Deform在材料加工中的应用

摘 要 有限元法广泛应用于科学计算、设计、分析中，解决了许多复杂的问题。在机械设计中已成为一个重要的工具。在有限元基本原理的基础上，介绍了有限元的概念 、有限元的分析步骤、有限元模拟软件DEFORM-3D、及其在机械设计中的应用。

关键词 有限元 DEFORM 机械设计 应用

中图分类号：TP319文献标识码：A

1有限元法

有限元法（FEA，Finite Element Analysis）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足條件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。

2有限元模拟软件DEFORM-3D

随着计算机技术的发展以及有限元理论的不断完善，有限元法在平面问题以及三维问题上都有显著的成就。近年来，有限元法与计算机软件的结合，为工程实际生产提供了可靠的理论基础。早先的有限元软件是OhSI、WuWT、AltanT等学者开发的一种二维的刚塑性/刚粘塑性有限元程序ALPID，该软件经过不断的演变成为现在的DEFORM。有限元模拟软件由二维到三维的转折，更好的描述了金属塑性成形的规律以及成形过程中应力场、应变场、温度场、速度场等的详尽数据，为实际生产提供可靠的数据。

3 DEFORM-3D软件的特点

（1）DEFORM-3D是一种功能强大的体积成形有限元模拟专用商业软件，其操作简单，易于使用，集成了成形分析、热传导耦合分析及模具应力分析等模块。在锻造、挤压、轧制以及切削等塑性成形工艺数值模拟中，它可用于分析研究各种金属在成形过程中的金属流动规律、成形载荷、模具应力、金属微观组织结构及成形缺陷等。DEFORM-3D是模拟金属流动的理想工具，它继承了强大的模拟引擎，能够分析金属体积成形过程中多个因素耦合作用问题。该软件还具有强大的网格重划分功能，当变形量超过设定值时能自动进行网格重划分，生成优化的网格系统。DEFORM-3D图形界面功能强大，而且操作简单，为用户提供了有效的数据输入及结果观察工具，节省了用户的操作时间，提高了模拟分析效率。

（2）DEFORM-3D软件的模块结构。DEFORM-3D软件主要由前处理模块、有限元分析模块、后处理模块以及用户处理模块组成。 前处理模块主要包括成形部件几何模型的建立及材料模型的建立、有限元网格划分、模具的运动控制和边界条件的设置等。有限元计算模块是DEFORM-3D的核心组成部分，所有数据都要经过此模块的计算处理送入后处理模块。后处理模块可以将模拟结果可视化输出，如三维材料的流动情况、材料的温度变化、材料的流动速度、成形载荷、等效应力、等效应变等可以将模拟数据以多种方法显示，包括彩色等值线图、云图、变形图及X-Y曲线，以便进行工艺分析及模具优化设计。 另外可以通过用户处理器对DEFORM-3D的数据库进行操作，对系统设置进行修改，以及定义自己的材料模型等。

4有限元法在机械方面中的应用

目前，有限元法在机械工程上的应用主要有以下几个方面：

（1）静力学分折。这是对二维或三维的机械结构承载后的应力、应变和变形的分析，是有限元法在机械工程中最基本、最常用的分析类型。当作用在结构上的载荷不随时间变化或随时间的变化十分缓慢，应进行静力学分析。

（2）模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和自振型式等振动特性。进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预应力载荷。

（3）谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属动力学分析，用于研究结构对周期载荷和非周期戴荷的动态响应。

（4）热应力分析，这类分析用于研究结构的工作温度不等于安装温度时，或工作时结构内部存在温度分布时.结构内部的温度应力。

（5）接触分析。这是一种状态非线性分析，用于分析两个结构物发生接触时的接触面状态、法向力等。由于机械结构中结构与结构间力的传递均是通过接触来实现的，所以有限元法在机械结构中的应用很多都是接触分析。但是，以前受计算能力的制约，接触分析应用的较少。

（6）屈曲分析。这是一种几何非线性分析.用于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状，例如压杆稳定性问题。

5结束语

有限元的应用大大提高了企业的设计效率，优化了设计方案，缩短了产品的开发周期。越来越多的企业和技术人员意识到DEFORM技术是一种巨大是生产力。可以预见， 不久的将来，有限元法的应用，必将更加普及，将会有更大的突破必将推动了科技进步和社会发展，并且会取得巨大的经济效益。

基金项目：四川省教育厅科研项目（17ZB0061）;成都理工大学工程技术学院青年科学基金项目（C122016017）。

作者简介：骆静，男，硕士研究生，讲师，主要从事金属塑性成型研究。

参考文献

[1] 朱志飞，岑松.有限元法新论[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

[2] 梁清香，张根全.有限元法与MARC实现[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3] 李开泰，黄艾香，黄庆怀.有限元方法及其应用[M].北京：北京科学出版社，2006.