有限元软件在金属塑性成形课程中的应用

2011-02-17张莉台州学院机械工程学院浙江台州318000

中国科技信息 2011年8期

关键词：本门塑性成形

张莉台州学院机械工程学院，浙江台州 318000

有限元软件在金属塑性成形课程中的应用

张莉台州学院机械工程学院，浙江台州 318000

分析了有限元软件在金属塑性成形课程中的应用特点，探讨了在本门课程中引入DEFORM软件的教学模式。

有限元软件；金属塑性成形；DEFORM；教学模式

金属塑性成形课程是一门专业理论课，是研究金属的塑性变形过程，分析变形体内的应力和应变分布，为模具设计提供依据，从而减少依靠经验处理工艺问题的盲目性。

金属塑性成形是一个十分复杂的过程。从连续介质力学的观点来看，塑性变形过程中既存在几何非线性（应变与位移之间的非线性），也存在物理非线性（应力与应变之间的非线性），加之初值条件的复杂性以及数学处理上的困难等，导致人们长期以来只能通过采用简化、假设和利用实验、经验数据以及图解、模型等方法，即回避上述难点才能对金属塑性成形过程予以分析。

随着计算机的出现，塑性有限元法的发展应用开始与计算机技术结合起来，塑性成形理论取得了突破性的进展，很多塑性成形技术中的难题都迎刃而解。利用计算机运用数值模拟方法可以快速地获得较精确的解，金属塑性成形过程分析不再困难。

1 有限元软件的引入

有限元模拟采用一组数学方程和定解条件将实际过程抽象成理论模型，通过计算机求得该理论模型在不同条件下的数值解，以此推测在相应条件下所发生的实际过程。在本门课程的教学过程中，以DEFORM有限元软件为应用主体，通过模拟使得复杂的金属塑性成形过程变得直观而又具体，有助于学生对理论知识的理解和掌握。本门课程引入该软件具有以下优势。

（1）直观性

DEFORM不仅能直观描述金属塑性成形过程如应力、应变、温度的分布状态及金属变形状态等，其分析结果可以表现为仿真结果的等值线、云图等显示方式，也可以表现为仿真过程显示，即在计算机上对金属塑性成形过程进行实时跟踪描述，并通过计算机图形系统演示整个成形过程，从而揭示金属的流动规律、各种因素对变形行为的影响及成形过程中变形体和模具的各种力场的分布。

因此运用有限元软件分析金属塑性成形，既能直观地描述塑性成形过程中金属流动状态，又能客观地求解塑性变形区的应力、应变和温度分布状态，从而为模具型腔与结构设计及优化、产品工艺制定及优化设计等提供了科学的依据。

（2）应用广泛性

DEFORM是一个面向工程、面向用户、与CAD软件无缝连接的商品化有限元分析软件，是现代虚拟制造技术产品。

DEFORM软件可对在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析,是一套基于工艺模拟系统的有限元模拟仿真分析软件，专门设计用于各种金属成形工艺和热处理工艺进行模拟仿真分析，是用于模拟分析金属材料体积成形如自由锻、模锻、挤压、拉拔、轧制、摆辗、辗锻（辊锻）等多种塑性成形工艺过程，可用于模拟和分析冷、温、热塑性成形问题，可模拟和分析多工序塑性成形问题，可进行模具应力、弹性变形和破损分析，可提供极有价值的工艺分析数据如材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。

因此，可以满足本门课程的应用要求。

（3）良好的人机交互界面

DEFORM具有友好的用户图形界面，操作简单方便，采用CAD方式建模和可视化视窗系统，有集成的金属合金材料库和多种成形设备模型，具有良好的人机交互特性，便于学生学习和使用。

2 DEFORM教学模式构建

本门课程采用理论实践一体化的教学方法，由师生一同在机房进行边教、边学、边做的教学过程，采取“讲授—协作学习—实践讨论—师生互动—有针对性的讲授”的方式，即先由教师讲解学习重点和难点内容，再由学生上机操作并相互讨论，然后老师和学生之间对出现问题进行交流，最后再针对学生在实际操作过程中出现最多的问题进行短时讲解。例如，在教授DEFORM软件前处理的各个命令时，教师先上机操作并讲解一部分命令的含义及操作原则，然后让学生自己在计算机上操作这些命令，并相互讨论，期间教师对提出问题的学生进行讨论和指导，并从中发现出现问题最多的操作命令，当学生都练习完成后，教师再针对出现问题最多的操作命令进行要点讲解。通过这种教学方式，使教学内容和理论知识与实际操作结合起来，将教学内容由静态变为动态，由抽象变为具体，整个教学过程生动直观，既加深了学生对理论知识和操作技能的综合理解，又通过上机完成仿真过程，提高学生的动手能力和学习兴趣。

根据本门课程的特点，在教学过程中引入案例分析法，案例分析法是一种归纳启发式的教学方法。案例分析法以培养学生的分析能力、判断能力和解决问题的能力，从而达到巩固理论知识和技能，融会贯通的目的。根据教学目的的需要，通过对典型案例的分析与讨论，将各模块知识整合起来，使学生对运用DEFORM软件进行金属塑性成形分析过程更为熟悉和理解，并对典型案例的仿真分析结果进行研究和讨论，进而深入了解金属塑性成形的过程、原理及影响其成形质量的各关键因素。例如，对某个零件进行变形分析和热分析，则需讨论整个仿真分析的步骤流程、有关参数的设置及相互影响关系、仿真分析的结果及满意度等。通过案例分析，可使学生得到一个系统的练习，将前期的操作练习整合在一起，对使用有限元软件处理问题有一个更为直观具体的概念。

在学生掌握基本理论知识和基本操作技能的基础上，在教师的指导下，运用DEFORM软件独立完成与课程有关的实验或项目，激发学生的学习热情，培养学生分析问题和解决问题的实际能力。教师可根据具体的实验或项目，引导学生查找和分析资料，再进行具体的操作实施。通过该过程不仅让学生获得相关的理论知识、操作能力，还让学生感受主动获得这些知识的过程，主动分析、判断和解决问题的成就感。有利于培养学生从事科学研究工作的能力，了解科学研究的方法，以及了解模具加工的现状和最新的研究技术。