1、摘要本论文主要是围绕扭转数值模拟展开，使用DEFORM-3D程序，对旋转过程进行了有限的模拟和研究。不同旋转速度对数值模拟结果的影响。首先对扭转数值模拟所用材料Q235进行了分析，查询相关文献得到了其本构方程和弹塑性相关参数，导入DEFORM-3D软件建立了Q235材料，丰富了软件材料库。其次建立了扭转仿真有限元模型，熟悉了DEFORM-3D有限元模拟软件的基本操作。最后，完成了扭转数值模拟，探究了不同旋转速度对模拟结果的影响。扭转中的旋转速度很大程度力影响着结果中速度流场、等效应力场、扭矩等方面。随旋转速度的增加，最大应力也随着增大；扭矩随着转速的增加而增加，而且会跟随着旋转速度的不断增强，
2、其材料流动速度也随着增大。关键词：Q235钢;DEFORM-3D;数值模拟；扭转ABSTRACTThis thesis mainly focuses on the torsion numerical simulation. The DEFORM-3D software is used to simulate the torsion process, and the effects of different rotation speeds on the numerical simulation results are explored.Firstly, the material Q235 use
3、d in torsional numerical simulation was analyzed. The constitutive equations and elastoplastic related parameters were obtained by querying the relevant literature. The Q235 material was established by DEFORM-3D software, which enriched the software material library.Secondly, the torsion simulation
4、finite element model is established, and the basic operation of DEFORM-3D finite element simulation software is familiar.Finally, the torsion numerical simulation was completed and the effects of different rotation speeds on the simulation results were explored. The rotational speed in the torsion g
5、reatly affects the velocity flow field, equivalent stress field, torque, etc. in the result. With the increase of the rotational speed, the maximum stress also increases; as the rotational speed increases, the torque also increases; as the rotational speed increases, the material flow velocity also
6、increases.Key words: Q235 steel; DEFORM-3D; numerical simulation; torsion目录字体加大摘要3ABSTRACT4第一章 引言61.1课题背景61.2扭转概述61.3扭转数值模拟国内外研究现状7第二章扭转有限元法92.1引言92.2 DEFORM-3D软件简介92.3有限元分析的实施步骤92.4 刚塑性有限元法102.5 Q235扭转有限元数值模拟102.4.1模型建立112.4.2参数确定11第三章 有限元模拟及结果分析143.1 DEFORM-3D前处理143.2仿真结果分析213.2.1不同扭转速度下的等效应力213.2
7、2扭矩-转角曲线分析223.2.3速度矢量分析243.3本章总结25第四章总结26致谢27参考文献28符号表30行间距1.5倍吧第一章 引 言1.1课题背景Q235 钢作为一种碳素结构钢，具有良好的韧性和强度，在建筑行业、桥梁工程、船舶工业等领域被广泛采用，在国防领域同样得到大量应用。在工业领域，各种强度问题是研究中必须考虑的，应变率效应同样是研究Q235 钢材力学性能不可忽视的问题。强度中的看见强度显得尤为重要，其测定方法通常是通过扭转实验的方法测得，这种方式得到的结果比较可靠，但是其制样过程和试验要求耗时，且要求高。基于此，本文拟采用数值模拟的方式模拟扭转试样的过程，研究其扭转过程中变形
8、过程，为实验研究打下基础。1.2扭转概述扭转是杆件变形的一种基本形式。在实际工程的数量也有相对较高的杠杆零件与扭转作为主要的变形,例如,杠杆的杠杆车辆方向盘,见图1.1(a),其中的两个极端的行动受到分别为力偶的力量对外轮和反应的机;图1.1 (b)显示了水轮机与发电机的主连接轴，其末端分别受叶片上的水力对和发电机的反力对的作用;图1.1 (c)显示了机器上的传输轴，它也受到一对活动力和一对扭曲轴的反力的作用，这样就会扭曲轴使其发生形变。（a）（b）（c）图1.1要图题这些机构的共同特点是,两双一样大小的力量,在相反的方向,和行动上垂直于轴杆的两端产生相对旋转状态的轴杆在任何两个部分的扭矩。这
9、种形式的变形被称为扭转变形(见图1.2)。一个主要基于扭转变形的直子叫做轴。如果横截面的部分是圆形的，它被称为圆形轴。图1.2放在图下面注意还要图题1.3扭转数值模拟国内外研究现状近年来，当地人和外国研究者通过数值的模拟动作，对逆转事实做出了重大的研究。就材料的组成方程而言，张元豪等1对Q235 钢板在高应变率下的抗侵彻性能进行了试验和数值仿真研究，研究了弹速、入射角、靶板厚度等对侵彻影响。张航2同3对Q235 钢在两相区的热轧进行了模拟研究，考虑了应变率的影响，利用Johnson-Cook 经验模型作为钢材的本构模型。陈俊岭等3与此同时，对Q235的机械性能进行了研究分析实验，不同的变形速度
10、表明，随着变形速度的增加，强度会增加，并且利用Cowper-Symonds 模型和Johnson-Cook 模型对试验结果进行验证。在实验研究方面，刘喜平在研究过程中发现铸铁杆是沿45斜截面的拉断,而Q235杆是沿横截面的切断,通过力学理论推导,加深初学者对这两种破坏形态的理解和认识4同上。力天震研究生了扭转硬化对Q235钢拉伸性能影响的实验研究，并进行了实验验证，实验结果表明,扭转硬化可以显著提高Q235钢的屈服极限,并保证材料的截面积几乎不发生变化.但是硬化会降低材料的塑性性能,其断后伸长率，断面收缩率均有所下降5同上。任尚坤等人6同上通过反复的加载以及放电，测量了表面固定点的磁感应强度与
11、不同扭矩下的低碳钢样品Q235的扭矩变化两者的相关联系。在数值模拟方面，宋明陆等人7同上在常温下对T2纯铜坯料进行了利用有限元素的变形三维软件进行了扭转挤压建模，并模拟了成形过程。分析了不同扭转速度对挤压制品的等效应变和温度的影响。进行了扭转挤压试验,将试验结果和仿真数值进行了对比。陈刚等人8同上我们用ls-dyna做了一个霍普金森倾斜度测试的数学模拟。通过使用数字模拟获得在波束上的受力信号，在波束上的信号按照回转盘数据处理方法得到测试材料的“拉应变曲线”，然后与输入关系进行比较，观察“真实”测试结果与数字结果之间的差异。对数值模拟结果进行了讨论，讨论了加载过程中压力的变形和均匀性，然后分析了
12、测试结果对测试壁厚和直径的影响。吕萌9同上通过DEFORM-3D一种高压扭转变形工艺的钛合金数值模拟是一种摩擦因子和变形温度对高压扭转变形工艺的影响的数值分析，通过断裂系数、等效应变、等效效应力、SURFA实现TC4钛合金。这种膨胀比、速度矢量分布和变异。廖戡武10同上等人以H65黄铜管材为例,对该工艺过程进行数值模拟,得到了在不同工艺参数条件下管材的塑性应变的变化情况。这对得出塑性应变累积量与晶粒尺寸细化程度的关系有利，能提高确定合理工艺参数的效率。第二章 扭转有限元法2.1 引言近年来，伴随着计算机技术的飞快发展，以及有限元计算软件的不断进步，有限元技术利用计算机把研究对象离散化，划分为许
13、多个细小的单元，在单元之间使用节点连接起来，利用数值分析的方法进行迭代求解，从而得到整体的变量场分布。在上世纪中期，学者们基于拉格朗日和牛顿等数值迭代方法，并应用到了计算机领域，此后，有限元方法被广泛用于连续体力学。塑性成形等方面。而有限元技术的成果应用，大大到低减少了研究时间，为生产研究缩短了工时，降低了生产成本。在塑性变形中，刚塑性有限元法最为常见，其应用范围也比较广泛。 2.2 DEFORM-3D软件简介对于DEFORM-3D而言，是一种有效处理三维金属流动问题的计算软件，此外该软件还能分析经过非常复的过程而产生的金属。该软件是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各种金属成
14、形过程中三维流动，提供有价值的工艺分析数据及有关成形过程在的的材料流动和温度流动11。DEFORM-3D是由SFTC（Science Forming Technology Corporation）企业研制的塑性成形软件。其前身为美国小林工作室研发的APLID软件。DEFORM-3D是集下料、热处理、机加工、成形与一体的有限元模拟系统12,13。DEFORM-3D具有强大的图形界面，其模块化让用户能直观第了解其功能。DEFORM-3D V11.3版本还推出DOE优化和材料material suit模块，其中DOE优化模块内置了正交优化算法，为用户提供简洁明了的图形化多工序优化，而material
15、 suit模则是帮助用户处理材料的实验数据，通过把实验测得的数据导入DEFORM-3D material suit模块，自动帮用户计算。同时还提供了3D几何操纵修正工具，这对于3D模拟过程极为重要。该软件的核心计算代码为经过处理后的拉格朗日函数，通过多次迭代计算可以得到较为精准的计算结果。该软件内置了大量的材料信息，其中包含了刚性、塑性以及弹塑性材料的主要参数。DEFORM-3D最大的特点就是自动网格重划分功能，根据用户自己设定网格重划分的临界值进行自动划分。该软件由于其优异的成形性，在世界范围内，被个高校、企业广泛使用。2.3有限元分析的实施步骤仿真系统的实现基础是有限元理论，通过一定的工艺
16、条件、图像分析技术等相关的理论以及技术分析，然后将其进行系统的组合以及分析，便实现了仿真运算，相关分析过程见下图2.1。图2.1有限元分析实施步骤2.4 刚塑性有限元法在上个世纪的七十年代左右，国外的专家第一次提出了基于有限元的刚塑性算法。它是把材料假设为刚塑性，即忽略弹性变形部分，能够把实际的工作参数经过处理得到有限元算法中的边值问题，主要通过变分原理，可以将耗率转分解为关于节点速度的函数方程，通过数值分析的寻优算法，整个计算求解过程需要满足平衡条件、体积不变的原则。刚塑性有限元法基本假设：1.坯料体积不发生改变。在成形过程中，由于温度引起的密度变化而产生体积的改变，在与与塑性变形量相比之下
17、忽略其影响。2.模具在工作过程中假设为刚性，没有产生变形。3.在成形过程中只有坯料的塑性变形。4.连续性假设。5.坯料的变形是由外在作用力产生的，其没有体积力的作用。2.5 这里题2.5，下面为什么2.4.1和2.4.2Q235扭转有限元数值模拟本文的研究对象为Q235钢，这种型号的钢材在建筑行业、桥梁隧道中得到广泛的使用。此外，钢构厂房、钢构桥梁、高压电缆塔、汽车制造中对于Q235这种性能不太高的钢材也有大量的需求量。另外，可以将Q235钢进行淬火处理后直接用于冲头，这种材料制成的冲头具有不易碎裂的优点。本文研究对象为标准扭转试样，其零件图如图2.2所示。图2.2 试样零件图2.4.1模型
18、建立利用UG建模软件对扭转试样按图2.2进行建模，模型分为 3 个部分：上模、下模、坯料。模具之间的装配图如图 2.3 所示，其中上下模的外径为35mm，高度为30mm，夹住试样部分长度为20mm。三维模型建好以后，以STL格式文件导出，再将STL格式文件导入DEFORM-3D软件中进行仿真。图2.3模具装配图2.4.2参数确定本论文数值模拟所用材料为Q235，由于DEFORM-3D软件材料库中没有Q235材料参数，需要通过查阅文献确定扭转有限元模拟所需的材料参数。1.Q235材料参数（1）塑性参数流动应力曲线，用于扭转模拟材料参数的核心，此曲线表征了变形过程中应变强化、温度、应变速率强化对应
19、力的影响。在挤压成形过程中，其材料塑性变形流动应力的大小由材料的各元素成分含量、加工历史、热处理工艺、挤压温度、应变和变形速度等因素决定15,16上表。其一般表达式为 （2.1）式中：为流动应力；为等效塑形应变；为等效应变速率；为材料常数；为应变指数；为应变速率指数；为起始屈服值；为变形温度。国内外学者针对Q235材料自身结构和力学性能，通过大量研究和试验获得了MTS 模型等。由于其考虑了温度、应变、应变速率的影响， Johnson-Cook 模型被广泛使用。由于扭转试验是在室温下精细的，属于准静态过程，所以只考虑了应变率效应、应变硬化的影响，温度忽略不计。Johnson-Cook 强度模型表
20、达式为: （2.2）式中： -流变应力， -等效应变， -应变速率， -参考应变速率， -试样温度， -参考实验温度， -熔点。 -室温； -材料屈服应力， -应变强化数， -应变强化指数， -应变速率强化系数， -温度软化指数。由文献17上标王玉凯等人建立的J-C本构模型如下式2.3所示 （2.3）屈服准则，对于塑性材料而言，在一定的应力条件下，材料上的某一处首先达到弹性应力极限，随后进入塑性状态，进入塑性状态后该区域应力不能提高，而区域周围的部位应力持续提高，相继进入了塑性阶段Mises屈服准则（能量准则）表达式为 （2.4）式中、为主应力，为流动应力。（2）弹性参数弹性模量： 泊松比：
21、剪切模量： （3）其他参数密度： 2.工艺参数论文设计的旋转线速度五组，如表2.1所示 添加“表2.1 线速度” 其他表也要表题，且用三线表，不懂三线表，请问1班同学编号12345线速度（mm/min）0.050.10.30.51表2.1 扭转线速度前面怎么空那么多，注意这段整体迁移排版由于DEFORM-3D软件里使用的单位为角速度，需要对参数进行转换。其中角速度可以转换为线速度，相关过的转换公式见式（2.5）， （2.5）式中： 为角速度（单位： ），为线速度 （单位： ）。由式（2.5）得 （2.6）上摸的半径为17.5mm，当线速度为0.05mm/s时，代入式（2.6）得通过计算得到每组
22、相应的角速度如表2.2所示。编号12345角速度（rad/s）0.002850.00570.01710.028570.057第三章 有限元模拟及结果分析 技术路线如图3.1所示图3.1 扭转数值模拟技术路线3.1 DEFORM-3D前处理以第五组角速度0.057为例，其他几组只需改变上下模的选择速度。前处理步骤如下所示：1.创建扭转仿真问题首先双击DEFORM-3D软件进去软件界面，然后单击新建一个项目，在弹出对话窗口中点击，在接下来的对话框中单击按钮，在下一个界面输入问题名称（Problem name）Torsion Simulation，如图3.2所示，单击按钮，就进入前处理模块。图3.2
23、创建扭转仿真问题2.设置坯料（1）单击按钮，名称采用默认值为Workpiece，类型（Object Type）也可以不用改变，仍然使用默认值，温度设置为800。（2）单击按钮，打开材料定义窗口，点击按钮新建材料，命名为Q235，输入2.4.2节中各项材料参数，材料的相关资料导入成功，并选择具体的坯料，详见图3.3。图3.3 定义材料（3）在前处理的物体操作窗口中单击按钮，然后单击然后在对话窗口中点击通过建模导出的数据文件，详见下图3.4。图3.4 毛坯几何（4）单击按钮，进行几何检查。3.坯料划分网格在Objects窗口中，选中物体Workpiece，单击后，系统弹出网格划分界面，然后单击选择
24、绝对划分方式，其中将Size Ratio的值设为1，网格最小尺寸设为1.5，详细过程见图3.5。图3.5 网格划分4.上摸设置（1）导入几何在前处理控制对话窗口中点击，并弹出物体选择界面，在该界面中列表多出一个名为Top Die的物体阐述输入界面；基本属性保持默认，其中温度问80（模具预热温度）；扭转实验是常温，这里怎么是80？在当前选择默认Top Die物体的情况下，直接点击按钮，然后点击导入上摸。，如图3.6所示。图3.6导入上摸几何（2）运动设置单击按钮进入运动窗口设置，选择按钮，角速度为0.057rad/s，旋转中心轴为Z轴，如图3.7所示。图3.7 上摸运动设置5.设置下摸（1）同步
25、骤4（1）,结果如图3.8所示。图3.8 导入下摸（2）设置运动参数，步骤同4（2），下摸的旋转速度与上摸相反为-0.057 rad/s，如图3.9所示。图3.9 下摸旋转参数设置6.定义接触关系（1） 单击按钮，并在弹出的对话窗口中显示出了两组关系，详见下图3.10图3.10 接触关系（2） 把两组接触关系将勾选上，此处是将上摸和试件固定到一起。点击按钮生成接触关系。如图3.11所示。图3.11接触关系7.检查生成DB文件单击即弹出databaseGeneration（数据库生成）的界面。然后单击对话框中的“check”。在自检完毕之后如提示允许生成，则可单击Generate，生成新建的DB
26、文件。界面见图3.12。 图3.12 检查生成DB文件图中为什么1和2,1和3的接触摩擦是0？3.2仿真结果分析3.2.1 不同扭转速度下的等效应力请把下图中（a）（b）等放在对应图下方中间，其他注意也修改在完成前处理相关参数设置后，提交FEM求解器计算，得到了扭转试样的整个变形过程，包括弹性、塑性阶段。图3.13（a-e）分别旋转速度为0.05mm/min, 0.1mm/min, 0.3mm/min, 0.5mm/min, 1mm/min时的等效应力云图，图3.13（f）为扭转初始阶段的等效应力云图。从图中可以看出工件有在扭转力矩的作用下明图3.13 等效应力云图显的扭转痕迹，在扭转开始时刻
27、由于夹头的作用，使得试样两端最先发生弹性变形，在达到最大值时，其力矩传到中部，如图3.13（f）所示。随着扭转角度的增大，其变形也越来越严重，此时最大应力发生在试样中部。随旋转速度的增加，最大应力也随着增大。3.2.2扭矩-转角曲线分析（a）图3.14（a-e）为不同扭转速度下的扭矩-转角曲线。由图3.14（a）可知，当转速为0.02857rad/s时，其弹性阶段的角度很小，扭矩迅速上升，到达了13000N-mm，从弹性阶段过渡到稳定塑性变形阶段，其扭矩稳定在14000N-mm左右。当转速为0.057rad/s时，稳定塑性变形的扭矩达到了29000N-mm。但是当w=0.0171rad/s时
28、有一段不和常理的峰值扭矩，主要是由于试样头部的原因导致。从图3.14（a-e）可以得出，随着旋转速度的增加，其扭矩也随着增大。图3.14 不同扭转速度下的扭矩-旋转角曲线3.2.3速度矢量分析图3.16（a-e）分别为旋转速度为0.05mm/min, 0.1mm/min, 0.3mm/min, 0.5mm/min, 1mm/min时的试样总体速度矢量图。可图中可以看出，旋转速度对试样总体速度矢量有着很大的影响。旋转速度较小时，从图（a、b）中可知，材料流动速度最大处在试样端部；当旋转速度增大到0.0171rad/s时，其速度矢量最小处在中间部分，由于两端收到大小相等，方向相反的扭矩作用。随着
29、旋转速度的增大，其材料流动速度也随着增大。图3.16 不同旋转速度下的速度矢量3.3本章总结熟悉了DEFORM-3D软件前处理的基本操作，并完成了扭转数值模拟的整个过程，导入了Q235材料，丰富了软件的材料库。通过DEFORM-3D有限元数值模拟软件的后处理模块对在不同扭转速度下扭转过程进行了分析，结果如下：（1）随旋转速度的增加，最大应力也随着增大。（2）随着旋转速度的增加，其扭矩也随着增大。（3）随着旋转速度的增大，其材料流动速度也随着增大。第四章 总结本论文主要是围绕扭转数值模拟展开，利用DEFORM-3D软件对扭转过程进行了有限元模拟，并探究了不同旋转速度对数值模拟结果的影响，其主要结
30、果如下：（1）准确的描述变形材料是整个有限元数值模拟仿真的基础，通过研究并查询Q235材料在扭转过程中所需的弹塑性相关参数。为利用数值模拟软件DEFORM模拟扭转过程提供了可靠的数据参考。（2）建立了扭转有限元模型。通过UG三维建模软件建立几何模型，再导出TSL格式文件，导入DEFORM-3D软件进行数值模拟。（3）熟悉了DEFORM-3D有限元模拟软件的基本操作，并完成了扭转数值模拟，探究了不同旋转速度对模拟结果的影响。扭转中的旋转速度很大程度力影响着结果中速度流场、等效应力场、扭矩等方面。随旋转速度的增加，最大应力也随着增大；随着旋转速度的增加，其扭矩也随着增大；随着旋转速度的增大，其材料
31、流动速度也随着增大。致谢在翁老师的耐心指导下，我得以顺利完成了此篇论文的写作。翁老师具备细致的学术精神、耐心的工作理念、渊博的知识储备、平易近人的沟通方式，这些都对我产生了很大的影响。使我确定了写作目标，掌握了研究方法，而且有序地完成了所有的论文工作。无论是论文题目的确定、思路的拟定、以及论文的写作，所有步骤都离不开导师的帮助，耗费了导师很多的精力，在这里我要向我的翁老师表达最真挚的谢意。本次毕业论文得以顺利完成，除了要感谢我的翁老师外，还要感谢我的同学，感谢同学对我论文的帮助，无论在开题阶段还是写作阶段，在与同学的讨论中对论文的写作思路有了进一步的理解。最后，我要对本专业的全体老师表示由衷的
32、感谢，非常感谢对我指导，是我能够顺利毕业，登上新的平台。参考文献1 张元豪，陈长海，朱锡Q235 钢板对高速弹的抗侵彻特性研究J.舰船科学技术，2017，39 ( 2) : 38542 张航.Q235钢在两相区的热轧模拟研究D.重庆: 重庆大学，20143 陈俊岭，舒文雅，李金成.Q235 钢材在不同应变率下力学性能的试验研究J.同济大学学报( 自然科学版) ，2016，44 ( 7) : 1071-10754 刘喜平.扭转作用下圆截面铸铁杆和Q235杆的破坏形态分析J.福建建筑,2010(01):54-55.5 力天震. 扭转硬化对Q235钢拉伸性能影响的实验研究A. 中国力学学会、上海交通
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