熱變形分析的案例
壓鑄模熱變形分析
壓鑄模熱變形分析
壓鑄以及金屬型重力鑄造，在生產中，受到了周期性的溫度載荷。模具變形主要是脹型力與熱載荷的共同作用，分析模具的熱變形，就需要將兩者結合起來進行分析，以發現模具在使用過程中的變形趨勢。
多年來，由于模流軟件，主要關注金屬液的充型與凝固過程，而對于模具，分析的最多只是循環過程中獲得的穩態溫度場。Cast-Designer v7.5 去年推出全新模塊CDPE，全稱（Cast-Designer Performance）。該模塊采用了固體力學的三維非線性有限元求解器。經過一年的應用，CDPE的分析對象從鑄件，延伸到了模具和后加工過程的力學分析。
模具結構與熱成像結果
利用結構力學分析軟件，分析模具熱變形，顯示模具張開量達到0.3mm
缺陷：
模具熱變形，產生的缺陷很多。1）飛邊，2）模具錯位影響壓鑄件精度，3）后加工量增加，4）還有可能出現導柱與導套、側抽芯與滑塊、推出機構運動零件“卡滯”現象，4）模具熱變形還會使模具在熱態出現“噴料”，無法保證壓鑄件的內部質量。
工程應用：
今天，C3P Cast-Designer CDPE，不僅只有充型凝固，還能結合完整的周期，分析模具熱變形。而且全面支持六面體元素，網格劃分非常簡單，一鍵生成。
以下金屬型重力鑄造案例：
可見在俯視方向，中部變形量約為3mm
側視方向，變形量約為1.5mm
四缸發動機壓鑄件，模具熱變形分析：
整體模具結構
左側為模具熱變形量
右側為等效應力結果
對于CDPE，有很多的意想不到的延伸應用。不知道是否算“前沿應用”，僅供有需求的朋友們參考。
展開 基于ProE平臺下的機械密封熱變形分析
基于ProE平臺下的機械密封熱變形分析
『分享』基于ProE平臺下的機械密封熱變形分析
基于ProE平臺下的機械密封熱變形分析
案例分享 | 如何減少輪胎胎面模具在增材制造過程中的熱變形？
借助CAE軟件，我們可以模擬和預測3D打印工藝鏈中產生的變形和殘余應力，工藝包括增材過程、熱處理、線切割和熱等靜壓（HIP）。然后可以根據仿真結果來調整工藝過程和設計參數，使制造商能夠“一次就打印成功”。
因此，我們開始決定使用仿真分析軟件所能夠實現的變形補償方法，來修正用于3D打印的復雜胎面設模具，同時減少了使用傳統方法生產的有缺陷胎面輪胎的數量。
02
金屬3D打印工藝仿真
考慮到熱變形在金屬增材制造過程中的重要性，我們使用Hexagon的Simufact Additive軟件對輪胎模具的變形問題進行反變形補償分析，對3D金屬打印的粉床熔融（PBF）方法進行了研究、檢查和優化。
后續還分析了3D打印仿真輸出的應力和變形，并進行了強度和疲勞的仿真分析。
我們開始先制定了一種借助3D打印工藝仿真預測輪胎模具變形的方法。
首先，在對要打印的尺寸的輪胎模具進行建模之后，輸入相關的
3
D打印參數和材料。
接下來，我們在合適的金屬3D打印設備參數下進行了試樣塊的打印，并測量出試樣塊的特定變形量，并將其應用于仿真分析。然后，通過輸入最佳工藝參數進行仿真的對標。最后，使用對標好的參數進行了模具的打印仿真，并得到模具熱變形的程度。
03
仿真設置
我們使用宏觀力學算法來提高速度，并通過對標特定的變形量（也稱為固有應變）來確保精度。
展開 
案例分享 | 如何減少輪胎胎面模具在增材制造過程中的熱變形？
借助CAE軟件，我們可以模擬和預測3D打印工藝鏈中產生的變形和殘余應力，工藝包括增材過程、熱處理、線切割和熱等靜壓（HIP）。然后可以根據仿真結果來調整工藝過程和設計參數，使制造商能夠“一次就打印成功”。
因此，我們開始決定使用仿真分析軟件所能夠實現的變形補償方法，來修正用于3D打印的復雜胎面設模具，同時減少了使用傳統方法生產的有缺陷胎面輪胎的數量。
02
金屬3D打印工藝仿真
考慮到熱變形在金屬增材制造過程中的重要性，我們使用Hexagon的Simufact Additive軟件對輪胎模具的變形問題進行反變形補償分析，對3D金屬打印的粉床熔融（PBF）方法進行了研究、檢查和優化。
后續還分析了3D打印仿真輸出的應力和變形，并進行了強度和疲勞的仿真分析。
我們開始先制定了一種借助3D打印工藝仿真預測輪胎模具變形的方法。
首先，在對要打印的尺寸的輪胎模具進行建模之后，輸入相關的
3
D打印參數和材料。
接下來，我們在合適的金屬3D打印設備參數下進行了試樣塊的打印，并測量出試樣塊的特定變形量，并將其應用于仿真分析。然后，通過輸入最佳工藝參數進行仿真的對標。最后，使用對標好的參數進行了模具的打印仿真，并得到模具熱變形的程度。
03
仿真設置
我們使用宏觀力學算法來提高速度，并通過對標特定的變形量（也稱為固有應變）來確保精度。
展開 針對某袋除塵器整體進行ABAQUS有限元分析，考慮九項載荷工況，分析設備靜應力、熱應力、變形及熱膨脹數值 ￥15
某袋除塵殼體結構選型如下：
箱體板厚5mm
箱體角柱：角鋼L90*56*8
箱體加強筋：角鋼L90*56*6
花板厚6mm
花板下加強筋：橫向為扁鋼80*6，縱向為扁鋼100*6
箱體中間支撐管：鋼管Φ60*5
圖1 袋除塵殼體結構示意圖
2、 建立模型
按照殼體結構示意圖建立幾何模型如圖2所示。
圖2 建立幾何模型
三、約束條件及載荷
立柱底部約束如圖3所示。
圖3 立柱底部邊界約束
載荷：
（1）自重（軟件考慮）；
（2） 頂部載荷：檢修載（按400kg/m2）；
（3） 花板處載荷：濾袋、濾籠、濾袋積灰（積灰厚度按5mm）共3.06t；
（4） 灰斗積灰重：滿灰9.6t；
（5） 保溫載荷：按25kg/m2；
（6） 負壓11000Pa或正壓8000Pa兩種工況分別施加；
（7） 煙道及檢修平臺載荷：上煙道（出氣端）900kg，下煙道（進氣端）
400kg，上中下三層檢修平臺檢修載荷均為400×2.85×3.25=3705kg。
注：此項載荷殼體和鋼支架各占一半。
（8） 灰斗卸灰口載荷（方向按照幾何模型坐標系）：FX=4700N，FY=3500N，FZ=-4700N，MX=3690N.m，MY=4800N.m，MZ=5540N.m。
（9） 頂部牛腿處檢修荷載：單個牛腿處載荷為1t，頂板為260×260，轉化為面壓添加，面壓為1×10×1000/260/260=0.148N/mm2。
下圖4所示為載荷添加圖示：
（a）負壓11000Pa （b）正壓8000Pa （c）花板處載荷
展開 塑料熱變形溫度測試影響因素，附常見塑料熱變形溫度匯總
熱變形溫度是指對浸在120°C/h的升溫速率升溫的導熱的液體介質中的一定尺寸的矩形材料試樣施以規定負荷，試樣中點的變形量達到與試樣高度相對應的規定值時的溫度，是衡量材料耐熱性能的重要指標之一。
1.測試方法對熱變形溫度結果的影響
常用熱變形溫度測試標準
(1)GB/T1634-2004 (2)ASTM D648-2007 (3)ISO 75-2：2013
注：由于1和3測試方法完全一樣，這里只討論1和2之間的區別
同種材料在相同實驗條件下，根據不同標準以及樣條獲得的實驗結果如下
結果分析：不論何種材料，按照不同測試方法得到的結果確實存在一定差別，且有著相同的規律：GB/T1634-2004 4X10X80（平放）＜GB/T1634-2004 4X10X120(側立)＜ASTMD648-2007 6.4X13X130（側立）。
2.硅油黏度對熱變形溫度的影響
根據熱變形溫度測試原理，硅油只是一種介質，用來保證樣品不同方位受熱均勻穩定，理論上對測試結果沒有影響。但當硅油使用時間較長以后，由于受到污染（樣品在高溫條件下分離出小顆粒渣滓），硅油會變得混濁，顏色變深，從而增加硅油的黏度，當黏度過大導致硅油不能均勻流動時，會對測試結果造成一定的誤差。
3.熱變形測試起始溫度對測試結果的影響
在GB/T1634-2004標準中規定：每次實驗開始時，加熱裝置的溫度應低于27°C，除非以前的實驗已經表明，對測試的具體材料在較高溫度下開始不會引起誤差。
展開 基于comsol的復合材料熱變形仿真分析 ￥2890
</p><p><br></p><p><img src="https://www.yqgqt.org.cn/platform/static/ueditor/dialogs/attachment/fileTypeImages/icon_rar.gif"><a href="https://oss.jishulink.com/upload/201908/975a93ce59b74762879c9618aad88727.rar" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 102, 204);">復合材料變形.rar</a></p><p>本模型分析了一款V型的雙層復合材料熱變形過程，雙層復合材料力學熱學性能不同，在一定的溫度作用下產生張角變形。 通過研究不同溫度，不同V型初始角度等情況下的變形，找到符合需求的邊界條件和幾何模型，指導實驗。</p><p> 本模型采用了固體傳熱、固體力學和微分代數方程。</p><p><br></p><p>復材固化的溫度邊界條件 。
展開 對某除塵設備進行有限元熱力分析，使用ABAQUS對整體結構強度及熱膨脹變形值進行分析，指導結構加固及膨脹節選型 ￥15
圖1 袋除塵煙道結構及其支座、除塵器支座設置示意圖
建立模型
由于進氣煙道與殼體之間沒有膨脹節，因此需要考慮殼體的熱膨脹對煙道的影響，殼體已經過計算滿足要求，本模型無需建立加強筋等部件，如圖2所示。出氣煙道與除塵器之間設置有膨脹節，故單獨建立出氣煙道模型，如圖3所示。
圖2 建立進氣煙道及除塵器殼體幾何模型
圖3 建立出氣煙道幾何模型
約束條件
進氣煙道支座及除塵器支座約束如圖4所示，其中標記的為固定約束，未標記的除塵器支座及煙道支座均為滑動約束。出氣煙道支座約束如圖5所示。
圖4 進氣煙道及除塵器支座約束
圖5 進出氣煙道支座約束
載荷：
（1）自重；
（2）經過多次計算后得出的進氣煙道口載荷限值（方向按照幾何模型坐標系）：載荷如下：FX=-15000N，FY=8000N，FZ=-15000N，MX=136125N.m，MY=117975N.m，MZ=90750N.m。載荷添加如圖6所示。
圖6 進氣煙道口載荷添加（集中力及彎矩）
（3）經過多次計算后得出的煙道口載荷限值（方向按照幾何模型坐標系）：載荷如下：FX=-33000N，FY=18000N，FZ=-33000N，MX=136125N.m，MY=117975N.m，MZ=90750N.m。載荷添加如圖7所示。
圖7 煙道口載荷添加（集中力及彎矩）
(4) 袋除塵本體進出口經過多次計算后得出的出氣煙道口載荷限值（方向按照總圖坐標系）：載荷如下：FX=-12210N，FY=9160N，FZ=-12210N，MX=50365N.m，MY=43650N.m，MZ=33575N.m。載荷添加如圖下圖所示。
本體進出口載荷添加
計算結果
展開 基于SimSolid的全塑尾門力學分析
2、剛度
剛度分析結果如圖10所示：
圖10 剛度分析結果
由圖10可知，全塑尾門最大變形量為1.703mm，計算時間約為3分鐘。
3、模態
模態分析結果如圖11所示：
圖11 模態分析結果
由圖11可知，全塑尾門一階扭轉模態為29.0Hz，二階彎曲模態為35.3Hz，計算時間約為4分鐘。
4、熱變形
熱變形分析結果如圖12所示：
圖12 熱變形分析結果
由圖12可知，全塑尾門最大變形量為3.101mm，計算時間約為5分鐘。
三、實驗
強度為實車路試測試，模態沒有進行實驗，熱變形為實車暴曬測量間隙面差，因此，只有剛度實驗與分析模型一致，實驗如圖13所示：
圖13 實驗圖
實驗測量結果為1.65mm。
四、結論：
SimSolid從導入模型到求解分析，整個過程大約1~2小時，而OptiStruct前處理網格的時間大約需要2~3天，二者的差異實在太大了，以下從分析工況、計算精度等多方面進行對比。
展開 abaqus凍土路基的溫度-水分-變形多場耦合分析
凍土路基產生的變形與內地路基產生的變形不同。凍土路基隨著季節的交替發生凍結與融化的同時路面會產生相應的變形，并且這樣的變形隨著時間的推移還在持續不斷的變化。在同一路基橫斷面處，由于凍土路基溫度場和水分場分布的不同，路基表面會產生不均勻變形，即在道路橫向發生了變形。在青藏公路的不同路段，由于不同的路基填料、不同的路基高度、不同的多年凍土類型以及不同的路側積水等情況，會使得凍土路基形成縱向的波浪變形。
1 路基溫度場
溫度場的控制方程如下所示
由于凍土路基會存在凍結和融化過程，這就會伴隨著相變熱的產生，因此需要在傳統溫度控制方程中額外考慮相變熱的的影響。
路基的溫度場邊界比較復雜，本文采用第二類和第三類邊界條件，考慮太陽輻射、對流換熱和地面有效輻射的影響。太陽輻射主要影響大氣溫度變化，這里采用下式描述大氣溫度變化
對流換熱則采用下式描述
建立如圖所示的有限元模型
可以計算得到路基的溫度場分布和一年中路基的溫度變化如圖所示
2 水分場分析
凍土路基的變形與水的凍結和融化息息相關。所以分析凍土路基的變形時必須考慮水場分布的影響。
路基中水分場遷移可以通過達西定律來描述
由于凍土路基中，水分凍結后，水分會發生遷移，因此需要考慮相變對水分遷移的影響。
計算得到的飽和度分布如圖所示
3 變形場分析
凍土路基的變形包括融沉變形和車載變形。進行變形場分析時，采用摩爾庫倫準則
路面的車輛載荷采用脈沖載荷來模擬，如下圖所示
同時，水分的凍結時會產生凍脹變形，因此需要考慮凍脹率的影響。這里凍脹率選擇為0.03。
結合溫度場分析和水分場分析可以獲得路基的變形結果。
本文中，溫度場分析通過film子程序和dflux子程序定義溫度邊界，通過hetval子程序定義相變熱。
展開 
abaqus凍土路基的溫度-水分-變形多場耦合分析
凍土路基產生的變形與內地路基產生的變形不同。凍土路基隨著季節的交替發生凍結與融化的同時路面會產生相應的變形，并且這樣的變形隨著時間的推移還在持續不斷的變化。在同一路基橫斷面處，由于凍土路基溫度場和水分場分布的不同，路基表面會產生不均勻變形，即在道路橫向發生了變形。在青藏公路的不同路段，由于不同的路基填料、不同的路基高度、不同的多年凍土類型以及不同的路側積水等情況，會使得凍土路基形成縱向的波浪變形。
1 路基溫度場
溫度場的控制方程如下所示
由于凍土路基會存在凍結和融化過程，這就會伴隨著相變熱的產生，因此需要在傳統溫度控制方程中額外考慮相變熱的的影響。
路基的溫度場邊界比較復雜，本文采用第二類和第三類邊界條件，考慮太陽輻射、對流換熱和地面有效輻射的影響。太陽輻射主要影響大氣溫度變化，這里采用下式描述大氣溫度變化
對流換熱則采用下式描述
建立如圖所示的有限元模型
可以計算得到路基的溫度場分布和一年中路基的溫度變化如圖所示
2 水分場分析
凍土路基的變形與水的凍結和融化息息相關。所以分析凍土路基的變形時必須考慮水場分布的影響。
路基中水分場遷移可以通過達西定律來描述
由于凍土路基中，水分凍結后，水分會發生遷移，因此需要考慮相變對水分遷移的影響。
計算得到的飽和度分布如圖所示
3 變形場分析
凍土路基的變形包括融沉變形和車載變形。進行變形場分析時，采用摩爾庫倫準則
路面的車輛載荷采用脈沖載荷來模擬，如下圖所示
同時，水分的凍結時會產生凍脹變形，因此需要考慮凍脹率的影響。這里凍脹率選擇為0.03。
結合溫度場分析和水分場分析可以獲得路基的變形結果。
展開 模具熱處理變形與開裂的預防措施
例如，厚薄不均勻的模具，應使厚的部分先淬入；
截面變化大的工件，可通過增加工藝孔、預留加強肋、孔中塞堵石棉等方法來減少熱處理變形；
對有凹凸面或有通孔的工件，應使凹面和孔向上淬入，以便排出通孔內的氣泡。
結語
熱處理是模具制造過程中不可缺少的加工工藝之一，它對模具的質量和成本有很大的影響，是提高模具使用壽命的重要措施之一。變形與開裂是模具熱處理中的兩大難題，其產生的原因是復雜的，但是只要掌握其規律，對其進行認真的分析和研究，對癥下藥，模具的變形是可以減少，且其開裂也是可以控制的。
展開 熱處理變形的預防
精密復雜模具的變形原因往往是復雜的，但是我們只要掌握其變形規律，分析其產生的原因，采用不同的方法進行預防模具的變形是能夠減少的，也是能夠控制的。一般來說，對精密復雜模具的熱處理變形可采取一下方法預防。
(1)合理選材。對精密復雜模應選擇材質好的微變形模具鋼(如空淬鋼)，對碳化物偏析嚴重的模具鋼應進行合理鍛造并進行調質熱處理，對較大和無法鍛造模具鋼可進行固溶雙細化熱處理。
(2)模具結構設計要合理，厚薄不要太懸殊，形狀要對稱，對于變形較大模具要掌握變形規律，預留加工余量，對于大型、精密復雜模具可采用組合結構。
(3)精密復雜模具要進行預先熱處理，消除機械加工過程中產生的殘余應力。
(4)合理選擇加熱溫度，控制加熱速度，對于精密復雜模具可采取緩慢加熱、預熱和其他均衡加熱的方法來減少模具熱處理變形。
(5)在保證模具硬度的前提下，盡量采用預冷、分級冷卻淬火或溫淬火工藝。
(6)對精密復雜模具，在條件許可的情況下，盡量采用真空加熱淬火和淬火后的深冷處理。
(7)對一些精密復雜的模具可采用預先熱處理、時效熱處理、調質氮化熱處理來控制模具的精度。
（8）在修補模具砂眼、氣孔、磨損等缺陷時，選用冷焊機等熱影響小的修復設備以避免修補過程中變形的產生。
另外，正確的熱處理工藝操作(如堵孔、綁孔、機械固定、適宜的加熱方法、正確選擇模具的冷卻方向和在冷卻介質中的運動方向等)和合理的回火熱處理工藝也是減少精密復雜模具變形的有效措施。
展開 9個影響熱處理變形的因素
一般，工件的外緣部位殘余應力較高，當溫度的上升從外部開始進行時，外緣部位變形較大，殘余應力引起的變形包括彈性變形和塑性變形兩種。
加熱時產生的熱應力和想變應力都是導致變形的原因。加熱速度越快、工件尺寸越大、截面變化越大，則加熱變形越大。熱應力取決于溫度的不均勻分布程度和溫度梯度，它們都是導致熱膨脹發生差異的原因。如果熱應力高于材料的高溫屈服點，則引起塑性變形，這種塑性變形就表現為“變形”。
相變應力主要源于相變的不等時性，即材料一部分發生相變，而其它部分還未發生相變時產生的。加熱時材料的組織轉變成奧氏體發生體積收縮時可出現塑性變形。如果材料的各部分同時發生相同的組織轉變，則不產生應力。為此，緩慢加熱可以適當降低加熱變形，最好采用預熱。
此外，由于加熱中因自重而出現“塌陷”變形的情況非常多，加熱溫度越高，加熱時間越長，“塌陷”現象越嚴重。
四、冷卻與變形
冷卻不均時將產生熱應力導致變形發生。因工件的外緣和內部存在冷卻速度差異，該熱應力是不可避免的，淬火情況下，熱應力與組織應力疊加，變形更為復雜。加之組織的不均勻、脫碳等，還會導致相變點出現差異，相變的膨脹量也有所不同。
總之，“變形”是相變應力和熱應力共同所致，但并非全部應力都消耗在變形上，而是一部分作為殘余應力存在于工件中，這種應力就是導致時效變形和時效裂紋的原因。
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