數值模擬在《材料成形工藝》課堂教學中的應用

趙新海 鄭超 劉雪梅 孫璐 陳茂愛 管延錦 趙國群

摘要：《材料成形工藝》是一門典型的工科課程，工藝或實驗存在高危難測等苦難。本文借助數值模擬的手段，探討其在教學過程中的具體應用。以一個V形自由彎曲為例，通過設置不同的寬厚比，研究板料寬度為板料彎曲應力應變分布的影響，總結其影響規律，并將最終的結果，以圖形，曲線，動畫等不同的形式應用到課堂的教學環節中，對于固化、加深學生理論知識的理解和掌握，促進教學效果和質量的提高，具有積極的作用。

關鍵詞：數值模擬;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的專業基礎課和重要核心課，主要包括材料的液態成形、塑性成形和連接成形三大部分的內容。著重于向學生傳授常見的各種材料成形工藝的特點、原理及應用，是學生學習專業知識、了解專業前景等的主干課程[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，學習彎曲過程中的應力應變分布等變形特點。但是，對于板料彎曲來說，由于彎曲內外側的受力和變形不同，同時又有窄板和寬板的區別，學生對于不同方向上的應力應變有一定的難度。然而，采用實驗的方法，耗時費力，而且整個實驗過程高危、難觀察、難測量，也不利于在課堂上進行講授，不利于學生對該部分內容的理解和掌握。

有限元數值模擬，將成形過程在計算機上再現，不僅可以精確的設置摩擦條件，確保在成形過程中的一致性，還可以以動畫、視頻的形式直觀的顯示成形過程中任意時刻的金屬充填及流動情況，還能夠給出成形過程中的應力、應變、溫度的分布狀態等，因此，將數值模擬技術引入到材料成型工藝課程的教學中，對于加深學生對于所講授工藝成形過程的理解和掌握，豐富課程的教學手段，提升教學效果，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，研究金屬在彎曲時的金屬流動情況。毛坯為矩形板料，板料長度10mm，厚度1mm，材料采用的是1035，r/t=1，建立的模型如圖1所示。

通過設置不同的板料寬度，研究板料寬度變化對金屬流動的影響。

3結果分析及討論

利用前面介紹的模型，分別設置了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

設置b/t=1，屬于窄板彎曲的范圍，模擬結果如圖2，圖3所示。

由圖2a可以看出，沿著板料長度方向（切向），彎曲的內測承受的是壓應變，說明板料是受壓的，而外側承受的是拉應變，說明板料是受拉的。圖2b給出的是沿著板料長度方向，板料的應力分布。由圖可以看出，板料的彎曲內測承受的是壓應力，而外側承受的是拉應力，正好可以解釋圖2a呈現的應變狀態。

圖3給出了沿著板料寬度方向的應力應變分布。從圖3a可以看出，窄板彎曲時，在板料的寬度方向，彎曲的內測呈現的是拉應變，發生的是伸長變形，同時，彎曲的外側呈現的是壓應變，發生的是壓縮變形，形狀則由原來的矩形變成了圖中所示的上寬下窄的形狀。而對于寬度方向的應力（圖3b），則整體上數值較小，可以近似認為是等于零。因此，對于窄板彎曲來說，是一個立體應變，平面應力的狀態，正好驗證了理論上的說法。

3.2寬板彎曲

設置b/t=5，屬于寬板彎曲的范圍，模擬結果如圖4，圖5所示。

圖4給出的是寬板彎曲切向的應力應變分布情況。和圖2可以得出相同的結論。沿著板料長度方向（切向），彎曲的內測承受的是壓應變（圖4a）和壓應力（圖4b），說明板料是受壓的，而外側承受的是拉應變（圖4a）和拉應力（圖4b），說明不管是窄板還是寬板彎曲，切向方向上的應力應變分布具有相同的變化規律。

圖5給出了寬板沿著板料寬度方向的應力應變分布。對比圖3可以發現，寬板時呈現除了不同的變化規律。從圖5a可以看出，寬板彎曲時，在板料的寬度方向，彎曲內外側的應變數值都很小，可以近似認為忽略，而同時，彎曲的外側承受的是拉應力，內測承受的是壓應力，因此，對于寬板彎曲來說，是一個立體應力，平面應變的狀態。另外，從圖中可以看出，截面的形狀基本上沒有發生變化，有力的證明了相關的解釋。

4結論

本文利用數值模擬的方法，通過設置不同的寬厚比，模擬得到了窄板彎曲和寬板彎曲時板料的受力變形分布形狀，獲得了板料寬度對彎曲成型的影響規律。不僅很好的解釋了工藝書上的理論，給理論知識的學習提供了有利的證明，而且獲得的結果，形象直觀、形式多樣，也可以輔助＼加深學生對課堂工藝內容的理解和掌握，對于提升課堂的教學效果和質量，具有積極的作用。

參考文獻：

[1]夏巨諶，張起勛，材料成形工藝，機械工業出版社，2017

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

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

作者簡介：

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教研項目【2019Y083，2019Y 088， 2020Y297】。

（山東大學材料科學與工程學院?山東濟南?250061）