HEATS 发表于 2010-9-12 18:08:01

空心件正挤裂纹成因的数值模拟分析

<P>  一、前言</P>


<P>  在工艺研究和生产实践中,正挤空心件在内孔壁易出现裂纹。解决裂纹的产生,需弄清裂纹产生的原因及其影响因素。本文利用上限元法对其变形力和变形规律进行数值模拟,不仅提高了工艺设计的理论水平,而且对生产实践也有很大的指导意义。</P>


<P>  二、薄壁深孔件正挤压过程的上限元模拟</P>


<P>  本文利用UBET对图1所示的挤压件进行了模拟。图1a是毛坯图,图1b是制件图。UBET可用来模拟金属变形过程,预测金属的流动规律。UBET的要点是从变形体的初始瞬时(或某一瞬时)的边界交点引一组与坐标轴平行的直线,将变形体分成若干个规范单元,然后计算出变形边界的移动速度,这样就可得到下一瞬时变形体轮廓的几何形状,再从新的边界交点出发引新的正交线,将变形体再次划分,再计算新的边界移动速度,求出下一瞬间变形体的轮廓。依次类推,则能模拟出一个连续的变形过程。</P>


<P align=center>  (a)<IMG height=124 src="http://news.mechnet.com.cn/upload/0808231021252528.bmp" width=119 border=0>  (b)<IMG height=195 src="http://news.mechnet.com.cn/upload/0808231021416023.bmp" width=115 border=0></P>


<P align=center>  图1挤压毛坯图和制件简图</P>


<P align=center>   (a)毛坯图    (b)制件图</P>


<P>  1.塑性流动模型的建立</P>


<P>  设计一个既要尽可能符合客观实际情况,又要便于数学处理的流动模型,是UBET的关键。以下塑性流动模型的建立满足体积不变和变形边界条件。裂纹的产生发生在稳定变形阶段,因此本过程只模拟稳定变形阶段。由于是轴对称问题,只须取变形体的1/4作为分析对象。单元划分如图2所示,首先将挤压件的1/4划分成14个单元,各个单元的编号、单元边界交点坐标的编号以及边界速度的编号均如图示。运动许可的速度场与文献[1]相同。</P>
<P align=center>
<IMG height=187 src="http://news.mechnet.com.cn/upload/0808231022047090.bmp" width=163 border=0>
</P>
<P align=center>  图2单元划分示意图</P>


<P>  2.挤压过程中摩擦条件的特殊处理</P>


<P>  摩擦是塑性加工中普遍存在的问题。在此挤压成形过程中,制件内壁裂纹的形成与摩擦有很大关系,正确处理摩擦条件是个重要关键。本文假设摩擦因子μ为相对滑动速度的函数[2]</P>


<P>  μ=α.Δv</P>


<P>  式中α——常数,与材料性质有关,本文中α=0.05[3]</P>


<P>   Δv——相对滑动速度</P>


<P>  根据库仑定律,摩擦切应力</P>


<P>              τ=μ.σs=α.Δv.σs</P>


<P>  3.模拟方法</P>


<P>  本文采用平行速度场假设,用步进方式对挤压过程进行动态模拟。通过对速度场的优化,根据上限原理,模拟出外力对制件所做的总上限功,由此,求出制件内壁所受的拉应力,根据第三强度理论来判断制件内壁裂纹的产生。</P>


<P>  影响裂纹产生的原因有许多种,本文着重研究变形比、摩擦因子、凹模锥角对挤压力大小及裂纹形成的影响。</P>


<P>  模拟时的基本参数:材料20号钢σs=230MPa,σb=390MPa[4],θ=120°,α=0.05。</P>

               
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