異型結(jié)構(gòu)件增量彎曲成形有限元模擬第5章  整體壁板滾彎成形有限元模擬第6章  鎂合金型材繞彎成形有限元模擬第7章  金屬軋制成形的有限元模擬第8章  鎂合金板材異步軋制數(shù)值模擬第9章  三輥行星軋制成形有限元模擬第10章  管材液壓成形有限元分析實(shí)例第11章  渦輪盤(pán)閉模鍛造中組織演變的有限元模擬第12章  銅盤(pán)管退火過(guò)程溫度場(chǎng)有限元模擬第13章  管道對(duì)接焊有限元模擬參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：一般來(lái)說(shuō)，工程問(wèn)題尤其是塑性加工問(wèn)題是大變形過(guò)程，工具一般有運(yùn)動(dòng)和位移，而工具的運(yùn)動(dòng)通常都有一定規(guī)律，即工具與坯料的接觸，工具與工具之間的接觸，坯料與坯料的接觸，坯料的一部分與另一部分表面的接觸，這些接觸關(guān)系需要進(jìn)行計(jì)算與判斷，以確定工具和坯料表面的位移。另外，工具與坯料的運(yùn)動(dòng)都是有規(guī)律或限定條件的，例如對(duì)稱面、固定邊界等，這些限定條件給出了已知的邊界條件，簡(jiǎn)化了計(jì)算，一般有利于問(wèn)題的解決。由于塑性變形往往涉及大變形，部分區(qū)域由于過(guò)量的變形往往會(huì)產(chǎn)生形狀畸變，原來(lái)的網(wǎng)格系統(tǒng)不能滿足計(jì)算的要求，因此常常要求軟件具有網(wǎng)格自動(dòng)重構(gòu)的功能。目前，大部分商用有限元軟件大都具有網(wǎng)格自動(dòng)劃分的功能。而且，對(duì)于體積成形問(wèn)題，例如鍛造、軋制和擠壓，網(wǎng)格自動(dòng)重構(gòu)是必備的功能。早期的軟件一般具備網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能，而成熟的軟件則大多具備變形過(guò)程中網(wǎng)格的重構(gòu)功能，可以根據(jù)計(jì)算步數(shù)設(shè)定，也可根據(jù)區(qū)域變形單元畸變程度來(lái)自行設(shè)定，這些軟件還往往具備根據(jù)精度要求進(jìn)行局部加密的功能。隨著數(shù)學(xué)方法的豐富，學(xué)者們提出了越來(lái)越多新的網(wǎng)格自動(dòng)劃分方法，達(dá)到自適應(yīng)能力，具有一定的智能性。（3）塑性加工問(wèn)題的熱力耦合計(jì)算方法。對(duì)于熱加工問(wèn)題和一些精度要求較高的加工成形問(wèn)題，往往需要考慮溫度場(chǎng)對(duì)材料和變形的影響。例如熱模鍛過(guò)程就是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)的熱變形過(guò)程，伴隨溫度場(chǎng)的變化，不但影響了材料的性能，還影響了模具的形狀。鋁管材的連續(xù)擠壓過(guò)程由于摩擦和變形熱使材料由室溫升高到幾百度，可以達(dá)到材料的再結(jié)晶溫度，這個(gè)過(guò)程的計(jì)算就不能不考慮溫度場(chǎng)的變化。一般來(lái)說(shuō)，大多數(shù)軟件都有熱力耦合計(jì)算功能，但其計(jì)算方法大多是半耦合或稱弱耦合，即一般通過(guò)主程序計(jì)算時(shí)不考慮溫度場(chǎng)，另外有一個(gè)專門(mén)計(jì)算溫度場(chǎng)的子程序，當(dāng)主程序完成變形計(jì)算某一加載步后，再由子程序負(fù)責(zé)相應(yīng)溫度場(chǎng)的計(jì)算，然后將計(jì)算獲得的新溫度場(chǎng)賦值到原變形場(chǎng)，再計(jì)算新溫度場(chǎng)條件下的變形過(guò)程。計(jì)算方法中不是統(tǒng)一設(shè)定平衡方程，為計(jì)算量太大，一般很難完成。而弱耦合則使計(jì)算量顯著降低，因?yàn)閱为?dú)計(jì)算溫度場(chǎng)是很快速的，這樣總的計(jì)算時(shí)間增加不多。如果進(jìn)行全耦合計(jì)算，即在列平衡方程時(shí)將力平衡方程和熱平衡方程聯(lián)立求解，將使未知數(shù)大幅度增加，平衡方程總數(shù)也大幅度增加，求解很困難，計(jì)算速度大幅度降低，在以往的計(jì)算機(jī)硬件條件下一般不可能在較理想時(shí)間內(nèi)完成，因此很少有強(qiáng)耦合計(jì)算方法的使用。（4）塑性加工工藝缺陷的預(yù)測(cè)。在塑性加工過(guò)程中，往往伴隨一些工藝缺陷的產(chǎn)生，例如沖壓過(guò)程中的失穩(wěn)起皺、破裂，鍛造過(guò)程中的裂紋、折疊、孔洞，軋制過(guò)程中的邊裂、起浪等。目前，對(duì)于沖壓過(guò)程，人們已經(jīng)可以比較容易地預(yù)測(cè)破裂和起皺，但是對(duì)于破裂過(guò)程的發(fā)展、起皺數(shù)量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)還不夠，但對(duì)于大多數(shù)沖壓工藝分析已基本足夠。人們已經(jīng)將一些成形準(zhǔn)則應(yīng)用到?jīng)_壓領(lǐng)域，例如成形極限圖FLD（Forming Limit Diagram）的應(yīng)用，在汽車(chē)覆蓋件沖壓過(guò)程中得到了普遍應(yīng)用，可以預(yù)測(cè)破壞的位置，對(duì)工藝及時(shí)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)和優(yōu)化。在鍛造等體積成形工藝中，對(duì)于裂紋和折疊的預(yù)測(cè)已基本成熟，可以給出裂紋的位置、發(fā)生條件，給出折疊產(chǎn)生的條件和發(fā)生方式。在軋制過(guò)程中經(jīng)常產(chǎn)生的邊裂和波浪化，目前的軟件也基本有了比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)能力?？傊?，有限元法目前已經(jīng)可以預(yù)測(cè)大部分工藝缺陷，給出發(fā)生條件和位置，不足之處是定量不夠準(zhǔn)確，對(duì)于缺陷的發(fā)展過(guò)程不能準(zhǔn)確描述。

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