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1、,Morfeo 多过程加工变形仿真技术,技术交流系列之-基于切削过程的物理仿真技术,内容提要 Morfeo仿真软件简介 传统过程仿真存在的局限 Morfeo软件的特点 仿真过程简介 结束语,航空领域客户,汽车制造业,铁路和造船业,重工业,能源,一、Morfeo软件简介-部分客户,一、Morfeo软件简介,设计,材料,AA5024 板材,前舱壁(FB) 起落架舱(LGB),减轻重量: 低密度,热成型,节约时间和成本: 无淬火 无应力消除 无时效处理,仿真,机加工,节约时间和成本: 减少变形 （降低残余应力）,仿真,加工挑战,一、Morfeo软件简介-完整的加工链模拟仿真,Morfeo model
2、 3D symmetry + clamping system 400,000 nodes (1,600,000 DOFs) Parallel simulation 32 processors Computation time: 2 hours,热成型,铣槽加工,夹具固定,铣槽加工完成,去掉夹具,前舱壁的加工 热成型-机加工 (链),一、Morfeo软件简介-完整的加工链模拟仿真,Morfeo model 3D symmetry + clamping system 400,000 nodes (1,600,000 DOFs) Parallel simulation 32 processors C
3、omputation time: 2 hours,一、Morfeo软件简介-完整的加工链模拟仿真,前舱壁的加工 热成型-机加工 (链),热成型,夹具固定,铣槽加工,铣槽加工完成,去掉夹具,机械加工的目标: 变形扭曲最小化 缩短加工时间 最大程度延长机床、工具寿命 国际标准代码兼容性的验证 Morfeo的专长是通过仿真对以下因素进行验证: 仿真机械加工顺序对零件变形的影响 仿真可获得加工后的形状/厚度 仿真过程可对零件夹具进行设置 原生支持多核计算，处理速度快，无需专门授权 仿真速度快，右下图所示零件机械加工变形仿真分析时间仅为2小时左右,输出,输入,输入,Morfeo,输出,一、Morfeo软
4、件简介-Morfeo的仿真优势,传统的有限元分析的局限： 预测变形扭曲的原因 (越来越多的复杂因素): 逆残留应力的释放 (锻造、铸造等) 刀具和工件的振动 (常说的物理现象) 夹具和刀具的转向力 加工过程中残余应力的减少 (局部作用),二、传统过程仿真存在的局限,在加工开始，无平衡等效的应力场 最大值.初始残余应力: 220 MPa,在加工结束时的变形、扭曲,传统的有限元分析的局限： 扭曲、变形的各种原因, 包括: 消除残余应力 加工过程的切削力作用 仿真必须正确的复制整个操作顺序，也就是说加工路径、加工顺序、加工次数、和材料去除的的位置等 必须用比较容易的方法，通过几何图形定义（包括参数）
5、：比如使用CATIA 从一个加工过程到另一个加工过程，自动转换程序 (输入变成输出，. ) 用初始状态定义所有路径，而且不能根据工件的变形而改变! 无法自动优化,二、传统过程仿真存在的局限,传统的有限元分析受到的限制: 工件的网格划分必须适合切削路径 (使用复杂的网格再划分技术) 多工序加工的主要问题:独立的确定之前操作的切削路径 (在初始刀路时工件在变形状态) 需要大量网格再划分 多次转换后变得更棘手,二、传统过程仿真存在的局限,优先次序,Machining simulation with Morfeo,预测: 残余应力造成的变形扭曲 加工过程中，刀具工件的振动 夹具和刀具产生的转向力 加工
6、导致的残余应力减少,关注: 最终产品形状及品质 生产优化 减少工业生产时间 为概念设计提供帮助,三、 Morfeo软件技术特点,三、Morfeo软件技术特点-多工序加工仿真,工件的网格划分适合切削路径 对于多工序加工的主要问题:确定与之前的操作无关的切削路径 (当刀具路径在初始状态时工件处于变形的结构) =需要大量的网格再划分 用商业有限元软件包处理两个工步之间的转换，会变得非常麻烦,5mm,0.3mm,1mm,0 mm,Morfeo 是首先在工业上应用 使用初始或变形网格划分，单独确定不同的切削路径。 用一个标注距离的界面来描绘路径，就是: the level-set (LS) LS（ le
7、vel-set）的数量是不受限制的 需要初始压力说明,三、Morfeo软件技术特点-多工序加工仿真,三、Morfeo软件技术特点-仿真过程简洁 输入 (所需信息) 加工前工件的几何图形 加工次序 (比如:切削面几何图形或机器的数字命令) 材料参数(杨氏模量, 泊松比) 残余应力场 (格式: Forge, Abaqus, ) 输出 变形云图(最终的几何形状) 残余应力场,四、仿真过程简介 用morfeo 建立仿真模型分两个阶段 第一阶段 预处理阶段 这个准备工作不在morfeoGUI用户界面里完成. 建好的几何模型和网格文件生成的切削路径和工件最终的设计模型的网格文件；Material材料参数（
8、属性）也准备好，包括残余应力 第二阶段 仿真项目创建及后处理阶段 在 morfeoGUI用户界面里完成. 载入工件网格文件 和制定的材料属性和残余应力 载入的切削路径（已制定好顺序的）的网格文件决定加工顺序 规定边界条件 在morfeoGUI用户界面开始仿真. 每一工序的加工操作的结果被输出 后处理从morfeoGUI用户界面导出,四、仿真过程简介-预处理阶段 这一阶段包含以下内容:,准备材料文件 准备切削路径的网格文件 准备工件的网格文件 准备残余应力场,以下操作可不在morfeo环境里完成 为了填写材料文件，需要文本编辑器 (比如vim, notepad等) 毛坯的几何建模和切削路径的几何
9、建模（一般用CatiaV5等） 网格文件的生成 (比如用CatiaV5/FMS-FMD, Gmsh). 残余应力场可由morfeo生成,四、仿真过程简介-材料预处理 在所有的加工过程中，假设加工模拟的材料是个向同性和线弹性的 .模型也是在恒温状态 因此只需要两个恒定的材料参数 弹性系数(E) 和泊松比 (v) 这两个参数被写入材料文件 用extension .mat 格式 语法描述见morfeo的使用手册第6章（材料）的介绍 .,alloy.mat,使用文本编辑器 (比如. vim, notepad)是为了填写所需的材料参数 语法描述在 morfeo 的手册文件里 保存格式是 extensio
10、n .mat 或 alloy.mat. 没有单位指定，值应该与 morfeoGUI 的一样(参看使用手册3.1章).,切削路径的 网格文件,Gmsh 网格化,切削路径的 STEP 文件,CAD 模型 切削路径的,四、仿真过程简介-切削路径预处理 根据最终的零件生成切削路径文件. 他们被网格化并以Gmsh本身的格式导出网格文件 .这里是用先进建模工具和 Gmsh.生成切削路径文件的流程 CAD 模型,最终零件的,切削路径的 网格划分文件,切削路径的网格文件必须遵循以下限制条件: (1) 三角形网格文件(2) 网格尺寸一致 (3) 方向一致(4) 每个切削加工对应单独的网格文件.,几何建模 3-4
11、小时,建立网格文件 1-2小时,Gmsh 转换 1小时,没有建立 网格文件 1小时,1-2小时,5-7小时,四、仿真过程简介-切削路径网格划分预处理 模拟加工需要每一道加工操作的网格文件 每个网格文件是要代表在相应的操作过程中去除材料的轮廓,以右边图形为例，在这个例子中, 操作是铣槽、钻孔和铣面请看插图,有五个槽被去除，11个钻孔和一个铣面,因此需要生成17个网格文件,网格划分时需遵循一下规则: 仅有统一的网格尺寸和方向的三角形元 每个网格文件对应每个加工工序 Gmsh 自己的格式或兼容的网格文件格式 (比如Nastran),四、仿真过程简介-残余应力场数据获取预处理 零件残余应力通常用钻孔或
12、X-射线法测量获得, 通过一个给定的应力的典型分布估计(定量数据)或通过超声波测得, 或从上一级的加工仿真获得（定量数据) 如果不考虑零件原始毛坯状态下下的初始应力，则初始应力场是以以夹具系统为基础确定的，对于本例来说，采用虎钳进行装夹，与源自成形过程的残余应力的影响相比较，这些应力被认为是可以忽略的,夹具图.,无论任何情况下, 残余应力作为一个文件必须提供，文件格式是Gmsh 的后处理格式extension .pos.,四、仿真过程简介-残余应力场数据获取预处理 残余应力可通过软件自带的编辑器输入各方向受力数据，也可通过模拟获得。 残余应力场可以打开, 形象化并且可以用Gmsh内置的后处理模
13、型修改,单轴抗压应力场的第二个轴向组件 (2.4-A)用 Gmsh (ToolsPluginsMathEval).直观的展示,米赛斯压力结果来自夹具系统的数值仿真 (2.4-B) 用Gmsh(ToolsPluginsSmooth)直观展示,受力数据输入,四、仿真过程简介-仿真项目创建及后处理阶段 这一阶段包含以下内容 :,初始化的制造加工文件 载入工件网格文件 设定材料性能 指明残余应力 载入切削路径网格文件 规定边界条件 所需的数据导出,1. 打开 morfeoGUI 点击Machining 1.点击 Component scale (global) 1. 命名一个加工和选取单位制 (参看
14、HelpUnit systems 的解释),1. 保存加工文件 (FileSave),1,4.1 建立模拟:初始值 2,3,4,4.2 建立模拟: 工件 2 1 1. 点击Workpiece 1.浏览文件载入工件网格文件并点击OK 网格文件取决于网格文件展示选项 (看 ToolsOptionsMeshVisibility)., ,命名 点击选 all 是为了指定整个网格文件的材料 浏览文件载入材料文件,4.3 建立模拟: 材料 1 2 1. 点击Assign Material（选定材料） 1. 指定材料并选定网格文件,材料区域被用红色标注, ,选择压力作为输入场 浏览文件载入压力文件 选择场的
15、网格文件匹配工件的网格文件，如果压力场文件在工件的网格文件里定义(比如 2.4-2 章节.). 保留它 unselected otherwise (比如 2.4-1 章节.) 点击 OK,4.4 建立模拟: 残余应力 2 1 1. 点击 Initial Conditions（初始条件） 1. 指明材料并指定它的网格文件, ,命名 浏览加载相适合的网格文件 如果需要，反转方向 点击 Add path （增加路径）为了定义下一个切削路径 并执行相同的操作步骤 点击 OK 完成,4.5 建立模拟: 切削路径 2 1 1. 点击 Define Cutting Paths（定义切削路径） 1. 指明一个
16、切削路径,当切削路径网格文件载入时，箭头表示它们的方向，方向必须 展示这个边将保留。如果需要，它可以是反向的,4.5 建立模拟: 切削路径 Orientation is inverted 片段展示工件（蓝色）和两个切削路径（红色） 铣面是第一道加工工步 相应的网格文件的定向是反向的， 没有展示出方块的底部部分 铣槽是第二道加工工序,定向方向不是反向的, ,命名 选择分析区域 选择方框和方框中心的坐标系 选择 Constant Fixation（固定恒定）和位移组件中心值 为这个边界条件选择 cutting paths切削路径是active活动的 点击增加BC（边界条件）并且执行相同的操作步骤
17、去定义另一个边界条件 点击OK完成,4.6 建立模拟: 边界条件 2 1 1. 点击 Boundary Conditions（边界条件） 1. 指明一个边界条件,第二个边界条件的定义工件的相对的边的一部分,4.6 建立模拟: 边界条件 Box for the first boundary condition defines a portion one side of the workpiece.,图示两个边界条件所有的自由度是约束在工件的两个相对的面的一部分，在切削加工期间他们是活跃的, ,场 格式,: 位移, 受力, 压力, 张力 : Paraview, Compressed binary压
18、缩的二进制码,频率 : 加工后的 Browse 浏览选择输出结果的目录 点击 OK完成,4.7 建立模拟: 输出 2 1 1. 点击 Export （输出） 1. 指定数据输出, 连同格式和频数,4.7 建立模拟: 总结,(4)残余应力场和切削路径网格文件,(1),(3),(4) 如图morfeoGUI 所示: (1) 工件和切削路径的网格文件 (2) 切削加工顺序 (3)为所有的切削加工激活边界条件,4. 8 展开仿真 2 1 3 1. 点击Check/write input (.dat) 1. 点击Run single process 1. 点击From registered proces
19、s 1. 点击Submit 4, ,浏览结果目录 打开 pvd 文件.每个切削加工有两个 pvd 文件 (变形前后的网格文件）,4.9. 后处理仿真结果 2 1 1.转换Processes （过程）到 Post-Processing（后处理） 1. 点击打开Paraview 软件中模拟的结果,Paraview 片段图最后一步的工件网格,五. 结束语,目前根据我们接触到的商品化物理仿真软件来看，Morfeo软件应该是第一个商品化的基于多过程加工变形仿真的物理仿真软件，而目前Third Wave System软件一直宣传的变形分析仿真模块DM到现在也没有正式发布；,根据软件厂商的介绍，该软件给我们的最大感受是其变形仿真过程不侧重具体材料的切除工艺或方法（勿论使用插铣、型腔铣还是电火花等方式），主要关注材料去除的区域与形状(宏观层面）。因此其计算速度快，能反映零件的整体变形趋势，可能更适合工程化应用； 由于目前还没有得到该软件的使用版本，后续我们将继续跟踪该软件的发展趋势，有机会请该软件的代理厂商为我们进行典型案例应用验证，目前处于接洽状态中。,