基于Deform3D扭转试样的数值模拟计算机专业.doc

题 目：基于Deform3D扭转试样的数值模拟 摘要 本论文主要是围绕扭转数值模拟展开，使用DEFORM-3D程序，对旋转过程进行了有限的模拟和研究。不同旋转速度对数值模拟结果的影响。 首先对扭转数值模拟所用材料Q235进行了分析，查询相关文献得到了其本构方程和弹塑性相关参数，导入DEFORM-3D软件建立了Q235材料，丰富了软件材料库。 其次建立了扭转仿真有限元模型，熟悉了DEFORM-3D有限元模拟软件的基本操作。 最后，完成了扭转数值模拟，探究了不同旋转速度对模拟结果的影响。扭转中的旋转速度很大程度力影响着结果中速度流场、等效应力场、扭矩等方面。随旋转速度的增加，最大应力也随着增大；扭矩随着转速的增加而增加，而且会跟随着旋转速度的不断增强，其材料流动速度也随着增大。 关键词：Q235钢;DEFORM-3D;数值模拟；扭转 ABSTRACT This thesis mainly focuses on the torsion numerical simulation. The DEFORM-3D software is used to simulate the torsion process, and the effects of different rotation speeds on the numerical simulation results are explored. Firstly, the material Q235 used in torsional numerical simulation was analyzed. The constitutive equations and elastoplastic related parameters were obtained by querying the relevant literature. The Q235 material was established by DEFORM-3D software, which enriched the software material library. Secondly, the torsion simulation finite element model is established, and the basic operation of DEFORM-3D finite element simulation software is familiar. Finally, the torsion numerical simulation was completed and the effects of different rotation speeds on the simulation results were explored. The rotational speed in the torsion greatly affects the velocity flow field, equivalent stress field, torque, etc. in the result. With the increase of the rotational speed, the maximum stress also increases; as the rotational speed increases, the torque also increases; as the rotational speed increases, the material flow velocity also increases. Key words: Q235 steel; DEFORM-3D; numerical simulation; torsion 目录字体加大 摘要 3 ABSTRACT 4 第一章 引言 6 1.1课题背景 6 1.2扭转概述 6 1.3扭转数值模拟国内外研究现状 7 第二章扭转有限元法 9 2.1引言 9 2.2 DEFORM-3D软件简介 9 2.3有限元分析的实施步骤 9 2.4 刚塑性有限元法 10 2.5 Q235扭转有限元数值模拟 10 2.4.1模型建立 11 2.4.2参数确定 11 第三章 有限元模拟及结果分析 14 3.1 DEFORM-3D前处理 14 3.2仿真结果分析 21 3.2.1不同扭转速度下的等效应力 21 3.2.2扭矩-转角曲线分析 22 3.2.3速度矢量分析 24 3.3本章总结 25 第四章总结 26 致谢 27 参考文献 28 符号表 30 行间距1.5倍吧 第一章 引 言 1.1课题背景 Q235 钢作为一种碳素结构钢，具有良好的韧性和强度，在建筑行业、桥梁工程、船舶工业等领域被广泛采用，在国防领域同样得到大量应用。在工业领 域，各种强度问题是研究中必须考虑的，应变率效应同样是研究Q235 钢材力学性能不可忽视的问题。强度中的看见强度显得尤为重要，其测定方法通常是通过扭转实验的方法测得，这种方式得到的结果比较可靠，但是其制样过程和试验要求耗时，且要求高。基于此，本文拟采用数值模拟的方式模拟扭转试样的过程，研究其扭转过程中变形过程，为实验研究打下基础。 1.2扭转概述 扭转是杆件变形的一种基本形式。在实际工程的数量也有相对较高的杠杆零件与扭转作为主要的变形,例如,杠杆的杠杆车辆方向盘,见图1.1(a),其中的两个极端的行动受到分别为力偶的力量对外轮和反应的机;图1.1 (b)显示了水轮机与发电机的主连接轴，其末端分别受叶片上的水力对和发电机的反力对的作用;图1.1 (c)显示了机器上的传输轴，它也受到一对活动力和一对扭曲轴的反力的作用，这样就会扭曲轴使其发生形变。 （a）（b）（c） 图1.1要图题 这些机构的共同特点是,两双一样大小的力量,在相反的方向,和行动上垂直于轴杆的两端产生相对旋转状态的轴杆在任何两个部分的扭矩。这种形式的变形被称为扭转变形(见图1.2)。一个主要基于扭转变形的直子叫做轴。如果横截面的部分是圆形的，它被称为圆形轴。 图1.2放在图下面注意还要图题 1.3扭转数值模拟国内外研究现状 近年来，当地人和外国研究者通过数值的模拟动作，对逆转事实做出了重大的研究。就材料的组成方程而言，张元豪等[1]对Q235 钢板在高应变率下的抗侵彻性能进行了试验和数值仿真研究，研究了弹速、入射角、靶板厚度等对侵彻影响。张航[2同3 ]对Q235 钢在两相区的热轧进行了模拟研究，考虑了应变率的影响，利用Johnson-Cook 经验模型作为钢材的本构模型。陈俊岭等[3与此同时，对Q235的机械性能进行了研究分析实验，不同的变形速度表明，随着变形速度的增加，强度会增加，并且利用Cowper-Symonds 模型和Johnson-Cook 模型对试验结果进行验证。 在实验研究方面，刘喜平在研究过程中发现铸铁杆是沿45°斜截面的拉断,而Q235杆是沿横截面的切断,通过力学理论推导,加深初学者对这两种破坏形态的理解和认识[4]同上 。力天震研究生了扭转硬化对Q235钢拉伸性能影响的实验研究，并进行了实验验证，实验结果表明,扭转硬化可以显著提高Q235钢的屈服极限,并保证材料的截面积几乎不发生变化.但是硬化会降低材料的塑性性能,其断后伸长率，断面收缩率均有所下降[5]同上 。任尚坤等人[6]同上 通过反复的加载以及放电，测量了表面固定点的磁感应强度与不同扭矩下的低碳钢样品Q235的扭矩变化两者的相关联系。 在数值模拟方面，宋明陆等人[7]同上 在常温下对T2纯铜坯料进行了利用有限元素的变形三维软件进行了扭转挤压建模，并模拟了成形过程。分析了不同扭转速度对挤压制品的等效应变和温度的影响。进行了扭转挤压试验,将试验结果和仿真数值进行了对比。陈刚等人[8]同上 我们用ls-dyna做了一个霍普金森倾斜度测试的数学模拟。通过使用数字模拟获得在波束上的受力信号，在波束上的信号按照回转盘数据处理方法得到测试材料的“拉应变曲线”，然后与输入关系进行比较，观察“真实”测试结果与数字结果之间的差异。对数值模拟结果进行了讨论，讨论了加载过程中压力的变形和均匀性，然后分析了测试结果对测试壁厚和直径的影响。吕萌[9]同上 通过DEFORM-3D一种高压扭转变形工艺的钛合金数值模拟是一种摩擦因子和变形温度对高压扭转变形工艺的影响的数值分析，通过断裂系数、等效应变、等效效应力、SURFA实现TC4钛合金。这种膨胀比、速度矢量分布和变异。廖戡武[10]同上 等人以H65黄铜管材为例,对该工艺过程进行数值模拟,得到了在不同工艺参数条件下管材的塑性应变的变化情况。这对得出塑性应变累积量与晶粒尺寸细化程度的关系有利，能提高确定合理工艺参数的效率。 第二章 扭转有限元法 2.1 引言 近年来，伴随着计算机技术的飞快发展，以及有限元计算软件的不断进步，有限元技术利用计算机把研究对象离散化，划分为许多个细小的单元，在单元之间使用节点连接起来，利用数值分析的方法进行迭代求解，从而得到整体的变量场分布。在上世纪中期，学者们基于拉格朗日和牛顿等数值迭代方法，并应用到了计算机领域，此后，有限元方法被广泛用于连续体力学。塑性成形等方面。而有限元技术的成果应用，大大到低减少了研究时间，为生产研究缩短了工时，降低了生产成本。在塑性变形中，刚塑性有限元法最为常见，其应用范围也比较广泛。 2.2 DEFORM-3D软件简介 对于DEFORM-3D而言，是一种有效处理三维金属流动问题的计算软件，此外该软件还能分析经过非常复的过程而产生的金属。该软件是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各种金属成形过程中三维流动，提供有价值的工艺分析数据及有关成形过程在的的材料流动和温度流动[11]。 DEFORM-3D是由SFTC（Science Forming Technology Corporation）企业研制的塑性成形软件。其前身为美国小林工作室研发的APLID软件。DEFORM-3D是集下料、热处理、机加工、成形与一体的有限元模拟系统[12,13]。 DEFORM-3D具有强大的图形界面，其模块化让用户能直观第了解其功能。DEFORM-3D V11.3版本还推出DOE优化和材料material suit模块，其中DOE优化模块内置了正交优化算法，为用户提供简洁明了的图形化多工序优化，而material suit模则是帮助用户处理材料的实验数据，通过把实验测得的数据导入DEFORM-3D material suit模块，自动帮用户计算。同时还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D模拟过程极为重要。 该软件的核心计算代码为经过处理后的拉格朗日函数，通过多次迭代计算可以得到较为精准的计算结果。该软件内置了大量的材料信息，其中包含了刚性、塑性以及弹塑性材料的主要参数。 DEFORM-3D最大的特点就是自动网格重划分功能，根据用户自己设定网格重划分的临界值进行自动划分。该软件由于其优异的成形性，在世界范围内，被个高校、企业广泛使用。 2.3有限元分析的实施步骤 仿真系统的实现基础是有限元理论，通过一定的工艺条件、图像分析技术等相关的理论以及技术分析，然后将其进行系统的组合以及分析，便实现了仿真运算，相关分析过程见下图2.1。 图2.1有限元分析实施步骤 2.4 刚塑性有限元法 在上个世纪的七十年代左右，国外的专家第一次提出了基于有限元的刚塑性算法。它是把材料假设为刚塑性，即忽略弹性变形部分， 能够把实际的工作参数经过处理得到有限元算法中的边值问题，主要通过变分原理，可以将耗率转