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• 现代成形加工与模具正朝着高效率、高速度、 高精度、高性能、低成本、节省资源等方向发 展，因此传统的设计方式已远远无法满足要求。 20 多年来，随着计算机技术和数值仿真技
• 术的发展，出现了计算机辅助工程分析 (Computer Aided Engineering)这一新兴的技术， 该技术在成形加工和模具行业中的应用，即模 具CAE。模具CAE 是广义模具CAD/CAM 中的一 个主要内容，现已在实际中体现出了越来越重 要的作用，也得到越来越广泛的应用。
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有限元法分析的基本
过程
• 根据有限元法的基本概念，其分析过程概括起来有如下 内容，现以连续结构的应力应变分析为例，逐
• 步加以说明。
•
有限元分析的第一步是结构的离散化，这也是有
限元法的基础。简单来说，离散化就是将结构划分成
• 为有限个单元体，并在单元体的指定点设置节点，将相 邻单元体通过节点连接起来组成单元的集合体，并
优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模 块、DMAP 用户开发工具模块及高级对称分析 模块。
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• 结构动力学分析是MSC.NASTRAN 的主要强项 之一，其主要功能包括：正则模态及复特征值 分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随 机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度 分析等。
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• 从数学角度理解，是将图7-1 所示的求解区域 剖分成许多三角形子区域，子域内的位移可以 由相应各节点的待定位移合理插值来表示。根 据原问题的控制方程（如最小势能原理）和约 束条件，可以求解出各节点的待定位移，进而 求得其它场量。推广到其它连续域问题，节点 未知量也可以是压力、温度、速度等
• 1） 由于塑性变形区中的应力与应变关系为非 线性的，为了便于求解非线性问题，必需用适 当的方法将问题进行线性化处理；一般采用增 量法（或称逐步加载法），即将物体屈服后所 需加的载荷分成若干步施加，在每个加载步的 每个迭代计算步中，把问题看作是线变关系不一定是一一 对应的；塑性变形的大小，不仅取决于当时的 应力状态，而且还决定于加载历史；而卸载与 加载的路线不同，应变关系也不一样；因此， 在每一加载步计算时，一般都应检查塑性区内 各单元是处于加载状态，还是处于卸载状态。
• 物理量。这就是有限元方法的数学解释。
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• 从有限元法的解释可得，有限元法的实质就是 将一个无限的连续体，理想化为有限个单元的 组合体，使复杂问题简化为适合于数值解法的 结构型问题；且在一定的条件下，问题简化后 求得的近似解能够趋近于真实解。
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• 由于对整个连续体进行离散，分解成为小的单元；因此， 有限元法可适用于任意复杂的几何结构，也
• 通过友好的用户界面，可方便获得求解过程的 计算结果并对其进行显示。结果可能包括位移、 温度、应力、应变、速度及热流等。
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金属塑性成形模拟
• 塑性有限元的基本概念
• 金属塑性变形过程非常复杂，是一种典型的非 线性问题，不单包含材料非线性，也有几何非 线性和接触非线性。因此，塑性有限元与线弹 性有限元相比也就复杂得多，这主要体现为：
• 便于处理不同的边界条件；在满足条件下，如果单元越 小、节点越多，有限元数值解的精度就越高。但随
• 着单元的细分，需处理的数据量非常庞大，采用手工方 式难以完成，必须借助计算机；计算机具有大存储
• 量和高计算速度等优势，同时由单元计算到集合成整体 区域的有限元分析，都很适合于计算机的程序设计，可 由计算机自动完成；因此，随着计算机技术的发展，有 限元分析才得以迅速的发展。
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通用有限元软件简介
• 有限元法自1960 年代提出后，由于其强大的功能，获 得了迅速的发展。但有限元法的应用离不开计算机和有 限元应用软件；因此，随着有限单元法理论的发展和完 善，国内外先后开发出了MSC.NASTRAN、ANSYS、 ASKA、ADINA、SAP 等诸多大型通用有限元软件， ABQUS、LS-DYNA、MSC.MARC 等非线
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绪论
• 长期以来，成形工艺和模具的设计以及工艺过 程分析主要是依据积累的实际经验、行业标准 和传统理论进行。但由于实际经验的非确定性、 行业标准的时效性、而传统理论对变形条件和 变形过程进行了简化；
• 因此，对复杂的成形工艺和模具设计往往不容 易获得满意的结果，使得调试模具的时间长、 次数多，甚至导致模具的报废。通常情况下， 为了保证工艺和模具的可靠与安全，多采用保 守的设计方案，造成工序的增多，模具结构尺 寸的加大。
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• 1、 对工件的可加工性能作出早期的判断，预 先发现成形中可能产生的质量缺陷，并模拟各 种工艺方案，以减少模具调试次数和时间，缩 短模具开发时间；
• 2、 对模具进行强度刚度校核，择优选取模具 材料，预测模具的破坏方式和模具的寿命，提 高模具的可靠性，降低模具成本；
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• 3、 通过仿真进行优化设计，以获得最佳的工 艺方案和工艺参数，增强工艺的稳定性、降低 材料消耗、提高生产效率和产品的质量；
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• 从物理的角度理解，即将一个连续的凹模截面 分割成图7-1 所示的有限数量的小三角形单元， 而单元之间只在节点处以铰链相连接，由单元 组合成的结构近似代替原来的连续结构。如果 能合理地求得各单元的力学特性，也就可以求 出组合结构的力学特性。于是，该结构在一定 的约束条件下，在给定的载荷作用，各节点的 位移即可以求得，进而求出单元内的其它物理 场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。
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有限元法的基本概念
• 对于连续体的受力问题，既然作为一个整体获 得精确求解十分困难；于是，作为近似求解， 可以假想地将整个求解区域离散化，分解成为 一定形状有限数量的小区域（即单元），彼此 之间只在一定数量的指定点（即节点）处相互 连接，组成一个单元的集合体以替代原来的连 续体，如图7-1 弯曲凹模的受力分析所示；只 要先求得各节点的位移，即能根据相应的数值 方法近似求得区域内的其它各场量的分布；这 就是有限元法的基本思想。
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• 完成结构有限单元离散后，应对单元进行特性 分析。分析中，选择节点位移为基本未知量； 为了求得单元内的位移、应变和应力，就必需 使单元内各点位移能够用节点位移表示，通常 单元内位移分布难以精确描述；因此，为便于 分析，一般假定位移是坐标的某种简单函数， 这种函数称为位移模式或位移函数。
• 位移函数是否选择得当是有限元法分析中的关 键。
• 形分析有限元软件，及其它各种功能的有限元应用软件。 这些软件一般都具有结构静动力分析、大变形和
• 稳定分析、各种非线形 、以及热分析、流体分析和多 物理场耦合分析等功能，有比较成熟、齐全的单元
• 库，并提供二次开发的接口。
• 以下对MSC.NASTRAN 和ANSYS 作一些简要介绍。
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能顺利求解各种矩阵方程。
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• ANSYS 软件的后处理模块可将计算结果以彩色 等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹 显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可 看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将 计算结果以图表、曲线形式显示或输出。后处 理过程包括两个部分：通用后处理模块POST1 和时间历程后处理模块POST26。
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• 作为世界最流行的大型通用结构有限元分析软 件之一，MSC.NASTRAN 的分析功能覆盖了绝 大多数工程应用领域，并为用户提供了方便的
模块化功能选项。主要分析功能模块有：基本 分析模块(含静力、模态、屈曲、热应力、流固 耦合及数据库管理等)、动力学分析模块、热传 导模块、非线性分析模块、设计灵敏度分析及
• 3） 塑性变形中，金属与工模具的接触面不断 变化；因此，必需考虑非线性接触与动态摩擦 问题。
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• 4） 塑性理论中关于塑性应力应变关系与硬化 模型有多种理论，材料属性有的与时间无关， 有的则是随时间变化的粘塑性问题；于是，采 用不同的理论本构关系不同，所得到的有限元 计算公式也不一样。
• 磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。
• ANSYS 的前处理模块提供了一个强大的实体建模及网 格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。
• ANSYS Workbench Environment（AWE）是ANSYS 公 司新近开发的新一代前后处理环境，AWE 通过独特
• 的插件构架与CAD 系统中的实体及面模型双向相关， 具有很高的CAD 几何导入成功率，当CAD 模型变
• 化时，不需对所施加的载荷和支撑重新施加；AWE 与 CAD 系统的双向相关性还意味着可通过AWE 的参
• 数管理器可方便地控制CAD 模型的参数，从而将设计 效率更加向前推进一步。
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• 分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、 非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学 分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及 多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的 相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力。
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• CAE 所涉及的内容非常丰富，泛指运用科学的方法、以 计算机软件的形式，为工程领域提供一种有效
• 的辅助工具，帮助工程技术人员对产品、加工工艺、工 模具、以及制造成本等进行反复的评估、修改和优
• 化，直到获得最佳的结果。但由于所开发CAE 软件的种 类、功能都较有限，系列化与集成化都难以实现；
材料成形计算机辅助分析
材料工程系
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CAD/CAE在材料加工应用广泛
CAD CAE包括 体积成形分析 板料成形分析 流动成形分析