无网格法及其在金属塑性成形中的应用

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金属塑性成形技术在机械产品制造过程中起着至关重要的作用,它不仅具有高效、稳定以及节材的特点,并且能有效地改善工件的组织性能。随着数值计算方法与计算机技术的不断发展,有限元模拟技术已经在金属塑性成形分析中取得了广泛的应用。但是金属塑性成形是一个非常复杂的物理过程,而有限元法是-种基于网格的数值方法。当工件变形达到一定程度时,有限元网格将产生畸变,严重影响计算精度,甚至导致计算终止,因此必须进行网格重划分处理。而网格重划分不仅耗时,降低计算精度,而且在三维问题中的实现非常困难。为了解决传统有限元法在大变形问题分析中的缺陷,提出了一种新的数值方法,即无网格法。该方法只需节点信息以及边界条件的描述,因此可以彻底消除或部分消除网格信息,避免了网格畸变的问题,在大变形问题分析以及三维计算中具有广阔的应用前景。作为一种新颖的数值方法,无网格法在理论研究和工程应用领域还很不成熟,因此本文结合现有的文献,对无网格法理论进行了研究,并对无网格法在金属塑性成形中的应用做了一些有效的探索,主要研究内容如下:首先,介绍了无网格法的发展历史与国内外研究现状,总结了无网格法的特点、优越性以及目前存在的难点和问题。其次,对无网格法的关键技术进行了系统地阐述,利用FORTRAN语言编写了径向基点插值法(RPIM)和伽辽金无网格法(EFGM)的计算程序,并以二维悬臂梁作为研究对象,分析了形状系数、节点影响域、权函数以及高斯积分阶数等参数对这两种无网格法计算精度的影响,并确定了最佳的参数范围,为以后的理论分析提供了依据。然后,详细介绍了金属弹塑性理论知识,将无网格伽辽金法引入到该理论中,建立了弹塑性无网格法,并利用Taylor杆高速碰撞实验验证了弹塑性无网格法的准确性,结果显示,当影响域尺寸较大时,无网格法的计算精度要比有限元高。最后,利用所建立的弹塑性无网格法对圆柱体镦粗和H型钢轧制成形进行分析,并同有限元模拟过程进行了对比,结果表明,当变形量较小时,无网格法与有限元仿真结果非常接近;随着变形量地不断增加,有限元网格畸变严重,计算误差较大,而无网格法的节点分布仍然很均匀,应力应变分布非常光滑,体现了无网格法在大变形中的优越性。
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