2.1 DEFORM-3D簡(jiǎn)介

2.1.1 DEFORM-3D概況

DEFORM-3D是一套基于有限元的工藝仿真系統(tǒng)，用于分析金屬成形及其相關(guān)工業(yè)的各種成形工藝和熱處理工藝。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)加工過(guò)程，幫助工程師和設(shè)計(jì)人員：①設(shè)計(jì)工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本；②提高工模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本；③縮短新產(chǎn)品的研究開(kāi)發(fā)周期。DEFORM-3D不同于一般的有限元程序，它是專為金屬成形而設(shè)計(jì)的。它具有非常友好的圖形用戶界面，可幫助用戶很方便地進(jìn)行準(zhǔn)備數(shù)據(jù)和成形分析。這樣，工程師們便可把精力主要集中在工藝分析上，而不是去學(xué)習(xí)煩瑣的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 DEFORM-3D 專為大變形問(wèn)題設(shè)計(jì)了一個(gè)全自動(dòng)的、優(yōu)化的網(wǎng)格再劃分系統(tǒng)。

2.1.2 DEFORM-3D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DEFORM-3D是一個(gè)高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)，它主要包括前處理器、模擬器、后處理器三大模塊。前處理器處理模具和坯料的材料信息及幾何信息的輸入、成形條件的輸入，建立邊界條件，它還包括有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成器；模擬器是集彈性、彈塑性、剛(粘)塑性、熱傳導(dǎo)于一體的有限元求解器；后處理器是將模擬結(jié)果可視化，支持OPGL 圖形模式，并輸出用戶所需的模擬數(shù)據(jù)。DEFORM-3D允許用戶對(duì)其數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，對(duì)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)行修改，以及定義自己的材料模型等。

2.1.3 DEFORM-3D的功能

(1)成形分析：① 冷、溫、熱鍛的成形和熱傳導(dǎo)偶合分析，提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應(yīng)力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息；②豐富的材料數(shù)據(jù)庫(kù)，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金等，用戶還可自行輸入材料數(shù)據(jù)；③剛性、彈性和熱粘塑性材料模型，特別適用于大變形成形分析；彈塑性材料模型適用于分析殘余應(yīng)力和回彈問(wèn)題，燒結(jié)體材料模型適用于分析粉末冶金成形；④完整的成形設(shè)備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機(jī)械壓力成形；⑤溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、損傷及其他場(chǎng)變量等值線的繪制使后處理簡(jiǎn)單明了。

(2)熱處理：①模擬正火、退火、淬火、回火、滲碳等工藝過(guò)程；②預(yù)測(cè)硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；③可以輸入頂端淬火數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)最終產(chǎn)品的硬度分布；④可以分析各種材料晶相，每種晶相都有自己的彈性、塑性、熱和硬度屬性。混合材料的特性取決于熱處理模擬中每步各種金屬的百分比。DEFORM-3D用來(lái)分析變形、傳熱、熱處理、相變和擴(kuò)散之間復(fù)雜的相互作用，各種現(xiàn)象之間相互耦合。擁有相應(yīng)的模塊之后，這些耦合將包括：由于塑性變形引起的升溫、加熱軟化、相變控制溫度、相變內(nèi)能、相變塑性、相變應(yīng)變、應(yīng)力對(duì)相變的影響以及含碳量對(duì)各種材料屬性產(chǎn)生的影響等。

2.1.4 DEFORM-3D的操作步驟

DEFORM-3D的分析步驟主要包括三個(gè)步驟：

（1）前處理

①創(chuàng)建或讀入幾何模型；②劃分網(wǎng)格；③定義材料屬性；④設(shè)定約束條件。

（2）求解

（3）后處理

①查看分析結(jié)果；②檢驗(yàn)結(jié)果。

2.2 模擬設(shè)計(jì)思路

2.2.1 泡沫金屬和有限元的連接點(diǎn)

通過(guò)研究泡沫金屬的結(jié)構(gòu)和性能以及有限元方法，尋找二者之間的連接點(diǎn)，使之達(dá)到用有限元模擬泡沫金屬結(jié)構(gòu)和性能的目的。泡沫金屬的很多性能（如機(jī)械性能、能量吸收和阻尼性能等）在很大程度上可以由其壓縮曲線反映。在泡沫金屬性能研究過(guò)程中，泡沫金屬的壓縮曲線是至關(guān)重要的，尤其是機(jī)械性能、能 量吸收性能和阻尼性能的表述。因此，把壓縮曲線作為泡沫金屬仿真模擬的切入點(diǎn)，可以通過(guò)壓縮曲線的形狀和走向來(lái)評(píng)估其機(jī)械性能和能量吸收性能及阻尼特性。

2.2.2泡沫模擬的設(shè)計(jì)思路

探索泡沫鋁微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能之間的關(guān)系，是大多數(shù)模型與模擬研究的關(guān)鍵所在。多孔泡沫金屬材料的性能與孔單元的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，孔單元的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)如孔隙率、孔徑等取決于孔的類型（開(kāi)孔如圖2.1，閉孔如圖2.2）、孔的形狀和孔的分布[5,8]。

多孔材料力學(xué)性能的模擬可在不同尺度范圍內(nèi)進(jìn)行。按微觀機(jī)制的觀點(diǎn)泡沫金屬的不均勻結(jié)構(gòu)由單孔、孔壁、孔棱、接點(diǎn)構(gòu)成，可用統(tǒng)計(jì)方法或建立離散幾何模型方法進(jìn)行研究。從宏觀上來(lái)看，如果孔穴尺寸相對(duì)于測(cè)試樣品或元件的 尺寸來(lái)說(shuō)相當(dāng)小，就可把泡沫金屬看作是均勻的連續(xù)統(tǒng)一體，其主要用于空洞及固體填充孔的影響。目前利用有限元軟件對(duì)泡沫鋁的微觀力學(xué)研究都是以離散的微觀結(jié)構(gòu)模型為基礎(chǔ)的，這種微觀幾何模型常被理想化。為確定高孔隙率多孔固體在外力作用下的響應(yīng)，可用網(wǎng)狀的柱體（開(kāi)孔泡沫）或殼體（閉孔泡沫）對(duì)多孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型描述，并采用有限元或邊界元數(shù)值方法進(jìn)行分析。有三種本構(gòu)模型可用于模擬單元的塑性變形：經(jīng)典的J2塑性模型、可變性泡沫模型（Crushable foam model）及簡(jiǎn)單自相似模型[20,21]。近來(lái)流行的2D微觀幾何模型是將泡沫金屬截面的纖維照片為基礎(chǔ)而建立。這種―真實(shí)結(jié)構(gòu)‖模型需要對(duì)邊界進(jìn)行處理以使其具有周期性。3D模型常用規(guī)則立方體、八面體模型、菱形十二面體、規(guī)則十四面體(或稱為Kelvin結(jié)構(gòu))等。對(duì)于各向同性的開(kāi)孔泡沫材料，劉培生[13]提出的新八面體模型。從孔隙單元密積、孔棱全部等價(jià)、所構(gòu)多孔體三維各向同性等基本點(diǎn)出發(fā)，將這種多孔體抽象地表征為具有八面體結(jié)構(gòu)的孔隙單元的集合體。不管多孔體是單向、雙向還是三向承載，新模型中各棱柱的受力狀態(tài)均完全等價(jià)從而實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)單元中所有棱柱的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和受力狀態(tài)雙重等價(jià)，克服了Gibson-Ashby模型中―多孔體在單向承載、雙向承載和三向不等‖的缺點(diǎn)。十四面體的優(yōu)點(diǎn)是它與實(shí)際多面體泡沫具有等同的平均面數(shù)及孔棱數(shù)。因此，十四面體已被廣泛地用于研究開(kāi)孔泡沫和閉孔泡沫，但是這種模型在量上與實(shí)際的模型存在差別，如其楊氏模量隨密度二次方變化，而體積模量則是線性變化[5,22]，這與實(shí)驗(yàn)不符合。較復(fù)雜的幾何體可通過(guò)的兩種大小不同多面體的規(guī)則排列而得到，Voronoi模型也可用于建立不規(guī)則的開(kāi)孔泡沫和閉孔泡沫。隨著可測(cè)量具有一定復(fù)雜程度的數(shù)字微觀結(jié)構(gòu)的大規(guī)模計(jì)算方法和有效計(jì)算能力的出現(xiàn)，一種基于Voronoi tessellation[23,24]方法的隨機(jī)泡沫模型開(kāi)始成為新的研究。Voronoi tessellation數(shù)學(xué)定義與泡沫構(gòu)成的物理特性存在很多相似之處，使這種模型目前為止是一種較為理想的模型.

利用現(xiàn)成的商業(yè)有限元軟件DEFORM-3D進(jìn)行泡沫金屬結(jié)構(gòu)性能的計(jì)算機(jī)仿真模擬，通過(guò)模擬其目的是反映泡沫金屬的結(jié)構(gòu)性能，評(píng)估和預(yù)測(cè)一定孔隙率條件下泡沫金屬的機(jī)械性能和能量吸收性能。其泡沫金屬性能反映和有限元模擬的連接點(diǎn)在于泡沫金屬壓縮實(shí)驗(yàn)下的壓縮曲線。但就其泡沫金屬（主要指閉孔泡沫金屬）的結(jié)構(gòu)而言，是一種由金屬骨架、較大孔徑、高孔隙率組成的新型多孔結(jié)構(gòu)功能材料，建立其完全的物理模型是極其困難的。因?yàn)榈侥壳盀橹?，?duì)于泡沫金屬的研究而言，只是從實(shí)驗(yàn)的角度給出了一些定量的分析研究，并未從理論的角度給出確切的定性分析，因而對(duì)于泡沫金屬的有限元模擬并無(wú)現(xiàn)成的理論模

型可遵循。

就泡沫金屬的實(shí)質(zhì)而言，它也是一種金屬，只不過(guò)是具有高密度缺陷的金屬。那么泡沫金屬仍應(yīng)滿足金屬的塑性變形基本定律，在進(jìn)行泡沫金屬壓縮模擬時(shí)，只需從幾何構(gòu)形方面考慮，其余均按實(shí)體金屬的性質(zhì)來(lái)運(yùn)行。這樣，無(wú)論在模型設(shè)計(jì)及模型實(shí)施的各個(gè)方面都得到了簡(jiǎn)化。

泡沫金屬的結(jié)構(gòu)表征參數(shù)很多，包括有：孔徑、孔隙率、密度、比表面積、通孔度、開(kāi)孔度及流通特性等。但此模擬研究主要是在假設(shè)其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的 情況下，取不同大小的孔隙率、孔徑，對(duì)泡沫金屬進(jìn)行模擬。其主要原因有以下兩個(gè)方面：(1)孔隙率是影響泡沫金屬結(jié)構(gòu)性能的一個(gè)重要參數(shù)，與泡沫金屬的密度成反比關(guān)系。正因?yàn)榕菽饘贆C(jī)械性能很大程度上由其密度決定，所以換言之，泡沫金屬的機(jī)械性能很大程度上由孔隙率決定。(2)孔隙率是一個(gè)直觀因素，也利于簡(jiǎn)化模型與運(yùn)算。取平均孔隙率作為模擬的標(biāo)準(zhǔn)。平均孔隙率的定義為平均每截面孔隙所占面積與該截面面積的比值，其運(yùn)算公式為：

δ=S孔/S截面 (2.1)

（3）孔徑也是反映泡沫鋁力學(xué)性能的主要參數(shù)，以前的研究表明，孔徑的大小存在一個(gè)極值，太小或太大屈服應(yīng)力都會(huì)降低，只有在合適的尺寸其屈服應(yīng)力才會(huì)達(dá)到最大值。

2.2.3 模擬的假設(shè)

利用模板對(duì)泡沫金屬塊進(jìn)行壓縮變形，進(jìn)而通過(guò)其模擬得到的結(jié)果研究其性能。模擬的假設(shè)條件對(duì)于模擬的影響相當(dāng)重要。好的假設(shè)不僅可以簡(jiǎn)化模型，還可以得到良好的模擬效果。

此模擬的假設(shè)條件:

1.圓孔假設(shè)

2.滑動(dòng)庫(kù)侖摩擦

2.圓孔假設(shè)。

泡沫金屬體內(nèi)有若干個(gè)連通或不連通的孔洞，也就是通孔泡沫金屬和閉孔泡沫金屬。以閉孔泡沫金屬為研究對(duì)象，孔洞形狀的規(guī)則性與否取決于制備工藝。但孔洞形狀在某一截面上呈現(xiàn)出多邊形狀。為了使模型簡(jiǎn)化，可以把多邊形近似.