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泡沫金属--有限元模拟的理论依据
作者: 本站 来源: 本站 时间:2017年06月30日 字体:[] 留言

2.1 DEFORM-3D简介

2.1.1 DEFORM-3D概况

DEFORM-3D是一套基于有限元的工艺仿真系统,用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程,帮助工程师和设计人员:①设计工具和产品工艺流程,减少昂贵的现场试验成本;②提高工模具设计效率,降低生产和材料成本;③缩短新产品的研究开发周期。DEFORM-3D不同于一般的有限元程序,它是专为金属成形而设计的。它具有非常友好的图形用户界面,可帮助用户很方便地进行准备数据和成形分析。这样,工程师们便可把精力主要集中在工艺分析上,而不是去学习烦琐的计算机系统。 DEFORM-3D 专为大变形问题设计了一个全自动的、优化的网格再划分系统。

2.1.2 DEFORM-3D系统结构

DEFORM-3D是一个高度模块化、集成化的有限元模拟系统,它主要包括前处理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入,建立边界条件,它还包括有限元网格自动生成器;模拟器是集弹性、弹塑性、刚()塑性、热传导于一体的有限元求解器;后处理器是将模拟结果可视化,支持OPGL 图形模式,并输出用户所需的模拟数据。DEFORM-3D允许用户对其数据库进行操作,对系统设置进行修改,以及定义自己的材料模型等。

2.1.3 DEFORM-3D的功能

(1)成形分析:① 冷、温、热锻的成形和热传导偶合分析,提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和韧性破裂等信息;②丰富的材料数据库,包括各种钢、铝合金、钛合金等,用户还可自行输入材料数据;③刚性、弹性和热粘塑性材料模型,特别适用于大变形成形分析;弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题,烧结体材料模型适用于分析粉末冶金成形;④完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤上成形、螺旋压力成形和机械压力成形;⑤温度、应力、应变、损伤及其他场变量等值线的绘制使后处理简单明了。

(2)热处理:①模拟正火、退火、淬火、回火、渗碳等工艺过程;②预测硬度、晶粒组织成分、扭曲和含碳量;③可以输入顶端淬火数据来预测最终产品的硬度分布;④可以分析各种材料晶相,每种晶相都有自己的弹性、塑性、热和硬度属性。混合材料的特性取决于热处理模拟中每步各种金属的百分比。DEFORM-3D用来分析变形、传热、热处理、相变和扩散之间复杂的相互作用,各种现象之间相互耦合。拥有相应的模块之后,这些耦合将包括:由于塑性变形引起的升温、加热软化、相变控制温度、相变内能、相变塑性、相变应变、应力对相变的影响以及含碳量对各种材料属性产生的影响等。

2.1.4 DEFORM-3D的操作步骤

DEFORM-3D的分析步骤主要包括三个步骤:

1)前处理

①创建或读入几何模型;②划分网格;③定义材料属性;④设定约束条件。

2)求解

3)后处理

①查看分析结果;②检验结果。

2.2 模拟设计思路

2.2.1 泡沫金属和有限元的连接点

通过研究泡沫金属的结构和性能以及有限元方法,寻找二者之间的连接点,使之达到用有限元模拟泡沫金属结构和性能的目的。泡沫金属的很多性能(如机械性能、能量吸收和阻尼性能等)在很大程度上可以由其压缩曲线反映。在泡沫金属性能研究过程中,泡沫金属的压缩曲线是至关重要的,尤其是机械性能、能 量吸收性能和阻尼性能的表述。因此,把压缩曲线作为泡沫金属仿真模拟的切入点,可以通过压缩曲线的形状和走向来评估其机械性能和能量吸收性能及阻尼特性。

2.2.2泡沫模拟的设计思路

探索泡沫铝微观结构与宏观性能之间的关系,是大多数模型与模拟研究的关键所在。多孔泡沫金属材料的性能与孔单元的结构有着密切的关系,孔单元的结构表征参数如孔隙率、孔径等取决于孔的类型(开孔如图2.1,闭孔如图2.2)、孔的形状和孔的分布[5,8]

多孔材料力学性能的模拟可在不同尺度范围内进行。按微观机制的观点泡沫金属的不均匀结构由单孔、孔壁、孔棱、接点构成,可用统计方法或建立离散几何模型方法进行研究。从宏观上来看,如果孔穴尺寸相对于测试样品或元件的 尺寸来说相当小,就可把泡沫金属看作是均匀的连续统一体,其主要用于空洞及固体填充孔的影响。目前利用有限元软件对泡沫铝的微观力学研究都是以离散的微观结构模型为基础的,这种微观几何模型常被理想化。为确定高孔隙率多孔固体在外力作用下的响应,可用网状的柱体(开孔泡沫)或壳体(闭孔泡沫)对多孔结构进行模型描述,并采用有限元或边界元数值方法进行分析。有三种本构模型可用于模拟单元的塑性变形:经典的J2塑性模型、可变性泡沫模型(Crushable foam model)及简单自相似模型[20,21]。近来流行的2D微观几何模型是将泡沫金属截面的纤维照片为基础而建立。这种―真实结构‖模型需要对边界进行处理以使其具有周期性。3D模型常用规则立方体、八面体模型、菱形十二面体、规则十四面体(或称为Kelvin结构)等。对于各向同性的开孔泡沫材料,刘培生[13]提出的新八面体模型。从孔隙单元密积、孔棱全部等价、所构多孔体三维各向同性等基本点出发,将这种多孔体抽象地表征为具有八面体结构的孔隙单元的集合体。不管多孔体是单向、双向还是三向承载,新模型中各棱柱的受力状态均完全等价从而实现了结构单元中所有棱柱的结构状态和受力状态双重等价,克服了Gibson-Ashby模型中―多孔体在单向承载、双向承载和三向不等‖的缺点。十四面体的优点是它与实际多面体泡沫具有等同的平均面数及孔棱数。因此,十四面体已被广泛地用于研究开孔泡沫和闭孔泡沫,但是这种模型在量上与实际的模型存在差别,如其杨氏模量随密度二次方变化,而体积模量则是线性变化[5,22],这与实验不符合。较复杂的几何体可通过的两种大小不同多面体的规则排列而得到,Voronoi模型也可用于建立不规则的开孔泡沫和闭孔泡沫。随着可测量具有一定复杂程度的数字微观结构的大规模计算方法和有效计算能力的出现,一种基于Voronoi tessellation[23,24]方法的随机泡沫模型开始成为新的研究。Voronoi tessellation数学定义与泡沫构成的物理特性存在很多相似之处,使这种模型目前为止是一种较为理想的模型.

利用现成的商业有限元软件DEFORM-3D进行泡沫金属结构性能的计算机仿真模拟,通过模拟其目的是反映泡沫金属的结构性能,评估和预测一定孔隙率条件下泡沫金属的机械性能和能量吸收性能。其泡沫金属性能反映和有限元模拟的连接点在于泡沫金属压缩实验下的压缩曲线。但就其泡沫金属(主要指闭孔泡沫金属)的结构而言,是一种由金属骨架、较大孔径、高孔隙率组成的新型多孔结构功能材料,建立其完全的物理模型是极其困难的。因为到目前为止,对于泡沫金属的研究而言,只是从实验的角度给出了一些定量的分析研究,并未从理论的角度给出确切的定性分析,因而对于泡沫金属的有限元模拟并无现成的理论模

型可遵循。

就泡沫金属的实质而言,它也是一种金属,只不过是具有高密度缺陷的金属。那么泡沫金属仍应满足金属的塑性变形基本定律,在进行泡沫金属压缩模拟时,只需从几何构形方面考虑,其余均按实体金属的性质来运行。这样,无论在模型设计及模型实施的各个方面都得到了简化。

泡沫金属的结构表征参数很多,包括有:孔径、孔隙率、密度、比表面积、通孔度、开孔度及流通特性等。但此模拟研究主要是在假设其他结构参数不变的 情况下,取不同大小的孔隙率、孔径,对泡沫金属进行模拟。其主要原因有以下两个方面:(1)孔隙率是影响泡沫金属结构性能的一个重要参数,与泡沫金属的密度成反比关系。正因为泡沫金属机械性能很大程度上由其密度决定,所以换言之,泡沫金属的机械性能很大程度上由孔隙率决定。(2)孔隙率是一个直观因素,也利于简化模型与运算。取平均孔隙率作为模拟的标准。平均孔隙率的定义为平均每截面孔隙所占面积与该截面面积的比值,其运算公式为:

δ=S/S截面 (2.1)

3)孔径也是反映泡沫铝力学性能的主要参数,以前的研究表明,孔径的大小存在一个极值,太小或太大屈服应力都会降低,只有在合适的尺寸其屈服应力才会达到最大值。

2.2.3 模拟的假设

利用模板对泡沫金属块进行压缩变形,进而通过其模拟得到的结果研究其性能。模拟的假设条件对于模拟的影响相当重要。好的假设不仅可以简化模型,还可以得到良好的模拟效果。

此模拟的假设条件:

1.圆孔假设

2.滑动库仑摩擦

2.圆孔假设。

泡沫金属体内有若干个连通或不连通的孔洞,也就是通孔泡沫金属和闭孔泡沫金属。以闭孔泡沫金属为研究对象,孔洞形状的规则性与否取决于制备工艺。但孔洞形状在某一截面上呈现出多边形状。为了使模型简化,可以把多边形近似.

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