ansys的金属塑性成形的有限元分析研究
金属塑性成形是指利用金属材料的塑性性质加工，使之具有所需形状的过程。金属材料经成形过程后，其组织、性能获得改善和提高。凡受交变载荷作用或受力条件恶劣的构件，一般都要通过塑性成形过程，才能达到使用要求。塑性成形是无切屑成形方法，因而能使工件获得良好的流线形状及合理的材料利用率。用塑性成形方法可使工件尺寸达到较高精度，具有很高的生产效率。有限元是指在研究复杂事物时, 往往把它划分为性能已知的简单组件( 单元) , 然后利用对这些组件规律的了解, 研究它们组合或原复杂系统后的性能。目前来说，数值分析方法有很多，其中有限元法是应用最广的。ANSYS就是一款常用的有限元软件。利用ANSYS可以很方便的对金属塑性成形进行分析。本文主要讲解了利用ANSYS这一款有限元分析软件，模拟了一个金属飞轮的成形过程，最后查看了其等效应力，接触压力以及接触间隙。分析了飞轮在成形过程中的变形受力情况。这有助于实际的生产。关键词：塑性成形；ANSYS；网格重组；飞轮目录
第一章 绪论 1
1.1 课题的目的与意义 1
1.2金属塑性成形的简介与特点 1
1.3国内外研究的现状 2
1.4课题的研究内容 2
1.5 本章小结 3
第二章 ANSYS软件介绍 4
2.1 ANSYS软件的介绍 4
2.2 本章小结 6
第三章 弹塑性变形理论及网格重分技术 7
3.1弹塑性变形理论 7
3.1.1什么是塑性 7
3.1.2弹塑性有限元法介绍 7
3.2网格重分技术 8
3.2.1什么是网格重分技术 8
3.2.2网格重分技术优点 8
3.2.3网格重分技术限制 8
3.2.4网格重分技术要求 8
3.2.5网格重分技术操作 8
3.3 本章小结 9
第四章 飞轮的建模与分析 10
4.1二维建模与分析 10
4.1.1几何模型 10
4.1.2材料的本构关系 10
4.1.3单元的选择 10
4.1.4边界条件和载荷 10
4.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
3.2.4网格重分技术要求 8
3.2.5网格重分技术操作 8
3.3 本章小结 9
第四章 飞轮的建模与分析 10
4.1二维建模与分析 10
4.1.1几何模型 10
4.1.2材料的本构关系 10
4.1.3单元的选择 10
4.1.4边界条件和载荷 10
4.1.5GUI操作 11
4.2三维建模与分析 31
4.2.1几何模型 31
4.2.2材料的本构关系 31
4.2.3单元的选择 31
4.2.4边界条件和载荷 31
4.2.5GUI操作 32
4.3本章小结 40
第五章 飞轮分析的结果 41
5.1飞轮分析的二维结果 41
5.1.1等效应力图 41
5.1.2接触压力图 43
5.1.3接触间隙图 46
5.2飞轮分析的三维结果 48
5.2.1等效应力图 50
5.2.2接触压力图 52
5.2.3接触间隙图 52
5.3本章小结 53
结论 54
展望 55
致谢 56
参考文献 57
附录 59
第一章 绪论
1.1课题的目的与意义
金属的塑性变形是指在利用金属的塑性的条件下，使金属受外力作用，产生永久变形，且变形不可恢复。金属正常情况都有单晶体金属和多晶体金属，因此金属的塑性变形也有单晶体的变形和多晶体的变形，实际的生产生活中的所使用的金属大部分都是多晶体的金属。多晶体的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。多晶体的塑性变形是晶内变形和晶间变形的总和。因此多晶体金属材料的塑性变形常常伴随着应变局部化、塑性损伤等现象, 经历了大应变塑性变形的物体, 内部的应变场、应力场一般具有强烈的不均匀性,这样的问题很难用通常的解析法研究, 必须用有限元法进行数值模拟。
有限元是指在研究复杂事物时, 往往把它划分为性能已知的简单组件( 单元) , 然后利用对这些组件规律的了解, 研究它们组合或原复杂系统后的性能。目前来说，数值分析方法有很多，其中有限元法是应用最广的。ANSYS就是一款常用的有限元软件。利用ANSYS可以很方便的对金属塑性成形进行分析。
因此，本设计就是学习使用ANSYS软件，学习有限元分析思想、方法，对飞轮塑性成形进行分析和研究，从而解决飞轮设计和加工等问题。
1.2金属塑性成形的简介与特点
金属的塑性成形是改变金属的形状，使金属获得所需要的形状尺寸的一种加工方法，也就是说，对金属施加外力，利用金属的塑性，让金属产生一定的变形，从而得到较好的金属的形状和尺寸。同时，这项技术也被称为金属塑性加工或金属压力加工。
金属塑性成形方法的特点：
（1）有效改善和控制金属的组织与性能。塑性加工过后，金属的性能、组织都有一定变化，显然这些改变大部都往好的方面发展。特别是针对铸造的组织来说，这些改变往往能够很直观的显示出来，同时它的结构、组织、性能都有很大程度的改善。
（2）原材料消耗少。金属切削加工一般都是将金属多余部分切除掉，与之不同的是金属的塑性成形并不需要将金属切除，它利用了金属的塑性，仅仅只是金属内部的移动，从而改了自身的形状。所以说，塑性加工可以很大程度上利用原本的材料，并且能够改善金属内部的分布情况，提高强度。
（3）尺寸精度高。近年来，应用先进的技术和设备，不少零件已经达到较少的切削、无切削的要求，即实现了近净成形甚至净成形。
（4）生产效率高。在实际生产生活中，我们发现利用金属塑性成形的方法时，其生产率与其他加工方法相比较时，往往总能名利前茅。这里我们可以从他的原理看出，塑性成形并不需要一次次的将多余的金属除去，相对于切削而言就极大的节约了时间，其生产率就会很高。利用塑性成形生产率高的这一特点，我们可以充分的将其应用在实际生产中。
从以上几点可以看出，在实际生产中利用金属的塑性成形，我们可以很快的生产出大量工件，这些工件往往具有强度高、性能好、形状复杂和精度高的特点，同时生产这些工件，相比于其他加工方法消耗的材料更少。因而在国民经济中得到广泛的应用。。目前，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。
1.3国内外的研究现状
对于金属的塑性成形的模拟，这一过程是很困难的。它需要利用有限元法。但是在有限元法刚刚出现的时候，那段时间并没有可以利用它来模拟金属的塑性变形。最早的时候利用有限元在塑性变形上面的是把他用作结构分析，由此慢慢的向塑性变形模拟。早期时，人们可以利用有限元来模拟弹塑性变形了，在1967年，Marcal 和King 首先完成了相关理论的研究，并且获得成功，完成了一部分的分析。时间到了20 世纪70 年代，Osias、MeMeeking 和Hibbit等人对于大变形进行了深入研究，也获得了成功，创造了有限元列式。到了1973年，Lee 和Kobayashi 两人合作并提出了刚塑性有限元的算法。这一成果具有相当重要的意义。可以说他们的结论直接导致了有限元在金属塑性成形方面的成功，我们可以使用有限元来模拟塑性变形。Zienkiewcz 对于有限元模拟塑性变形贡献比较大，他提出了罚函数与刚塑性有限元公式。同时他还完成了稳态流动的热耦合计算。在1982年，Mori 和Osakada 提出了刚塑性有限元中的材料可压缩法， 并对各类轧制和挤压工艺进行了模拟分析；Oh 和Altan 等则用大型刚塑性有限元分析程序ALPID （Anal
第一章 绪论 1
1.1 课题的目的与意义 1
1.2金属塑性成形的简介与特点 1
1.3国内外研究的现状 2
1.4课题的研究内容 2
1.5 本章小结 3
第二章 ANSYS软件介绍 4
2.1 ANSYS软件的介绍 4
2.2 本章小结 6
第三章 弹塑性变形理论及网格重分技术 7
3.1弹塑性变形理论 7
3.1.1什么是塑性 7
3.1.2弹塑性有限元法介绍 7
3.2网格重分技术 8
3.2.1什么是网格重分技术 8
3.2.2网格重分技术优点 8
3.2.3网格重分技术限制 8
3.2.4网格重分技术要求 8
3.2.5网格重分技术操作 8
3.3 本章小结 9
第四章 飞轮的建模与分析 10
4.1二维建模与分析 10
4.1.1几何模型 10
4.1.2材料的本构关系 10
4.1.3单元的选择 10
4.1.4边界条件和载荷 10
4.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
3.2.4网格重分技术要求 8
3.2.5网格重分技术操作 8
3.3 本章小结 9
第四章 飞轮的建模与分析 10
4.1二维建模与分析 10
4.1.1几何模型 10
4.1.2材料的本构关系 10
4.1.3单元的选择 10
4.1.4边界条件和载荷 10
4.1.5GUI操作 11
4.2三维建模与分析 31
4.2.1几何模型 31
4.2.2材料的本构关系 31
4.2.3单元的选择 31
4.2.4边界条件和载荷 31
4.2.5GUI操作 32
4.3本章小结 40
第五章 飞轮分析的结果 41
5.1飞轮分析的二维结果 41
5.1.1等效应力图 41
5.1.2接触压力图 43
5.1.3接触间隙图 46
5.2飞轮分析的三维结果 48
5.2.1等效应力图 50
5.2.2接触压力图 52
5.2.3接触间隙图 52
5.3本章小结 53
结论 54
展望 55
致谢 56
参考文献 57
附录 59
第一章 绪论
1.1课题的目的与意义
金属的塑性变形是指在利用金属的塑性的条件下，使金属受外力作用，产生永久变形，且变形不可恢复。金属正常情况都有单晶体金属和多晶体金属，因此金属的塑性变形也有单晶体的变形和多晶体的变形，实际的生产生活中的所使用的金属大部分都是多晶体的金属。多晶体的塑性变形中，除了各晶粒内部的变形（晶内变形）外，各晶粒之间也存着变形（称为晶间变形）。多晶体的塑性变形是晶内变形和晶间变形的总和。因此多晶体金属材料的塑性变形常常伴随着应变局部化、塑性损伤等现象, 经历了大应变塑性变形的物体, 内部的应变场、应力场一般具有强烈的不均匀性,这样的问题很难用通常的解析法研究, 必须用有限元法进行数值模拟。
有限元是指在研究复杂事物时, 往往把它划分为性能已知的简单组件( 单元) , 然后利用对这些组件规律的了解, 研究它们组合或原复杂系统后的性能。目前来说，数值分析方法有很多，其中有限元法是应用最广的。ANSYS就是一款常用的有限元软件。利用ANSYS可以很方便的对金属塑性成形进行分析。
因此，本设计就是学习使用ANSYS软件，学习有限元分析思想、方法，对飞轮塑性成形进行分析和研究，从而解决飞轮设计和加工等问题。
1.2金属塑性成形的简介与特点
金属的塑性成形是改变金属的形状，使金属获得所需要的形状尺寸的一种加工方法，也就是说，对金属施加外力，利用金属的塑性，让金属产生一定的变形，从而得到较好的金属的形状和尺寸。同时，这项技术也被称为金属塑性加工或金属压力加工。
金属塑性成形方法的特点：
（1）有效改善和控制金属的组织与性能。塑性加工过后，金属的性能、组织都有一定变化，显然这些改变大部都往好的方面发展。特别是针对铸造的组织来说，这些改变往往能够很直观的显示出来，同时它的结构、组织、性能都有很大程度的改善。
（2）原材料消耗少。金属切削加工一般都是将金属多余部分切除掉，与之不同的是金属的塑性成形并不需要将金属切除，它利用了金属的塑性，仅仅只是金属内部的移动，从而改了自身的形状。所以说，塑性加工可以很大程度上利用原本的材料，并且能够改善金属内部的分布情况，提高强度。
（3）尺寸精度高。近年来，应用先进的技术和设备，不少零件已经达到较少的切削、无切削的要求，即实现了近净成形甚至净成形。
（4）生产效率高。在实际生产生活中，我们发现利用金属塑性成形的方法时，其生产率与其他加工方法相比较时，往往总能名利前茅。这里我们可以从他的原理看出，塑性成形并不需要一次次的将多余的金属除去，相对于切削而言就极大的节约了时间，其生产率就会很高。利用塑性成形生产率高的这一特点，我们可以充分的将其应用在实际生产中。
从以上几点可以看出，在实际生产中利用金属的塑性成形，我们可以很快的生产出大量工件，这些工件往往具有强度高、性能好、形状复杂和精度高的特点，同时生产这些工件，相比于其他加工方法消耗的材料更少。因而在国民经济中得到广泛的应用。。目前，机械制造工业零件粗加工的75%和精加工的50%都采用塑性成形的方式实现。
1.3国内外的研究现状
对于金属的塑性成形的模拟，这一过程是很困难的。它需要利用有限元法。但是在有限元法刚刚出现的时候，那段时间并没有可以利用它来模拟金属的塑性变形。最早的时候利用有限元在塑性变形上面的是把他用作结构分析，由此慢慢的向塑性变形模拟。早期时，人们可以利用有限元来模拟弹塑性变形了，在1967年，Marcal 和King 首先完成了相关理论的研究，并且获得成功，完成了一部分的分析。时间到了20 世纪70 年代，Osias、MeMeeking 和Hibbit等人对于大变形进行了深入研究，也获得了成功，创造了有限元列式。到了1973年，Lee 和Kobayashi 两人合作并提出了刚塑性有限元的算法。这一成果具有相当重要的意义。可以说他们的结论直接导致了有限元在金属塑性成形方面的成功，我们可以使用有限元来模拟塑性变形。Zienkiewcz 对于有限元模拟塑性变形贡献比较大，他提出了罚函数与刚塑性有限元公式。同时他还完成了稳态流动的热耦合计算。在1982年，Mori 和Osakada 提出了刚塑性有限元中的材料可压缩法， 并对各类轧制和挤压工艺进行了模拟分析；Oh 和Altan 等则用大型刚塑性有限元分析程序ALPID （Anal
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