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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，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)在計算機上模擬整個(gè)加工過(guò)程，幫助工程師和設計人員：①設計工具和產(chǎn)品工藝流程，減少昂貴的現場(chǎng)試驗成本；②提高工模具設計效率，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(zhuān)為金屬成形而設計的。它具有非常友好的圖形用戶(hù)界面，可幫助用戶(hù)很方便地進(jìn)行準備數據和成形分析。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)習煩瑣的計算機系統。 DEFORM-3D 專(zhuān)為大變形問(wèn)題設計了一個(gè)全自動(dòng)的、優(yōu)化的網(wǎng)格再劃分系統。

2.1.2 DEFORM-3D系統結構

DEFORM-3D是一個(gè)高度模塊化、集成化的有限元模擬系統，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、熱傳導于一體的有限元求解器；后處理器是將模擬結果可視化，支持OPGL 圖形模式，并輸出用戶(hù)所需的模擬數據。DEFORM-3D允許用戶(hù)對其數據庫進(jìn)行操作，對系統設置進(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偶合分析，提供材料流動(dòng)、模具充填、成形載荷、模具應力、纖維流向、缺陷形成和韌性破裂等信息；②豐富的材料數據庫，包括各種鋼、鋁合金、鈦合金等，用戶(hù)還可自行輸入材料數據；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力和回彈問(wèn)題，燒結體材料模型適用于分析粉末冶金成形；④完整的成形設備模型可以分析液壓成形、錘上成形、螺旋壓力成形和機械壓力成形；⑤溫度、應力、應變、損傷及其他場(chǎng)變量等值線(xiàn)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預測硬度、晶粒組織成分、扭曲和含碳量；③可以輸入頂端淬火數據來(lái)預測最終產(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?；旌喜牧系奶匦匀Q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、相變和擴散之間復雜的相互作用，各種現象之間相互耦合。擁有相應的模塊之后，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、相變內能、相變塑性、相變應變、應力對相變的影響以及含碳量對各種材料屬性產(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設定約束條件。

（2）求解

（3）后處理

①查看分析結果；②檢驗結果。

2.2 模擬設計思路

2.2.1 泡沫金屬和有限元的連接點(diǎn)

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

2.2.2泡沫模擬的設計思路

探索泡沫鋁微觀(guān)結構與宏觀(guān)性能之間的關(guān)系，是大多數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構有著(zhù)密切的關(guān)系，孔單元的結構表征參數如孔隙率、孔徑等取決于孔的類(lèi)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進(jìn)行。按微觀(guān)機制的觀(guān)點(diǎn)泡沫金屬的不均勻結構由單孔、孔壁、孔棱、接點(diǎn)構成，可用統計方法或建立離散幾何模型方法進(jìn)行研究。從宏觀(guān)上來(lái)看，如果孔穴尺寸相對于測試樣品或元件的 尺寸來(lái)說(shuō)相當小，就可把泡沫金屬看作是均勻的連續統一體，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泡沫鋁的微觀(guān)力學(xué)研究都是以離散的微觀(guān)結構模型為基礎的，這種微觀(guān)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，可用網(wǎng)狀的柱體（開(kāi)孔泡沫）或殼體（閉孔泡沫）對多孔結構進(jìn)行模型描述，并采用有限元或邊界元數值方法進(jìn)行分析。有三種本構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(guān)幾何模型是將泡沫金屬截面的纖維照片為基礎而建立。這種―真實(shí)結構‖模型需要對邊界進(jìn)行處理以使其具有周期性。3D模型常用規則立方體、八面體模型、菱形十二面體、規則十四面體(或稱(chēng)為Kelvin結構)等。對于各向同性的開(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構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)現了結構單元中所有棱柱的結構狀態(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及孔棱數。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(xiàn)性變化[5,22]，這與實(shí)驗不符合。較復雜的幾何體可通過(guò)的兩種大小不同多面體的規則排列而得到，Voronoi模型也可用于建立不規則的開(kāi)孔泡沫和閉孔泡沫。隨著(zhù)可測量具有一定復雜程度的數字微觀(guān)結構的大規模計算方法和有效計算能力的出現，一種基于Voronoi tessellation[23,24]方法的隨機泡沫模型開(kāi)始成為新的研究。Voronoi tessellation數學(xué)定義與泡沫構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.

利用現成的商業(yè)有限元軟件DEFORM-3D進(jìn)行泡沫金屬結構性能的計算機仿真模擬，通過(guò)模擬其目的是反映泡沫金屬的結構性能，評估和預測一定孔隙率條件下泡沫金屬的機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)驗下的壓縮曲線(xiàn)。但就其泡沫金屬（主要指閉孔泡沫金屬）的結構而言，是一種由金屬骨架、較大孔徑、高孔隙率組成的新型多孔結構功能材料，建立其完全的物理模型是極其困難的。因為到目前為止，對于泡沫金屬的研究而言，只是從實(shí)驗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，因而對于泡沫金屬的有限元模擬并無(wú)現成的理論模

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。那么泡沫金屬仍應滿(mǎn)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)，只需從幾何構形方面考慮，其余均按實(shí)體金屬的性質(zhì)來(lái)運行。這樣，無(wú)論在模型設計及模型實(shí)施的各個(gè)方面都得到了簡(jiǎn)化。

泡沫金屬的結構表征參數很多，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其他結構參數不變的 情況下，取不同大小的孔隙率、孔徑，對泡沫金屬進(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構性能的一個(gè)重要參數，與泡沫金屬的密度成反比關(guān)系。正因為泡沫金屬機械性能很大程度上由其密度決定，所以換言之，泡沫金屬的機械性能很大程度上由孔隙率決定。(2)孔隙率是一個(gè)直觀(guān)因素，也利于簡(jiǎn)化模型與運算。取平均孔隙率作為模擬的標準。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，以前的研究表明，孔徑的大小存在一個(gè)極值，太小或太大屈服應力都會(huì )降低，只有在合適的尺寸其屈服應力才會(huì )達到最大值。

2.2.3 模擬的假設

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

此模擬的假設條件:

1.圓孔假設

2.滑動(dòng)庫侖摩擦

2.圓孔假設。

泡沫金屬體內有若干個(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象，孔洞形狀的規則性與否取決于制備工藝。但孔洞形狀在某一截面上呈現出多邊形狀。為了使模型簡(jiǎn)化，可以把多邊形近似.