基于Ansys的铆钉冲压过程应力应变分析
研究生姓名：段晓溪 班 级：材加6班 学 号：S13085201001 指 导 教 师：高士友教授
燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 目录
第一章 研究任务简介 ..................................................................................................................... 2
1.1题目描述： ......................................................................................................................... 2 1.2题目分析： ......................................................................................................................... 2 第二章 建立模型 ............................................................................................................................. 3
2.1设定分析作业名和标题 ..................................................................................................... 3 2.2定义单元类型 ..................................................................................................................... 4 2.3定义实常数 ......................................................................................................................... 5 2.4定义材料属性 ..................................................................................................................... 6 2.5建立实体模型 ..................................................................................................................... 8 2.6对铆钉划分网格 ............................................................................................................... 12 第三章 定义边界条件并求解 ....................................................................................................... 13
3.1施加位移边界 ................................................................................................................... 13 3.2施加位移载荷并求解 ....................................................................................................... 14 第四章 查看结果 ........................................................................................................................... 15
4.1查看变形 ........................................................................................................................... 16 4.2查看应力 ........................................................................................................................... 17 4.3查看截面 ........................................................................................................................... 18 第5章 结 论 ........................................................................................................................... 19 第6章 参考文献 ........................................................................................................................... 19
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第一章 研究任务简介
1.1题目描述：
为了考察铆钉在冲压时，发生多大的变形，对铆钉进行分析。铆钉如图1.1所示。
基本参数： 铆钉圆柱高：10mm 铆钉下端球径：15mm 弹性模量：2.06E11 铆钉圆柱外径：6mm 泊松比：0.3 铆钉内孔孔径：3mm
图 1.1 铆钉
铆钉材料的应力应变关系如表1.1所示。
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表1.1 应力应变关系
应变 应力/Mpa 0.003 618 0.005 1128 0.007 1317 0.009 1466 0.011 1510 0.02 1600 0.2 1610 1.2题目分析：
塑性是一种在某种给定荷载下，材料永久产生变形的材料特性，对大多数的工程材料来说，当其应力低于比例极限时，应力—应变的关系是线性的。另外，大多数材料在应力低点屈服点时，表现弹性行为，也就是说，当移走荷载时，其
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由于材料的屈服点和比例极限相差极小，因此在ANYSYS程序中，假定他们是相同的。在应力—应变的曲线中，低于屈服点的叫做弹性部分，超过屈服点的叫做塑性部分，也叫作应变强化部分。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。
第二章 建立模型
建立模型包括设定分析作业名和标题；定义单元类型和时常数；定义材料属性；建立几何模型；划分有限元网格。其步骤如下：
2.1设定分析作业名和标题
在进行一个新的有限元分析时，通常需要修改数据库名，并在图形输出窗口中定义一个标题来说明当前进行的工作内容。另外，对于不同的分析范畴（结构点、热分析、流体分析、电磁场分析），ANSYS所用的主菜单的内容不尽相同，为此我们需要在分析开始时选定分析内容的范畴，以便ANSYS显示出与其相对应的菜单选项。
（1）、从实用菜单中选择Utility Menu ：File>Change Jobname 命令，将打开Change Jobname（修改文件名）对话框，如图2.1所示。
图 2.1 修改文件名对话框
（2）、在Enter new jobname（输入新的文件名）文本框中输入文字“miaoding”，为文本分析实例的数据库名称文件名。 （3）、单击OK按钮，完成文件名的修改。
（4）、从实用菜单中选择Utility Menu：File>Change Title 命令，将打开Change Title（修改标题）对话框，如图2.2所示。
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图 2.2 修改标题对话框
（5）、在Enter new title（输入新标题）文本框中输入文字“plastic analysis of a part”，为本分析的标题名。
（6）、单击OK按钮，完成对标题名的指定。
（7）、从实用菜单中选择Utility Menu ：Plot>Replot命令，指定的标题“plastic analysis of a part”将显示在图形窗口的左下角。
（8）、从实用菜单中选择Utility Menu：Preference命令，将打开Preference of GUI Filtreing（菜单过滤参数选择）对话框，如图2.3，选中Structural复选框，单击OK按钮确定。
图 2.3 菜单过滤参数选择
2．2定义单元类型
在进行有限元分析时，首先应根据分析问题的几何结构、分析类型、和所分析的问题精度要求等，选定适合具体分析的单元类型。本例中选用四节点四边形板单元SOLID45.SOLID45可用于计算三维应力问题[3]。 （1）、从主菜单中选择
Main Menu：Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，将打开
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 Elemengt Type（单元类型）对话框。
（2）、单击OK按钮，将打开Library of Element Type（单元类型库）。如图2.4所示。
图2.4 单元类型库对话框
（3）、然后在左边的类表框中选择Soild选项，选择实体单元类型。
（4）、在右边的类表框中选择SOLID45选项，选择八节点四面体单元SOLID45。 （5）、单击OK按钮，将SOLID45单元添加，并关闭单元类型对话框，同时返回到第（1）步打开的单元类型对话框，如图2.5所示。
图2.5 单元类型对话框
（6）、单击Close按钮，关闭单元类型对话框，结束单元类型的添加。
2.3定义实常数
要实例中选用三维的SOLID45单元，不需要设置时常数。
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 2.4定义材料属性
考虑应力分析中必须定义材料的弹性模量和泊松比，塑性问题中必须定义材料的应力应变关系。具体步骤如下：
（1）、从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor>Material Props>Materia Model命令，将打开Define Material Model Behavior（定义材料模型属性）窗口，如图2.6所示。
图2.6 定义材料模型属性窗口
（2）、依次双击Structural>Linear>Elastic>Isotropic，展开材料属性的树形结构。将1号打开材料的弹性模量EX和泊松比PRXY的定义对话框，如图2.7所示。
图2.7 线性各向同性材料的弹性模量和泊松比
（3）、在对话框EX文本框中输入弹性模量2.06e11，在PRXY文本框内输入泊松比0.3。
(4)、单击OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口，在此窗口的左边一栏出现刚刚定义的参号为1的材料属性。
（5）、依次双击Structural>Nonlinear>elastic>multilinear elastic,打开定义材料应力
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 应变对话框，如图2.8所示。
图2.8 定义应力应变关系
（6）、单击Add Point增加材料的关系点，分别输入材料的关系点，如图所示。还可以显示材料的曲线关系，点击Graph，在图形窗口中就会显示出来，如图2.9。
图 2.9 材料的应力应变曲线关系
（7）、单击OK按钮，关闭对话框，并返回到定义材料模型属性窗口。
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 （8）、在Define Material Model Behavior窗口中，从菜单选择Material>Exit命令，退出定义材料模型属性窗口，完成对材料模型属性的定义。
2.5建立实体模型
（1）、创建一个球
①从主菜单中选择
Main Menu：Preprocessor>Modeling>Creat>Volumes>Solid Sphere… ②在文本框中输入X=0，Y=3，Radius=7.5，单击OK，如图2.10所示。
（2）、将工作平面旋转90°
图 2.10 创建一个球 图2.11 旋转工作平面
①从应用菜单中选取Utility Menu：WorkPlane>Offset WP by Increments ②在XY,YZ,ZXAngles文本框中输入0,90，0，点击OK，如图2.11所示。 （3）、用工作平面分割球
①从主菜单中选择
Main Menu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Divide>Vou by WrkPlane
②选择刚刚建立的球，点击OK，如图2.12所示。
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图 2.12 选择球
（4）、删除上半球
①从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor>Modeling>Delete>Volu and Below。
②选择球的上半部分，点击OK，如图2.13所示。
图 2.13 删除体
（5）、创建一个圆柱体
①从主菜单中选取
Main Menu：Preprocessor>Modeling>Create>Cylinder>Solid Cylinder ②WP X输入0，WP Y输入0，Radius输入3，Depth输入-10，点击OK。生成一个圆柱体，如图2.14所示。
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图2.14 创建圆柱体 图2.15 偏移工作平面
（6）、偏移工作平面到总坐标系的某一点
①从应用菜单中选择Utility Menu：WorkPlane>Offset WP to>XYZ Locations+,如图2.15所示。
②在Global Cartesian文本框中输入0,10,0，点击OK。 （7）、创建另一个圆柱体
①从主菜单中选择Main Menu：Preprocessor>Creat>Cylinder>Solid Cylinder. ②WP X输入0，WP Y输入0，Radius输入1.5，Depth输入,4，点击OK。生成另一个圆柱体。
（8）、从大圆柱体中“减”去小圆柱体
①从主菜单中选取Main Menu：Preprocessor>Modeling>Operate>Subtract> Volumes+。
②拾取大圆柱体，作为布尔“减”操作的母体，单击Apply，如图2.16所示。
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图2.16 体相加 图2.17 体相减
③拾取刚刚建立的小圆柱体作为“减”去的对象，点击OK。 ④从大圆柱体中“减”去小圆柱体的结果如图所示。 （9）、从大圆柱体中“减”去小圆柱体的结果与下半球相加。
①从主菜单中选择
Main Menu：Preprocessor>Modeling>Operate>Booleans>Add>Volumes ②点击Pick All，如图2.17所示。 （10）、存储数据库ANSYS。拾取“SAVE_DB”
图2.18 体相减的结果
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 2.6对铆钉划分网格
选用SOLID45单元对盘面划分映射网格。
（1）、从主菜单中选取Main Menu：Preprocessor>Meshing>Mesh Tool命令，打开Mesh Tool（网格工具），如图2.19所示。
（2）、选择Mesh域中的Volumes，单击Mesh，打开面选择对话框，要求选择要划分得体。单击 Pick All按钮，如图2.20所示。
（3）、ANSYS会根据进行的控制划分体，划分过程中ANSYS会产生提示，如图所示，单击Close。
划分后的体，如图2.21所示。
图2.19 网格工具 图2.20进行体选择
图 2.21 对体划分的结果
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第三章 定义边界条件并求解
建立有限元模型后，就需要定义分析类型和施加边界条件及载荷，然后求解。本研究中，载荷为上圆环表面的位移载荷，位移边界条件是下半球面所有方向上的位移固定[4]。
3.1施加位移边界
（1）、从主菜单中选择
Main Menu:Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>on Areas命令，打开面选择对话框，要求选择欲施加位移约束的面，如图3.1所示。
图 3.1 选择半球面
（2）、选择下半球面，单击OK按钮，打开Apply U，Rot on Nodes（在节点上施加位移约束）对话框，如图3.2所示。
图 3.2 施加位移约束对话框
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（3）、选择ALL DOF（所有方向上的位移）。
（4）、单击OK按钮，ANSYS在选定面上施加指定的位移约束。
3.2施加位移载荷并求解
本例中载荷为上圆环表面的位移载荷。 （1）、从主菜单中选择
Main Menu:Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>on Areas命令，打开面选择对话框，要求选择欲施加位移约束的面。
（2）、选择上面的圆环面，单击OK按钮，打开Apply U，Rot on Nodes（在节点上施加位移约束）对话框，如图3.3所示。
图 3.3 选择上面的圆环
（3）、选择UY（Y方向上的位移），在Displacement value 文本框中输入3。 （4）、单击OK按钮，ANSYS在选定面上施加指定的位移载荷。 （5）、单击SAVE_DB按钮，保存数据库。
（6）、从主菜单中选择Main Menu:Solution>Analysis Type>Sol’n Controls,打开SolutionControls窗口，如图3.4所示。
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图 3.4 求解控制
（7）、在Basic选项卡中的Write Items to Results File 窗口中选择All solution items，下面的Frequency中选择Every substep。
（8）、在Time at end of load step处输入1；在Number of substeps处输入20；单击OK。
（9）、从主菜单中选择Main Menu：Solution>Solve>Current LS命令，打开一个确认对话框和状态列表，如图3.5所示，要求查看列出的求解选项。
图 3.5 求解当前载荷步确认对话框
（10）、查看列表中的信息无误后，单击OK按钮，开始求解。 （11）、求解完成后出现提示求解完成对话框“Sulition is done”。 （12）、单击Close按钮，关闭提示求解完成对话框。
第四章 查看结果
求解完成后，就可以利用ANSYS软件生产的结果文件（对于静力分析，就
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 是Jobname.RST）进行后处理。静力分析中通常通过POST1后处理器就可以处理和显示结果数据。
4.1查看变形
（1）、从主菜单中选择Main Menu：General Postproc>PlotResult>Contour Plot>Nodal Solu命令，将打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示结果数据）对话窗口，如图4.1所示。
图 4.1 等值线显示节点解数据对话框
（2）、在Item to be contoured（等值线显示结果项）域的左边的列表框中选择DOFsolution（自由度解）选项。
（3）、在右边的列表框中选择Translation UY（Y的位移）选项，Y向位移即为铆钉高度方向的位移。
（4）、选择Def+undef edge（变形后和未变形轮廓线）单选按钮。
（5）、单击OK按钮，在图形窗口中显示出变形图，包含变形前的轮廓线，如图4.2所示。图中下方的色谱表明不同颜色对应的数值（带符号）。
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图 4.2 Y向变形图
4.2查看应力
（1）、从主菜单中选择Main Menu：General Postproc>Plot Result>Contour Plot>Nodal Solu命令，将打开Contour Nodal Solution Data（等值线显示节点解数据）对话窗口，如图4.3所示。
图 4.3等值线显示节点解数据对话框
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燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 （2）、在Item to be contoured（等值线显示结果项）域的左边的列表框中选择Strain—total（应变）选项。
（3）、在右边的列表框中选择von Mises（von Mises应变）选项。 （4）、选择Def shape only（仅显示变形后模型）单选按钮。
（5）、单击OK按钮，图形窗口中显示出von Mises应变分布图，如图4.5所示。
图 4.5 von Mises 应变分布图
4.3查看截面
（1）、从应用菜单中选择 Utility Menu:PlotCtrls>style>Hidden Line 令，打开 Hidden—Line Options对话框，如图4.6
图 4.7 截面控制
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Option命
燕山大学研究生课程 CAD/CAE综合应用 （2）、在Type of Plot的左边的下拉列表框中选择Capprd hidden选项。 （3）、单击OK按钮，图形窗口中显示出截面上的分布图，如图4.7所示。
图4.7 截面上的分布图
第5章 结 论
利用有限元和相关有限元分析软件能有效的对铆钉冲压过程进行模拟仿真。从而可以减少试验费用，将为铆钉的动态设计、优化设计和可靠性设计打下新的基础。这样不仅能优化铆钉结构形状，还能优化铆钉材料和工艺，能实现铆钉结构、材料和工艺的创新设计。
第6章 参考文献
[1]许瑛,赵宇,聂媛,胡小平.自动铆接过程中铆钉变形的有限元分析[J].机械设计,2011,07:73-75.
[2]白玉峰,杜茂华,李露露.基于ANSYS/LS-DYNA的自冲铆接铆钉腿部尖端几何参数的优化[J].新技术新工艺,2011,07:45-47.
[3]段志东,张克华.ANSYS图形用户界面二次开发[J].兰州铁道学院学报,2002,01:44-46. [4]李艳,于克杰,李小雷.铆钉材料对铆接变形影响的有限元分析[J].机床与液压,2013,04:50-52.
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