紫铜冷挤压模拟上机试验报告_黄铜挤压模拟实验报告
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关于紫铜冷挤压模拟上机试验报告
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日期：2012.5
目录
一、问题描述与分析
如图所示，T2纯铜圆柱体毛坯和挤压模具示意图，圆柱体几何参数，材料参数以及模具材料参数如下： 弹性模量：108 Gpa 泊松比： 0.30 流变应力：
摩擦系数：0.15 材料尺寸:D=21mm L=60mm 模具过渡面：15度
图1.1 建模图 分析：该问题属于非线性大变形接触问题，分析过程中根据轴对称性，选择坯料的纵截面（长方形）和模具纵截面的1/4建立有限元分析模型。模拟过程中，将坯料和模具的温度看作室温20摄氏度，将毛坯看作塑性变形体，模具看作刚体，整个变形过程即为冷挤压过程。建模图如图1.1所示：
二、解题过程模拟思路
1.创建三维模型：
利用UG软件画出三维模型，并将坯料、上模、下模分别导出，分别命名为piliao.stl、topdie.stl和bottomdie.stl。2.创建新问题 将文件夹命名为LZ 3.设置模拟控制初始条件 ：
Main: Simulation Title： cucoldjy 单位：SI Mode：Deformation 4.几何体导入: 分别导入piliao.stl、topdie.stl和bottomdie.stl 5.材料属性定义
设置T2紫铜流变应力、杨氏模量和泊松比 6.坯料网络划分
按绝对方式划分：（1）Size ratio: 4(2)min element size：0.9mm 7．对称边界条件设置：
(1)坯料对称面（2）凸模对称面（3）凹模对称面 8.调整物体的空间位置(1)上模与坯料（2）下模与坯料 9．凸模运动设置 ：Z方向V=10mm/s 10.设置对象间关系：
将凸模与坯料、坯料与凹模的摩擦因数为0.15
11.设定模拟控制信息
（1）Step：用凸模每步的移动距离定义求解步数，凸模每步移动距离为0.3mm，挤压过程中共移动30mm，所以共有100步，每2步保存一次，同时设Primary Die为上模
（2）Iteration ：选择Sparse，再点击Newton-Raphson 12.检查生成数据库文件：
三、DEFORM前处理（Pre Proceer）
3.1 创建三维模型
利用UG软件画出三维模型，并将坯料、上模、下模分别导出，分别命名为PiLiao.stl、TopDie.stl和BottomDie.stl。
3.2．创建新问题
1．开始-程序-DEFORM3D Ver6.1–DEFORM-3D，进入DEFORM-3D的主窗口。
2．File-New Problem 3．在接着弹出的窗口中默认进入普通前处理(Deform 3D-preproceor)4．接下来在弹出的窗口中用第四个选项“Other Place”，选择工作目录然后点击“Next”
5．在下一个窗口中输入题目的名称(Problem name)CuColdJy，点击Finish。
图3.2 创建问题示意图
3.3.设置模拟控制初始条件 ： 1．点击Control）窗口。
2．在Simulation Title一栏中把标题改为Cu-Cold-Jy。3．设置Units 为SI, Mode为Deformation，其它模拟选项均为默认设置，如图3.3所示。
按钮进入模拟控制参数设置（Simulation
图3.3 模拟设置图
3.4.几何体导入: 3.4.1.导入坯料
（1）在前处理的物体操作窗口中点击按钮Geometry,然后再选择Import,选择piliao.stl。
（2）点击General，设置Object Type为Plastic，温度为20摄氏度，并将坯料的名字改为cu，结果如图3.4所示。
图3.4 坯料设置图
3.4.2.导入上模
（1）在前处理控制窗口中点击增加物体
Insert objects 进入物体窗口，可以看到在Objects列表中增加了一个名为 Top Die 的物体。
（2）在当前选择默认Top Die物体的情况下，直接选择Geometry 后选择Import，导入TopDie.stl。
（3）设置Object Type为Rigid，温度为20摄氏度，如图3.5所示。
图3.5 上模设置图
3.4.3．导入下模
重复第2步，导入凹模的几何文件，系统会自动命名该物体为Bottom Die，相应的STL文件为BottomDie.stl；同时设置Object Type为Rigid，温度为20摄氏度，如图3.6所示。
图3.6 下模设置图
最后我们可以在显示窗口中看到上下模和坯料，如图3.8所示。
图3.8 三维建模图
3.5.定义铜的材料并加载 3.5.1定义材料 点击Material，建立新材料，将名字改为ColdCu 1.设置流变应力
点击Plastic，Flow Stre选择第三个双曲正弦公式，参数如图3.9所示，另外，屈服极限准则选择米塞斯。
图3.9 流变应力设置图
2.设置杨氏模量和泊松比
点击Elastic，杨氏模量为10800MPa，泊松比为0.3。设置完成后关闭窗口。3.5.2.加载材料
选择坯料，点击General，在Material选择选择ColdCu。
Aign Material，图3.10 Cu加载示意图
3.6.坯料网络划分
采取绝对划分网格方式划分。1.网格设置
选中坯料，点击Mesh-Detailed Settings，type选择Absolute，Size Ratio设定为4，Minimum element Size设为0.9mm，如图3.11所示。
图3.11 网格设置图
2.生成网格
点击Surface Mesh，生成表面网格；点击Solid Mesh，生成实体网格，如图3.12所示。
图3.13 坯料网格划分结果示意图
3.7.对称边界条件设置： 3.7.1.坯料边界条件 选中坯料，单击
按钮进入边界条件窗口，在B.C.Type中选中Symmetry Plane，用鼠标单击分别选定毛坯中心两个对称面，并单击，结果如图3.14所示。
图3.14 坯料对称面（之一）示意图
3.7.2.凸模边界条件 选中上模，点击，选择Symmetric Surface，在Symmetry Type中选Planar Symmetry，用鼠标单击分别选定上模中心两个对称面，并单击
Add，结果如图3.15所示。
图3.15 上模对称面（之一）示意图
3.7.3.凹模边界条件
重复第2步，选择下模，结果如图3.16所示。
图3.15 下模对称面（之一）示意图
3.8.调整物体的空间位置
在前处理控制窗口的右上角点击 按钮的窗口，会弹出新的窗口： 3.8.1.定义上模与坯料 的位置
（1）首先选择Interface，这个功能能够将两个物体自动接触上；
（2)Position object选择ColdCu，Reference选择Top Die，Approach Direction 选择 为“Z”，Interference选择0.0001，选择“Apply”，如图3.16所示。
Object Positioning
图3.16 上模与坯料位置关系设置图
3.8.2.定义下模与坯料的位置
方法同第1步类似，在Interface窗口下，Position object选择ColdCu，Reference选择Bottom Die，Approach Direction 选择 为“Other”：1，1,0,选择“Apply”，如图3.16所示。
图3.16 下模与坯料位置关系设置图
3.9．上模运动设置 ：
在物体窗口的物体列表中，选中TOP DIE，点击Movement按钮。在运动控制窗口中，设置参数Direction为-Z , Speed为10mm/sec，如图3.17所示。
图3.17 上模运动设置
3.10.设置对象间关系
在前处理控制窗口的右上角点击
Inter object 按钮，会出现一个提示，选择Yes 弹出Inter Object窗口。物间从属关系采用默认设置，如图3.18所示。
图3.18 Inter-Object窗口
3.10.1.设置凸模与坯料的关系
点击按钮Edit，进入新的窗口。选择剪切摩擦方式Shear，输入常摩擦系数constant：0.15，点击Close按钮，关闭窗口,回到Inter Object窗口，如图3.19所示。
图3.19 凸模与坯料关系设置图
3.10.2设置凹模与坯料的关系
重复第一步操作的操作，将Bottom Die 和ColdCu的摩擦系数也设为0.15。
3.10.3.在Inter-Object窗口中点击按钮Generate All，关闭窗口。
3.11 设定模拟控制信息 点击Control）窗口。
3.11.1.设置步数Step 点击Step。用凸模每步的移动距离定义求解步数，凸模每步移动距离为0.3mm，挤压过程中共移动30mm，所以共有100步，每2步保存一次，同时设Primary Die为上模，如图3.20所示。
按钮，进入模拟控制参数设置（Simulation
图3.20 模拟步数设置
3.11.2.设置Iteration ：
点击Sparse，再选择Newton-Raphson，关闭窗口如图3.21所示。
图3.21 模拟方法设置
3.12 检查生成数据库文件：
1．在前处理控制窗口点击
Database按钮
2．在弹出的Database Generation窗口中点击Check按钮，检查数据库是否能生成。系统会提示“3.单击Generate，生成数据库，如图3.22所示。
”。
图3.22 建立数据库
三、DEFORM求解（Simulator Proceer）
数据库生成后，退出前处理程序，回到Deform主界面，选择“CuColdJy.DB”文件，选择Run，进行计算。
当系统提示NORMAL STOP: The aigned steps have been completed，模拟计算过程完成。
四、DEFORM后处理（Post Proceer）
点击Post Profeor，进入Deform后处理窗口。在Step Setup中点击4.1 模拟过程动画图
我们以坯料刚进入模具圆弧面、斜面、竖直面以及模拟完成后
（Play Forward），观看动画演示。的动画图为代表，大致展示坯料在整个模拟过程的动态变化。
图4.1 坯料进入圆弧段
图4.2 坯料进入斜面
图4.3 坯料进入竖直圆柱面
图4.4 模拟终止
4.2 模拟结果图 4.2.1 坯料重构图
在Posttools工具栏中，点
击Mirror/Rot Symmetry按钮，选择Add，分别点击坯料和模具生成完整的坯料与模具。
图4.5 坯料重构图
4.2.2节点应力应变图
选中坯料，点击
只 显示坯料。点击STATEVARTOOLS中的State Variable，在左侧选择Deformation-Stre-Effective，Display选择Shaded，点击Apply，即为节点应力图，如图4.6所示。
图4.6 节点等效应力图
之后在State Variable左侧选择Strain-Effective，单击Apply，即为节点应力图，如图4.7所示。
图4.7 节点等效应变图
4.2.3 单元应力应变图 在Rendering Type选择
并在State Variable窗口左侧选择Deformation-Stre-Effective，Display选择Elemental，点击Apply，即为单元应力图，如图4.8所示。
图4.8 单元等效应力图
在State Variable窗口左侧选择Strain-Effective，单击Apply，即为单元应变图，如图4.9所示。
图4.9 单元等效应变图
4.2.3 查看载荷一行程曲线
在后处理中点击按钮
在出现的Lode-stroke窗口中，只选择Top Die和Z方向，出现一个新的窗口，显示上模的载荷行程曲线如图4.10所示。
图4.10 上模载荷行程曲线
之后选择Bottom Die和Z方向，出现一个新的窗口，显示下模的载荷行程曲线，如图4.11所示。
图4.10 上模载荷行程曲线
4.2.4
图4.11
五、模拟结果分析 5.1 坯料分析
5.2 模具应力分析
5.2.1 操作步骤
1、创建新项目
（1）在Deform主界面选中“CuColdJy.DB”，点击Pre Proceor中的Die Stre Analysis，输入问题新名称CuColdJy_DieStreAnalysis，点击next，进入模具应力分析，如图所示。
图
选择模具应力
图
建立新问题
分析模块
（2）点击窗口左下角project处的Next按钮，其它按系统默认值设定，单击Next。
2.加载数据库模拟步
单击Browse，载入“CuColdJy.DB”，选择第100模拟步
输入，如图所示，单击Next按钮。
图5.加载数据库模拟步对话框
3.选定分析对象
点击上模和下模，使其高亮显示，点击Next。将Extra Die Components设为0，单击Next。
4.上模设置
（1）设置模具类型
Object Type选择Elastic，单击Next。（2）输入几何对象
接受系统默认值，单击Next。（3）划分网格
将网格划分为8888个单元，单击Preview生成表面网格，之后单击Generate Mesh生成实体网格，在之后的提示框点击Yes，同意导入对称信息。网格划分如图所示。
图
上模网格划分结果
（4）插入力
在Force Interpolation对话框中，单击
按钮，设置容差，单击Interpolate force，弹出图所示的信息表，单击OK，则上模的插入力如图所示，单击Next，完成力的插入。
图
插入力信息表
图
上模插入力
（5）设置速度边界条件
选择BBC中的Velocity，并在Fix direction中选取Z方向。之后鼠标单击上模的上表面，该表面红色高亮显示，再单击设置边界条件。在Velocity下有“Z，Fixed”字符，单击Next。边界条件如图所示。
图
上模速度边界条件设置
（6）定义材料
从网上查资料得，AISI D3是国外材料牌号，对应我国的Cr12。因此从材料库中选择AISI-D3，单击Next。
5.下模设置
步骤与上模设置步骤相同，只是设置速度边界条件时，选择下模的下表面增加Z向固定。各步骤的示意图如下所示。
图
下模网格划分
图
插入力信息表
图
下模插入力
图
下模速度边界条件设置
6.模具定位
接受系统默认值，单击Next。
7.设置接触关系
主从关系设为Master-Slave，模具之间的摩擦设为0.12（cold forming（steel dies）），点击Next。如图所示。
图
接触关系设置
8.设置模拟控制信息
（1）在“Starting step number”输入栏中输入“-1”（2）在“Number of simulation”输入10（3）在“Step Increment to Save”中输入1（4）在“Max elapsedproce time per step”输入0.5（5）接受系统默认值，单击Next。如图所示。
图
模拟控制信息设置对话框
9.检查并生成数据库
单击Check data，在提示“Database can be generated”之后，单击Generate database，再点击Finish，并退出窗口，回到主界面。
10.模具应力分析求解
选定“CuColdJy-DieStreAnalysis.DB”,点击Run按钮。直到提示“The aigned steps have been completed.”，运算结束。
5.2.2 模具应力分析结果
点击STATEVARTOOLS中的State Variable，在左侧选择Deformation-Stre-Effective，Display选择Shaded，点击Apply，即为节点应力图，如图所示。
图
节点等效应力图
在Rendering Type选择
并在State Variable窗口左侧选择Deformation-Stre-Effective，Display选择Elemental，点击Apply，即为单元应力图，如图4.8所示。
图
单元等效应力图
5.2.3 结果分析
六、紫铜的热挤压过程及结果分析
紫铜的热挤压实际上就是在冷挤压的基础上加上热的传导条件。具体过程就是将紫铜加热到100-200摄氏度，考虑坯料与模具、空气间、模具与空气间的传热过程，由于应力与温度有一定的关系，所以坯料在热挤压时受到的应力与冷挤压时有所不同。因为与冷挤压过程相差不多，为减少篇
幅，在相同的地方予以简化。6.1 模拟过程
6.1.1．创建新问题 将新问题命名为CuHotJy。6.1.2设置模拟控制初始条件 ： 1．点Control）窗口。
2．在Simulation Title一栏中把标题改为CuHotJy。3．设置Units 为SI, Mode为Deformation 和Heat Transfer，其它模拟选项均为默认设置，如图3.1所示。
击按钮进入模拟控制参数设置（Simulation
图6.1 模拟设置图
6.1.3.几何体导入: 1.导入坯料
（1）在前处理的物体操作窗口中点击按钮Geometry,然后再选择Import,选择piliao.stl。
（2）点击General，设置Object Type为Plastic，温度为160
摄氏度，并将坯料的名字改为HotCu，结果如图3.4所示。
图6.2 坯料设置图
2.导入上模
（1）在前处理控制窗口中点击增加物体
Insert objects 进入物体窗口，可以看到在Objects列表中增加了一个名为 Top Die 的物体。
（2）在当前选择默认Top Die物体的情况下，直接选择Geometry 后选择Import，导入TopDie.stl。
（3）设置Object Type为Rigid，温度为20摄氏度，如图3.3所示。
图6.3 上模设置图
3．导入下模
重复第2步，导入凹模的几何文件，系统会自动命名该物体为Bottom Die，相应的STL文件为BottomDie.stl；同时设置Object Type为Rigid，温度为20摄氏度，如图3.6所示。
图6.4 下模设置图
最后我们可以在显示窗口中看到上下模和坯料，如图3.8所示。
图6.5 三维建模图
6.1.4.定义材料并加载
1.定义铜材料 点击Material，建立新材料，将名字改为HotCu（1）设置流变应力 与冷变形的设置相同（2）设置杨氏模量和泊松比
与冷变形设置相同。点击Elastic，杨氏模量为10800MPa，泊松比为0.3。设置完成后关闭窗口。
（3）设置铜的散热参数
点击Thermal，将Thermal Conductivity设为温度的函数，填入图6.6所示的数据；将Heat Capacity设为温度的函数，填入图
6.7所示的数据；将Emiivity设为0.3。
图6.6 铜的Thermal Conductivity数据
图6.7 铜的Heat Capacity数据
2.加载材料
（1）加载坯料材料
选择坯料，点击General，在Material选择选择HotCu。
Aign Material，图6.8 Cu加载示意图
（2）加载上模材料
选择上模，点击General，在Material选择AISI-D3材料，如图6.9所示。，从数据库加载
图6.9 上模材料加载示意图
（3）加载下模材料 与加载上模材料步骤相同。6.1.5 网络划分
采取相对划分网格方式划分。1.坯料网格划分
选中坯料，点击Mesh窗口，单元数量设为8800，默认Size Ratio
为2，点击Preview，再点击Solid Mesh，生成实体网格，如图3.12所示。
图6.10 坯料网格划分示意图
2.上模网格划分
与坯料网格划分方法相似，单元数量设为8100，网格划分如图6.11所示。
图6.11 上模网格划分示意图
3.下模网格划分
与坯料网格划分方法相似，单元数量设为9000，网格划分如图6.12所示。
