金属塑性成形过程三维有限元六面体网格自动生成算法及数值模拟关键技术研究

论文题目: 金属塑性成形过程三维有限元六面体网格自动生成算法及数值模拟关键技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 材料加工工程

作者: 虞松

导师: 赵国群

关键词: 有限元法,六面体网格,栅格法,表层网格法,网格再划分,体积成形过程模拟

文献来源: 山东大学

发表年度: 2005

论文摘要: 在我国以技术进步、科技创新为中心的现代化建设的进程中,以计算机辅助设计/制造/工程分析(CAD/CAM/CAE)为代表的先进制造技术在该领域中无论在实际应用和学术研究方面都已成为最为活跃的部分。随着计算机软硬件技术的发展以及金属塑性流动理论的日臻完善,使得金属塑性成形过程的三维有限元数值模拟成为现实,利用数值模拟方法,可以明确整个成形过程的全部细节问题,为工艺设计和模具优化提供强有力的支持。本文针对金属体积成形过程空间六面体网格自动划分和再划分等问题和三维有限元数值模拟中的关键技术进行了深入研究和探讨。在三维有限元分析技术中,关于模具形状的描述和引入有限元分析方面,提出了以有限元表面网格代替整个刚性模具的方案,并采用三维造型中广泛使用的STL文件格式表达模具形状并在整个模拟过程中始终保持这种格式:提出了方便有效的空间局部坐标建立方法,保证了有限元模拟中边界条件的正确施加和结果的正确转换;推导了工件与模具接触表面的摩擦力积分以及对单元载荷列阵和刚度矩阵的贡献项;针对已有的动态边界处理方法中引起触模单元体积变化过大的缺陷,提出了触模节点的“原长修正法”,从而有效地减少触模单元的体积变化,提高了模拟的真实性:关于在刚塑性有限元模拟体积成形过程中体积损失问题本文也进行了专题研究,深入分析了造成模拟过程中工件体积损失的原因,并指出体积损失不可避免但可控制,提出了协调模拟精度和计算效率之间的关系具体方法。网格划分是金属体积成形过程有限元模拟中的“瓶颈”问题,也是此类模拟系统是否成功的关键技术。本文首先分析论述了三维有限元分析中六面体网格已有生成算法,并给出了六面体网格与四面体网格相比的优势和特点,指出六面体网格分析精度高、网格划分数量少,特别是在大变形的体积成形过程模拟中,此摘要.................................~.........类单元既具有一定的抵抗变形的能力又具有一定变形适应能力,因此,六面体单元是体积成形过程三维有限元数值模拟的首选单元。目前,己有的六面体网格划分方法大致可分为三大类,它们的代表算法分别是:映射法、铺路法和栅格法。本文在综合比较三类算法基础上,指出栅格法经过改造后最适合金属体积成形过程模拟的六面体网格生成方法。本文在栅格法的基础上,建立了三维六面体网格划分方法“表层网格法”,从而保证了所划分的模型表面具有高质量的六面体网格,满足了体积成形分析过程对网格的要求。本文详细研究了所采用的算法和关键技术:首先是对所需划分模型的识别,其中包括模型表面识别、特征边界和特征点的识别以及整体网格密度函数分布;在模型识别的基础上,生成规则网格,通过节点和单元的“奇偶判别法”剔除与模型无关的单元,产生核心网格;再根据规则提取核心网格的表面节点、特征边界和特征点,按顺序拟合所需划分模型与核心网格相对应的特征点、特征边界和一般表面节点;在拟合后的核心网格表面按三种模式生成表层网格,这三种模式分别为:表面模式、棱边模式和顶点模式,这样就完成了在核心网格表面包络一层六面体网格,同时也满足了特征边界和特征点在网格中特殊的拓扑关系;最后是网格优化,在本文所研究的网格优化算法不仅具有优化网格几何形状的功能而且还具有把表层网格“放大”到合适的尺寸,把核心网格表面拟合后畸变的六面体单元“推入”模型内部的功能。采用上述栅格法和表层网格法相结合的六面体网格生成算法不仅保证了模型表面生成高质量的网格而且在模型的内部网格质量也是令人满意的,从而保证了体积成形过程有限元模拟计算顺利进行,通过实例也证明,采用上述方法生成的六面体网格比采用四面体网格在模拟过程中重划次数减少50%以上。、网格再划分是金属体积成形过程模拟中不可避免的过程,本文深入分析了网格再划分的两个主要标准:工件与模具几何离散造成的干涉和工件网格单元的变形,并给出了两个标准的建议值:提出和建立了新旧网格之间包容测试和方程迭代求解物理量传递具体算法,经汽车后桥下臂锻压成形过程等工程实例计算表明,该算法具有计算速度快,物理量传递准确的特点。有限元的前后处理技术也是整个分析系统的重要组成部分,在本文中,重点II山东大学博士学位论文................对基于六面体网格的三维模拟结果进行显示消隐处理、表面等值线和任意剖面等值线的生成和显示算法进行了研究,提出了先“面消隐”再“线消隐”的三维六面体网格动态消隐方法,使得变形后的网格在屏幕上显示更加快速清楚、具有立体效果;在三维等值线生成算法中引入“三角形化”的概念,无论是表面四边形还是任意剖面上的多边形均转化为三角形后再在此基础上生成等值线和彩色云图,该算法具有原理简单、编程方便、显示准确的特点,对于其它类型网格的有限元后处理技术也具有一定的指导意义。综合本文所研究的六面体网格自动生成算法、刚塑性三维有限元模拟技术、网格再划分划技术及前后有限元处理技术研制并开发了三维金属体积成形数值模拟系统CASFORM一D,该系统具有前处理界面友

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1引言

1.2刚塑性有限元数值模拟技术研究进展和应用

1.3有限元六面体网格自动划分技术

1.3.1为什么选用六面体单元?

1.3.2空间六面体网格划分方法

1.3.3网格优化技术

1.4本课题研究的意义及主要研究内容

第二章刚塑性有限元基本理论

2.1金属塑性成形问题的解法

2.2基本假设和基本方程

2.2.1基本假设

2.2.2塑性力学基本方程

2.3刚塑性／刚粘塑性有限元基本原理-Markov变分原理

2.4刚塑性有限元求解过程

2.5三维刚塑性有限元求解列式

2.5.1单元和形函数

2.5.2单元应变率矩阵

2.5.3等效应变速率和体积应变速率矩阵

2.5.4单元刚度矩阵

2.6本章小结

第三章金属塑性成形三维刚塑性有限元模拟关键技术研究

3.1引言

3.2模具形状的几何描述技术

3.3局部坐标系的建立

3.4摩擦边界条件

3.5动态边界处理

3.5.1判断自由边界节点是否在本次步长增量内触模

3.5.2触模节点脱离模具的判断

3.5.3触模节点位置调整

3.6体积损失

3.6.1惩罚因子对体积损失的影响

3.6.2增量步长对体积损失的影响

3.6.3网格再划分对体积损失的影响

3.6.4动态边界节点位置调整

3.7本章小结

第四章六面体网格划分方法-表层网格法

4.1引言

4.2模型识别

4.2.1模型表面识别

4.2.2特征边界和特征点识别

4.2.3表面曲率和模型整体网格密度分布函数

4.3核心网格生成

4.4模型与核心网格边界和表面拟合

4.5表层网格生成

4.5.1表层网格新节点生成

4.5.2表面节点模式

4.5.3棱边节点模式

4.5.4顶点模式

4.6网格平滑技术

4.6.1特征边界节点平滑技术

4.6.2表面网格平滑技术

4.6.3空间网格平滑技术

4.7六面体网格划分实例

4.8本章小结

第五章网格再划分技术

5.1引言

5.2工件与模具几何离散

5.3工件网格单元变形

5.4新旧网格物理量的继承和传递

5.5网格再划分实例

5.5.1数值模拟模型及工艺参数

5.5.2锻造过程模拟及结果分析

5.6本章小结

第六章刚塑性有限元前后处理技术及整个系统构成

6.1引言

6.2前处理技术

6.3三维网格显示消隐技术

6.3.1三维六面体网格消隐算法

6.3.2实例

6.4基于六面体单元表面等值线的生成

6.4.1三角形网格等值线算法

6.4.2基于六面体单元物体表面等值线的生成

6.4.3实例

6.5空间任意剖面上物理量的表达

6.5.1基于六面体单元物体剖面等值线的生成

6.5.2实例

6.6金属塑性成形有限元模拟分析系统CASFORM-3D的整体结构及特点

6.7本章小结

第七章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的论文

攻读博士学位期间参与完成的课题

发布时间: 2005-06-14

参考文献

[1].增量体积成形数值模拟技术及其在多道次拔长工艺设计中的应用[D]. 陈文.上海交通大学2011

金属塑性成形过程三维有限元六面体网格自动生成算法及数值模拟关键技术研究

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