《模具CAD/CAM/CAE》课程授课教案（讲义）第6章 铸造和冲压模具CAE技术

章节第6章铸造和冲压模具CAE技术教学了解有限元基本概念及有限元技术在铸造和冲压成型模拟目的中的应用。重点：有限元基本概念。重点难点难点：铸造和冲压模具CAE技术教学内容：1.有限元分析概述教学内容2.铸造和冲压模拟教学方教学方法：法讲授时主要采用师生互动的教学方法，在讲解有限元在铸造和冲压和塑料成型模拟中的应用时大量采用多媒体教学手段。教学手段教学手段：采用多媒体课堂讲授学时分配学时分配：4学时（自学）1. 试说明有限元分析方法的基本原理与特点。2.试说明塑性有限元的特点及与弹性有限元分析的主要章思考题区别

章节 第 6 章 铸造和冲压模具 CAE 技术 教学 目的 了解有限元基本概念及有限元技术在铸造和冲压成型模拟 中的应用。 重点 难点 重点：有限元基本概念。 难点：铸造和冲压模具 CAE 技术 教学内 容 教学方 法 教学手 段 学时分 配 教学内容： 1. 有限元分析概述 2. 铸造和冲压模拟 教学方法： 讲授时主要采用师生互动的教学方法，在讲解有限元在铸造和 冲压和塑料成型模拟中的应用时大量采用多媒体教学手段。 教学手段：采用多媒体课堂讲授 学时分配：4 学时（自学） 章思考题 1. 试说明有限元分析方法的基本原理与特点。 2. 试说明塑性有限元的特点及与弹性有限元分析的主要 区别。 1

[1】任秉银．模具CAD/CAE/CAM。哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，主要2006.参考[2]】李名尧．模具CAD/CAM北京：机械工业出版社．2004.资料[3]童秉枢．现代CAD技术．北京：清华大学出版社，2000.备注2

主要 参考 资料 [1] 任秉银. 模具 CAD/CAE/CAM. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 2006. [2] 李名尧. 模具 CAD/CAM. 北京：机械工业出版社. 2004. [3] 童秉枢. 现代 CAD 技术 . 北京：清华大学出版社，2000. 备注 2

第6章铸造和冲压模具CAE技术铸造和冲压CAE技术所涉及的内容非常丰富：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；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；4）查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。成形过程数值模拟是模具CAE中的基础，目前所采用的数值模拟方法主要有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法，而当涉及到时间时，则运用有限差分法。以下简要介绍有关数值模拟的基本内容和方法。6.1有限元分析概述对于一般的工程受力问题，希望通过平衡微分方程、变形协调方程、几何方程和本构方程联立求解而获得整个问题的精确解是十分困难的一般几乎是不可能的。随着20世纪五六十年代计算机技术的出现和发展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长，并发展起来了有限元的分析方法。有限元法自1960年由C1ough首次提出后，获得了迅速的发展；虽然首先只是应用于结构的应力分析，但很快就广泛应用于求解热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。一、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：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他各场量的分布；这就是有限元法的基本思想。3

第6章 铸造和冲压模具 CAE 技术 铸造和冲压 CAE 技术所涉及的内容非常丰富： 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； 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； 4） 查找工件质量缺陷或问题产生的原因，以寻求合理的解决方案。 成形过程数值模拟是模具 CAE 中的基础，目前所采用的数值模拟方法主 要有两种：有限元法和有限差分法；一般在空间上采用有限元方法，而 当涉及到时间时，则运用有限差分法。以下简要介绍有关数值模拟的基 本内容和方法。 6.1 有限元分析概述 对于一般的工程受力问题，希望通过平衡微分方程、变形协调方程、 几何方程和本构方程联立求解而获得整个问题的精确解是十分困难的， 一般几乎是不可能的。随着 20 世纪五六十年代计算机技术的出现和发 展、以及工程实践中对数值分析要求的日益增长，并发展起来了有限元 的分析方法。有限元法自 1960 年由 Clough 首次提出后，获得了迅速的 发展；虽然首先只是应用于结构的应力分析，但很快就广泛应用于求解 热传导、电磁场、流体力学、成形工艺等连续问题。 一、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；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 内的其他各场量的分布；这就是有限元法的基本思想。 3

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，在给定的载荷作用下，各节点的位移即可以求得，进而求出单元内的其他物理场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。从数学角度理解，是将求解区域部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，进而求得其他场量。推广到其他连续域问题，节点未知量也可以是压力、温度、速度等物理量。这就是有限元方法的数学解释。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。由手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。二、有限元法分析的基本过程有限元法分析的基本过程，概念清晰，原理易于理解；但实际分析过程，包含大量的数值计算，人工难以实现，通常只能依靠计算机软件进行。有限元软件并不直接体现以上的过程，一般只是根据相应的功能分为前处理、分析计算和后处理三大部分。前处理模块的主要功能是构建分析对象的儿何模型、定义属性以及进行结构的离散划分单元；分析计算模块则对单元进行分析与集成，并4

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，在给定的载荷作用下，各节点的位移即可以求得，进而求 出单元内的其他物理场量。这就是有限元方法直观的物理的解释。 从数学角度理解，是将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，进而求得其他场量。推广到其他连续域问题，节点未知量也可以是 压力、温度、速度等物理量。这就是有限元方法的数学解释。 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。 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。 二、有限元法分析的基本过程 有限元法分析的基本过程，概念清晰，原理易于理解；但实际分析 过程，包含大量的数值计算，人工难以实现，通常只能依靠计算机软件 进行。有限元软件并不直接体现以上的过程，一般只是根据相应的功能 分为前处理、分析计算和后处理三大部分。 前处理模块的主要功能是构建分析对象的几何模型、定义属性以及 进行结构的离散划分单元；分析计算模块则对单元进行分析与集成，并 4

最终求解得到各未知场量：后处理则将计算结果以各种形式输出，以便于了解结构的状态，对结构进行数值分析。6.2铸造和冲压模拟一、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：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，必须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选代计算步中，把问题看作是线性的。2）塑性问题的应力与应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。3）塑性变形中，金属与工模具的接触面不断变化；因此，必须考虑非线性接触与动态摩擦问题。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。5）对于一些大变形弹塑性问题，一般包含材料和几何两个方面的非线性，进行有限元计算时必须同时考虑单元的形状和位置的变化，即需采用有限变形理论。而对于一些弹性变形很小可以忽略的情况，则必须考虑塑性变形体积不变条件，采用刚塑性理论，以下介绍弹塑性有限元和刚塑性有限元的一些基本理论1.弹塑性有限元的基本原理在塑性变形过程中，如果弹性变形不能忽略并对成形过程有较大的影响时，则为弹塑性变形问题，如典型的板料成形。在弹塑性变形中，变形体内质点的位移和转动较小，应变与位移基本成线性关系时，可认为是小变形弹塑性问题；而当质点的位移或转动较大，应变与位移为非5

最终求解得到各未知场量；后处理则将计算结果以各种形式输出，以便 于了解结构的状态，对结构进行数值分析。 6.2 铸造和冲压模拟 一、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： 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，必须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，把问题看作是线性的。 2） 塑性问题的应力与应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。 3） 塑性变形中，金属与工模具的接触面不断变化；因此，必须考虑非 线性接触与动态摩擦问题。 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。 5） 对于一些大变形弹塑性问题，一般包含材料和几何两个方面的非线 性，进行有限元计算时必须同时考虑单元的形状和位置的变化，即需采 用有限变形理论。而对于一些弹性变形很小可以忽略的情况，则必须考 虑塑性变形体积不变条件，采用刚塑性理论。 以下介绍弹塑性有限元和刚塑性有限元的一些基本理论。 1. 弹塑性有限元的基本原理 在塑性变形过程中，如果弹性变形不能忽略并对成形过程有较大的 影响时，则为弹塑性变形问题，如典型的板料成形。在弹塑性变形中， 变形体内质点的位移和转动较小，应变与位移基本成线性关系时，可认 为是小变形弹塑性问题；而当质点的位移或转动较大，应变与位移为非 5

线性关系时，则属于大变形弹塑性问题：相应地有小变形弹塑性有限元或大变形（有限变形）弹塑性有限元。由于在弹塑性变形中，应力应变关系为非线性的，变形体的最终形状变化通常不能如线弹性问题一样能够一次计算得到：因此，在有限元分析时，一般只能按增量理论进行求解，即将整个载荷分解成为若干增量步，逐渐施加在变形体上。2.刚（粘）塑性有限元的基本原理在塑性加工的体积成形工艺中，变形体产生了较大的塑性变形，而弹性变形相对很小，可以忽略不计，此时可认为是塑性问题，如锻造、挤压等：相应地则可以用刚塑性有限元法分析。刚塑性有限元法是在马尔可夫（Markov）变分原理的基础上，引入体积不可压缩条件后建立的。二、铸造和冲压有限元模拟软件简介非线性有限元分析软件一般的都可应用于塑性成形过程的模拟。但由于塑性成形工艺的特殊性，一般非线性有限元软件在分析时，对一些边界条件、载荷和相关的工艺结构（如拉伸筋）等的处理非常困难，使用极为不便。因此，国内外都先后开发了用于塑性成形工艺分析的专用有限元软件，专用有限元软件根据相关工艺对分析过程进行了优化处理，让用户能更方便的运用，同时提供了适合于成形工艺的后置处理。铸造和冲压一般可分为体积成形和板料成形两大类。在板料成形模拟方面，国际上主要有美国的DYNAFORM、德国的AUTOFORM、法国的PAM系列软件；在体积成形方面，有美国的DEFORM、MSC.SUPERFORGE，法国的FORGE3等。国内在塑性成形模拟软件方面跟国际上相比还存在很大差距，但也相继开发一些软件，如板料成形方面有：吉林金网格模具工程公司的KMAS、北航的SHEETFORM、华中科技大学的VFORM等，体积成形方面有北京机电研究所的MAFAP等。以下对功能较强且较流行的DYNAFORM、DEFORM等软件作简要介绍。1、有限元软件ANSYSANSYS软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，是集结构、流体、电场、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。ANSYSWorkbenchEnvironment（AWE）是6

线性关系时，则属于大变形弹塑性问题；相应地有小变形弹塑性有限元 或大变形（有限变形）弹塑性有限元。由于在弹塑性变形中，应力应变 关系为非线性的，变形体的最终形状变化通常不能如线弹性问题一样能 够一次计算得到；因此，在有限元分析时，一般只能按增量理论进行求 解，即将整个载荷分解成为若干增量步，逐渐施加在变形体上。 2. 刚（粘）塑性有限元的基本原理 在塑性加工的体积成形工艺中，变形体产生了较大的塑性变形，而 弹性变形相对很小，可以忽略不计，此时可认为是刚塑性问题，如锻造、 挤压等；相应地则可以用刚塑性有限元法分析。刚塑性有限元法是在马 尔可夫（Markov）变分原理的基础上，引入体积不可压缩条件后建立的。 二、铸造和冲压有限元模拟软件简介 非线性有限元分析软件一般的都可应用于塑性成形过程的模拟。但 由于塑性成形工艺的特殊性，一般非线性有限元软件在分析时，对一些 边界条件、载荷和相关的工艺结构（如拉伸筋）等的处理非常困难，使 用极为不便。因此，国内外都先后开发了用于塑性成形工艺分析的专用 有限元软件，专用有限元软件根据相关工艺对分析过程进行了优化处 理，让用户能更方便的运用，同时提供了适合于成形工艺的后置处理。 铸造和冲压一般可分为体积成形和板料成形两大类。在板料成形模拟方 面，国际上主要有美国的 DYNAFORM、德国的 AUTOFORM、法国的 PAM 系 列软件；在体积成形方面，有美国的 DEFORM、MSC.SUPERFORGE，法国的 FORGE3 等。国内在塑性成形模拟软件方面跟国际上相比还存在很大差 距，但也相继开发一些软件，如板料成形方面有：吉林金网格模具工程 公司的 KMAS、北航的 SHEETFORM、华中科技大学的 VFORM 等，体积成形 方面有北京机电研究所的 MAFAP 等。以下对功能较强且较流行的 DYNAFORM、DEFORM 等软件作简要介绍。 1、 有限元软件 ANSYS ANSYS 软件是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开 发，是集结构、流体、电场、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 6

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。AWE在分析软件中率先引入参数化技术，可同时控制CAD儿何参数和材料、力方向、温度等分析参数，使得AWE与多种CAD软件具有真正的双向相关性，通过交互式的参数管理器可方便地输入多种设计方案，并将相关参数自动传回CAD软件，自动修改几何模型，模型一旦重新生成，修改后的模型即可自动无缝地返回AWE中。同时，ANSYS还提供了方便灵活的实体建模方法，协助用户进行几何模型的建立。ANSYS软件提供了极其丰富的材料库和单元库，单元类型共有200多种，用来模拟工程中的各种结构和材料。AWE的智能化网格划分能生成形状特性较好的单元，以保证网格的高质量，尽可能提高分析精度。此外，AWE还能实现智能化的载荷和边界条件的自动处理，根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求解。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。结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合于求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、端变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。在动力学分析中，ANSYS程序可以分析大型三维柔体运动：当运动的积累影响起主要作用时，可7

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。AWE 在分析软件 中率先引入参数化技术，可同时控制 CAD 几何参数和材料、力方向、温 度等分析参数，使得 AWE 与多种 CAD 软件具有真正的双向相关性，通过 交互式的参数管理器可方便地输入多种设计方案，并将相关参数自动传 回 CAD 软件，自动修改几何模型，模型一旦重新生成，修改后的模型即 可自动无缝地返回 AWE 中。同时，ANSYS 还提供了方便灵活的实体建模 方法，协助用户进行几何模型的建立。ANSYS 软件提供了极其丰富的材 料库和单元库，单元类型共有 200 多种，用来模拟工程中的各种结构和 材料。AWE 的智能化网格划分能生成形状特性较好的单元，以保证网格 的高质量，尽可能提高分析精度。此外，AWE 还能实现智能化的载荷和 边界条件的自动处理，根据所求解问题的类型自动选择适合的求解器求 解。 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。 结构静力分析用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合 于求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力 分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕 变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。结构非线性导致结构或部件的 响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题， 包括材料非线性、几何非线性和单元非线性三种。 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静 力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性 的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、 模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。在动力学分析中，ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动；当运动的积累影响起主要作用时，可 7

使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。除以上功能之外，ANSYS具有非常强大的热分析、电磁场分析、流体动力学分析、声场分析、压电分析等分析功能。所有ANSYS的分析类型均以经典工程概念为基础，使用当前成熟的数值求解技术。ANSYS提供了两个直接求解器，五个迭代求解器和一个显示求解器，能顺利求解各种矩阵方程。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。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。通用后处理模块POST1对分析结果能以图形形式显示和输出，如在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了不同的值。彩色云图则用不同的颜色代表不同的数值区，清晰地反映了计算结果的区域分布情况。时间历程响应后处理模块POST26用于检查在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些结果能通过绘制曲线或列表进行查看，可绘制一个或多个变量随频率或其他量变化的曲线，以形象化地表示分析结果。另外，POST26还可以进行曲线的代数运算。ANSYS软件是第一个通过IS09001质量认证的大型分析设计类软件。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。目前版本为ANSYS7.0版。图7-3是运用ANSYS对某空气压缩机叶轮的受力进行模拟分析的结果。图示为内盘、叶片和外轮组成的整体叶轮的等效应力分布图，叶轮内盘与轴相连区域的应力值较高，最大值达151Mpa；外缘区域的应力相对较低。2.板料成形模拟软件DYNAFORM8

使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产 生的应力、应变和变形。 除以上功能之外，ANSYS 具有非常强大的热分析、电磁场分析、流体动 力学分析、声场分析、压电分析等分析功能。所有 ANSYS 的分析类型均 以经典工程概念为基础，使用当前成熟的数值求解技术。ANSYS 提供了 两个直接求解器，五个迭代求解器和一个显示求解器，能顺利求解各种 矩阵方程。 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。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。通用后处理模块 POST1对分析结果能以图形形式显示和输出， 如在模型上的变化情况可用等值线图表示，不同的等值线颜色，代表了 不同的值。彩色云图则用不同的颜色代表不同的数值区，清晰地反映了 计算结果的区域分布情况。时间历程响应后处理模块 POST26 用于检查 在一个时间段或子步历程中的结果，如节点位移、应力或支反力。这些 结果能通过绘制曲线或列表进行查看，可绘制一个或多个变量随频率或 其他量变化的曲线，以形象化地表示分析结果。另外，POST26 还可以进 行曲线的代数运算。 ANSYS 软件是第一个通过 ISO9001 质量认证的大型分析设计类软件。该 软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备 上，如 PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。目前版本为 ANSYS7.0 版。 图 7-3 是运用 ANSYS 对某空气压缩机叶轮的受力进行模拟分析的结果。 图示为内盘、叶片和外轮组成的整体叶轮的等效应力分布图，叶轮内盘 与轴相连区域的应力值较高，最大值达 151Mpa；外缘区域的应力相对较 低。 2. 板料成形模拟软件 DYNAFORM 8

DYNAFORM是由美国ETA公司和LSTC公司联合开发的用于板料成形模拟的专用软件包。DYNAFORM具有友好的用户界面、良好的操作性能，包括大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题。DYNAFORM专门用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题，如弯曲、拉深、成形等典型板料冲压工艺，液压成形、滚弯成形等特殊成形工艺：并可以预测成形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能从而为板成形工艺及模具设计提供帮助。DYNAFORM具有完备的前后处理功能，采用集成的操作环境，无须数据转换，实现无文本编辑，并提供了与CAD软件的接口、实用的几何模型建立功能。DYNAFORM的求解器采用业界著名、功能强大的动态非线性显式分析软件LS-DYNA；并采用工艺化的分析过程，包括影响冲压工艺的60余个因素，固化了丰富的实际工程经验，提供以DFE为代表的多种工艺分析模块。DYNAFORM可在PC、工作站、大型机等多种计算机上的Windows、Unix操作系统下使用，且具有较适用的二次开发功能。其主要功能及技术特点有：优化下料形状--通过One-step求解器可以方便地根据凹模形状得出合理的落料尺寸；Quick-setup功能--利用该功能可以通过板料、凹模、压边圈及拉深筋的定义快速完成标准的拉深模拟：模具自动网格划分一一为捕提模具外形特征特殊设计的网格自动划分功能，可节省99%工具分网时间；先进的板料网格生成器一一可以允许三角形、四边形网格混合划分，并可方便进行网格修剪；工件定义及自动定位—一简捷方便的工件定义以及工件的自动定位功能；模具动作预览在提交分析之前可以允许用户检查所定义的工具动作是否正确；DFE模面设计模块--利用该功能可以由产品几何外形通过工艺补充计算得到模具及压边圈尺寸：9

DYNAFORM 是由美国 ETA 公司和 LSTC 公司联合开发的用于板料成形模拟 的专用软件包。DYNAFORM 具有友好的用户界面、良好的操作性能，包括 大量的智能化自动工具，可方便地求解各类板成形问题。DYNAFORM 专门 用于工艺及模具设计涉及的复杂板成形问题，如弯曲、拉深、成形等典 型板料冲压工艺，液压成形、滚弯成形等特殊成形工艺；并可以预测成 形过程中板料的裂纹、起皱、减薄、划痕、回弹，评估板料的成形性能， 从而为板成形工艺及模具设计提供帮助。 DYNAFORM 具有完备的前后处理功能，采用集成的操作环境，无须数据转 换，实现无文本编辑，并提供了与 CAD 软件的接口、实用的几何模型建 立功能。DYNAFORM 的求解器采用业界著名、功能强大的动态非线性显式 分析软件 LS-DYNA；并采用工艺化的分析过程，包括影响冲压工艺的 60 余个因素，固化了丰富的实际工程经验，提供以 DFE 为代表的多种工艺 分析模块。DYNAFORM 可在 PC、工作站、大型机等多种计算机上的 Windows、Unix 操作系统下使用，且具有较适用的二次开发功能。 其主要功能及技术特点有： 优化下料形状 - 通过 One-step 求解器可以方便地根据凹模形状得出 合理的落料尺寸； Quick-setup 功能 - 利用该功能可以通过板料、凹模、压边圈及拉深 筋的定义快速完成标准的拉深模拟； 模具自动网格划分 - 为捕捉模具外形特征特殊设计的网格自动划分 功能，可节省 99％工具分网时间； 先进的板料网格生成器 - 可以允许三角形、四边形网格混合划分，并 可方便进行网格修剪； 工件定义及自动定位 - 简捷方便的工件定义以及工件的自动定位功 能； 模具动作预览 - 在提交分析之前可以允许用户检查所定义的工具动 作是否正确； DFE 模面设计模块 - 利用该功能可以由产品几何外形通过工艺补充计 算得到模具及压边圈尺寸； 9

拉延筋定义一一通过拾取凹模（或下压边圈）上的节点（线）生成拉延筋（多种截面），并可由DBFP子程序预报拉延筋力；自动压边分析一-在模具几何模型基础上快速生成弧形压边进行板料的成形性预测；网格自适应划分一一网格自适应划分功能可以由用户控制（重划分等级及间隔），能够提高求解的精度；而在回弹分析之前可以对网格进行粗化处理；显、隐式无缝转换--允许用户在求解不同的物理行为时在显、隐式求解器之间进行无缝转换，如在拉深过程中应用显式求解，在后续回弹分析当中则切换到隐式求解。材料模型--材料库具有标准的SAE材料库目录，包含140余种金属及非金属材料，如CRCQ，CRDQ，HRCQ，HRDQ，铝以及不锈钢等：结果处理一一利用后处理器可以方便地进行三维动态等值线和云图显示应力应变、工件厚度变化、成形过程等；成形极限图一一成形极限图中可以直观显示每个单元的成形状况。通过成形极限图中的颜色和位置按照应变程度来可以对每个单元进行静态显示或是动画演示；图形输出--利用后处理器可以生成MPEG、AVI、JPG等多种格式的图形文件，便于进行网络传输。图7-4是运用DYNAFORM模拟一汽车零件冲压成形的结果。图7-4（a）是成形零件的厚度分布，右下角区域表示板料变薄较严重：图7-4（b）是成形极限图，右下角区域表示是可能产生破裂的危险区域。3.体积成形模拟软件DEFORMDEFORM系列软件是基于工艺过程模拟的有限元系统（FEM），可用于分析各种塑性体积成形过程中的金属流动以及应变应力温度等物理场量的分布，提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成、韧性破裂和金属微结构等信息，并提供模具仿真及其他相关的工艺分析数据。DEFORM源自塑性有限元程序ALPID（AnalysisofLargePlasticIncrementalDeformation）。在1980年代初期，美国Battelle研究10

拉延筋定义 - 通过拾取凹模（或下压边圈）上的节点（线）生成拉延 筋（多种截面），并可由 DBFP 子程序预报拉延筋力； 自动压边分析 - 在模具几何模型基础上快速生成弧形压边进行板料 的成形性预测； 网格自适应划分 - 网格自适应划分功能可以由用户控制（重划分等级 及间隔），能够提高求解的精度；而在回弹分析之前可以对网格进行粗 化处理； 显、隐式无缝转换 - 允许用户在求解不同的物理行为时在显、隐式求 解器之间进行无缝转换，如在拉深过程中应用显式求解，在后续回弹分 析当中则切换到隐式求解。 材料模型 - 材料库具有标准的 SAE 材料库目录，包含 140 余种金属及 非金属材料，如 CRCQ，CRDQ，HRCQ，HRDQ，铝以及不锈钢等； 结果处理 - 利用后处理器可以方便地进行三维动态等值线和云图显 示应力应变、工件厚度变化、成形过程等； 成形极限图 - 成形极限图中可以直观显示每个单元的成形状况。通过 成形极限图中的颜色和位置按照应变程度来可以对每个单元进行静态 显示或是动画演示； 图形输出 - 利用后处理器可以生成 MPEG、AVI、JPG 等多种格式的图 形文件，便于进行网络传输。 图 7-4 是运用 DYNAFORM 模拟一汽车零件冲压成形的结果。图 7-4（a） 是成形零件的厚度分布，右下角区域表示板料变薄较严重；图 7-4（b） 是成形极限图，右下角区域表示是可能产生破裂的危险区域。 3. 体积成形模拟软件 DEFORM DEFORM 系列软件是基于工艺过程模拟的有限元系统(FEM)，可用于分析 各种塑性体积成形过程中的金属流动以及应变应力温度等物理场量的 分布，提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺 陷形成、韧性破裂和金属微结构等信息，并提供模具仿真及其他相关的 工艺分析数据。 DEFORM 源自塑性有限元程序 ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）。在 1980 年代初期，美国 Battelle 研究 10