數(shù)值模擬在《材料成形工藝》課堂教學(xué)中的應(yīng)用

趙新海 鄭超 劉雪梅 孫璐 陳茂愛 管延錦 趙國(guó)群

摘要：《材料成形工藝》是一門典型的工科課程，工藝或?qū)嶒?yàn)存在高危難測(cè)等苦難。本文借助數(shù)值模擬的手段，探討其在教學(xué)過程中的具體應(yīng)用。以一個(gè)V形自由彎曲為例，通過設(shè)置不同的寬厚比，研究板料寬度為板料彎曲應(yīng)力應(yīng)變分布的影響，總結(jié)其影響規(guī)律，并將最終的結(jié)果，以圖形，曲線，動(dòng)畫等不同的形式應(yīng)用到課堂的教學(xué)環(huán)節(jié)中，對(duì)于固化、加深學(xué)生理論知識(shí)的理解和掌握，促進(jìn)教學(xué)效果和質(zhì)量的提高，具有積極的作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬;材料成形工藝;彎曲

1前言

《材料成形工藝》是材料成形及控制工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課和重要核心課，主要包括材料的液態(tài)成形、塑性成形和連接成形三大部分的內(nèi)容。著重于向?qū)W生傳授常見的各種材料成形工藝的特點(diǎn)、原理及應(yīng)用，是學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)、了解專業(yè)前景等的主干課程[1，2]。

板料彎曲，是把板料、管材或型材等彎成一定曲率或角度，并得到一定形狀零件的沖壓工序，是一種常見且應(yīng)用廣泛的塑性成形工藝。在材料成形工藝課程中，主要是以板料的彎曲為重點(diǎn)，學(xué)習(xí)彎曲過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布等變形特點(diǎn)。但是，對(duì)于板料彎曲來說，由于彎曲內(nèi)外側(cè)的受力和變形不同，同時(shí)又有窄板和寬板的區(qū)別，學(xué)生對(duì)于不同方向上的應(yīng)力應(yīng)變有一定的難度。然而，采用實(shí)驗(yàn)的方法，耗時(shí)費(fèi)力，而且整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程高危、難觀察、難測(cè)量，也不利于在課堂上進(jìn)行講授，不利于學(xué)生對(duì)該部分內(nèi)容的理解和掌握。

有限元數(shù)值模擬，將成形過程在計(jì)算機(jī)上再現(xiàn)，不僅可以精確的設(shè)置摩擦條件，確保在成形過程中的一致性，還可以以動(dòng)畫、視頻的形式直觀的顯示成形過程中任意時(shí)刻的金屬充填及流動(dòng)情況，還能夠給出成形過程中的應(yīng)力、應(yīng)變、溫度的分布狀態(tài)等，因此，將數(shù)值模擬技術(shù)引入到材料成型工藝課程的教學(xué)中，對(duì)于加深學(xué)生對(duì)于所講授工藝成形過程的理解和掌握，豐富課程的教學(xué)手段，提升教學(xué)效果，具有積極的作用[3]。

2有限元模型

本文中以平板V形自由彎曲為例，研究金屬在彎曲時(shí)的金屬流動(dòng)情況。毛坯為矩形板料，板料長(zhǎng)度10mm，厚度1mm，材料采用的是1035，r/t=1，建立的模型如圖1所示。

通過設(shè)置不同的板料寬度，研究板料寬度變化對(duì)金屬流動(dòng)的影響。

3結(jié)果分析及討論

利用前面介紹的模型，分別設(shè)置了b/t=1和b/t=5兩種情況研究板料的受力及變形情況。

3.1窄板彎曲

設(shè)置b/t=1，屬于窄板彎曲的范圍，模擬結(jié)果如圖2，圖3所示。

由圖2a可以看出，沿著板料長(zhǎng)度方向（切向），彎曲的內(nèi)測(cè)承受的是壓應(yīng)變，說明板料是受壓的，而外側(cè)承受的是拉應(yīng)變，說明板料是受拉的。圖2b給出的是沿著板料長(zhǎng)度方向，板料的應(yīng)力分布。由圖可以看出，板料的彎曲內(nèi)測(cè)承受的是壓應(yīng)力，而外側(cè)承受的是拉應(yīng)力，正好可以解釋圖2a呈現(xiàn)的應(yīng)變狀態(tài)。

圖3給出了沿著板料寬度方向的應(yīng)力應(yīng)變分布。從圖3a可以看出，窄板彎曲時(shí)，在板料的寬度方向，彎曲的內(nèi)測(cè)呈現(xiàn)的是拉應(yīng)變，發(fā)生的是伸長(zhǎng)變形，同時(shí)，彎曲的外側(cè)呈現(xiàn)的是壓應(yīng)變，發(fā)生的是壓縮變形，形狀則由原來的矩形變成了圖中所示的上寬下窄的形狀。而對(duì)于寬度方向的應(yīng)力（圖3b），則整體上數(shù)值較小，可以近似認(rèn)為是等于零。因此，對(duì)于窄板彎曲來說，是一個(gè)立體應(yīng)變，平面應(yīng)力的狀態(tài)，正好驗(yàn)證了理論上的說法。

3.2寬板彎曲

設(shè)置b/t=5，屬于寬板彎曲的范圍，模擬結(jié)果如圖4，圖5所示。

圖4給出的是寬板彎曲切向的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。和圖2可以得出相同的結(jié)論。沿著板料長(zhǎng)度方向（切向），彎曲的內(nèi)測(cè)承受的是壓應(yīng)變（圖4a）和壓應(yīng)力（圖4b），說明板料是受壓的，而外側(cè)承受的是拉應(yīng)變（圖4a）和拉應(yīng)力（圖4b），說明不管是窄板還是寬板彎曲，切向方向上的應(yīng)力應(yīng)變分布具有相同的變化規(guī)律。

圖5給出了寬板沿著板料寬度方向的應(yīng)力應(yīng)變分布。對(duì)比圖3可以發(fā)現(xiàn)，寬板時(shí)呈現(xiàn)除了不同的變化規(guī)律。從圖5a可以看出，寬板彎曲時(shí)，在板料的寬度方向，彎曲內(nèi)外側(cè)的應(yīng)變數(shù)值都很小，可以近似認(rèn)為忽略，而同時(shí)，彎曲的外側(cè)承受的是拉應(yīng)力，內(nèi)測(cè)承受的是壓應(yīng)力，因此，對(duì)于寬板彎曲來說，是一個(gè)立體應(yīng)力，平面應(yīng)變的狀態(tài)。另外，從圖中可以看出，截面的形狀基本上沒有發(fā)生變化，有力的證明了相關(guān)的解釋。

4結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬的方法，通過設(shè)置不同的寬厚比，模擬得到了窄板彎曲和寬板彎曲時(shí)板料的受力變形分布形狀，獲得了板料寬度對(duì)彎曲成型的影響規(guī)律。不僅很好的解釋了工藝書上的理論，給理論知識(shí)的學(xué)習(xí)提供了有利的證明，而且獲得的結(jié)果，形象直觀、形式多樣，也可以輔助＼加深學(xué)生對(duì)課堂工藝內(nèi)容的理解和掌握，對(duì)于提升課堂的教學(xué)效果和質(zhì)量，具有積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏巨諶，張起勛，材料成形工藝，機(jī)械工業(yè)出版社，2017

[2]趙新海，劉雪梅，孫璐，《材料成形工藝》課程教學(xué)課程思政的應(yīng)用探討，教育研究，2020，2（3），121

[3]孔凡新，金屬塑性成型CAE技術(shù)dynaform及deform電子工業(yè)出版社，2018

作者簡(jiǎn)介：

趙新海（1973.05-），男，漢族，山東濱州人，副教授，博士，主要從事金屬塑性成形工藝及數(shù)值模擬、工程倫理教育等方面的研究。

本研究部分資助于山東大學(xué)教研項(xiàng)目【2019Y083，2019Y 088， 2020Y297】。

（山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院?山東濟(jì)南?250061）