Deform在材料加工中的應用

摘 要 有限元法廣泛應用于科學計算、設計、分析中，解決了許多復雜的問題。在機械設計中已成為一個重要的工具。在有限元基本原理的基礎上，介紹了有限元的概念 、有限元的分析步驟、有限元模擬軟件DEFORM-3D、及其在機械設計中的應用。

關鍵詞 有限元 DEFORM 機械設計 應用

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A

1有限元法

有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導求解這個域總的滿足條件（如結構的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。

2有限元模擬軟件DEFORM-3D

隨著計算機技術的發展以及有限元理論的不斷完善，有限元法在平面問題以及三維問題上都有顯著的成就。近年來，有限元法與計算機軟件的結合，為工程實際生產提供了可靠的理論基礎。早先的有限元軟件是OhSI、WuWT、AltanT等學者開發的一種二維的剛塑性/剛粘塑性有限元程序ALPID，該軟件經過不斷的演變成為現在的DEFORM。有限元模擬軟件由二維到三維的轉折，更好的描述了金屬塑性成形的規律以及成形過程中應力場、應變場、溫度場、速度場等的詳盡數據，為實際生產提供可靠的數據。

3 DEFORM-3D軟件的特點

（1）DEFORM-3D是一種功能強大的體積成形有限元模擬專用商業軟件，其操作簡單，易于使用，集成了成形分析、熱傳導耦合分析及模具應力分析等模塊。在鍛造、擠壓、軋制以及切削等塑性成形工藝數值模擬中，它可用于分析研究各種金屬在成形過程中的金屬流動規律、成形載荷、模具應力、金屬微觀組織結構及成形缺陷等。DEFORM-3D是模擬金屬流動的理想工具，它繼承了強大的模擬引擎，能夠分析金屬體積成形過程中多個因素耦合作用問題。該軟件還具有強大的網格重劃分功能，當變形量超過設定值時能自動進行網格重劃分，生成優化的網格系統。DEFORM-3D圖形界面功能強大，而且操作簡單，為用戶提供了有效的數據輸入及結果觀察工具，節省了用戶的操作時間，提高了模擬分析效率。

（2）DEFORM-3D軟件的模塊結構。DEFORM-3D軟件主要由前處理模塊、有限元分析模塊、后處理模塊以及用戶處理模塊組成。 前處理模塊主要包括成形部件幾何模型的建立及材料模型的建立、有限元網格劃分、模具的運動控制和邊界條件的設置等。有限元計算模塊是DEFORM-3D的核心組成部分，所有數據都要經過此模塊的計算處理送入后處理模塊。后處理模塊可以將模擬結果可視化輸出，如三維材料的流動情況、材料的溫度變化、材料的流動速度、成形載荷、等效應力、等效應變等可以將模擬數據以多種方法顯示，包括彩色等值線圖、云圖、變形圖及X-Y曲線，以便進行工藝分析及模具優化設計。 另外可以通過用戶處理器對DEFORM-3D的數據庫進行操作，對系統設置進行修改，以及定義自己的材料模型等。

4有限元法在機械方面中的應用

目前，有限元法在機械工程上的應用主要有以下幾個方面：

（1）靜力學分折。這是對二維或三維的機械結構承載后的應力、應變和變形的分析，是有限元法在機械工程中最基本、最常用的分析類型。當作用在結構上的載荷不隨時間變化或隨時間的變化十分緩慢，應進行靜力學分析。

（2）模態分析。這是動力學分析的一種，用于研究結構的固有頻率和自振型式等振動特性。進行這種分析時所施加的載荷只能是位移載荷和預應力載荷。

（3）諧響應分析和瞬態動力學分析。這兩類分析也屬動力學分析，用于研究結構對周期載荷和非周期戴荷的動態響應。

（4）熱應力分析，這類分析用于研究結構的工作溫度不等于安裝溫度時，或工作時結構內部存在溫度分布時.結構內部的溫度應力。

（5）接觸分析。這是一種狀態非線性分析，用于分析兩個結構物發生接觸時的接觸面狀態、法向力等。由于機械結構中結構與結構間力的傳遞均是通過接觸來實現的，所以有限元法在機械結構中的應用很多都是接觸分析。但是，以前受計算能力的制約，接觸分析應用的較少。

（6）屈曲分析。這是一種幾何非線性分析.用于確定結構開始變得不穩定時的臨界載荷和屈曲模態形狀，例如壓桿穩定性問題。

5結束語

有限元的應用大大提高了企業的設計效率，優化了設計方案，縮短了產品的開發周期。越來越多的企業和技術人員意識到DEFORM技術是一種巨大是生產力。可以預見， 不久的將來，有限元法的應用，必將更加普及，將會有更大的突破必將推動了科技進步和社會發展，并且會取得巨大的經濟效益。

基金項目：四川省教育廳科研項目（17ZB0061）;成都理工大學工程技術學院青年科學基金項目（C122016017）。

作者簡介：駱靜，男，碩士研究生，講師，主要從事金屬塑性成型研究。

參考文獻

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[3] 李開泰，黃艾香，黃慶懷.有限元方法及其應用[M].北京：北京科學出版社，2006.