數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造成形中的應(yīng)用_董海濤

1、數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造成形中的應(yīng)用 董海濤1 張治民1 宋志海2 (1.中北大學材料科學與工程學院,山西030051;2.廣東中山中粵馬口鐵工業(yè)有限公司,廣東528437 摘要:鍛造成形過程是一個非常復雜的彈塑性大變形過程,有限元法是用于鍛造成形過程模擬中一種有效 的數(shù)值計算方法。本文介紹了數(shù)值模擬技術(shù)在金屬鍛造成形中應(yīng)用的基本理論、模擬中的關(guān)鍵技術(shù),闡述了鍛 造成形數(shù)值模擬技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞:數(shù)值模擬;有限元法;鍛造成形 中圖分類號:O242,TG316 文獻標識碼:A The Application of the Numerical Simulation Technique in

2、the Forging Formation Dong Haitao, Zhang Zhimin, Song Zhihai Abstract:The forging forming process is a very complicated process of the evident elastoplasticity deforma- tion, and the finite element method is an effective numerical calculating method used in the process of the forging forming simulat

3、ion. This article has described the basic theory of the numerical simulation technique applied in the metal forging formation and the key technique during the simulation, meanwhile the current situation and the development tendency of the numerical simulation technique have been presented as well. K

4、ey words:numerical simulation; finite element method; forging formation 1 引言 鍛造工業(yè)一直是汽車、礦山、能源、建筑、航 空、航天、兵器等工業(yè)的重要基礎(chǔ)。鍛造成形是現(xiàn) 代制造業(yè)中重要的加工方法之一,但目前鍛造工 藝和模具設(shè)計,大多仍然采用實驗和類比的傳統(tǒng) 方法,不僅費時而且鍛件的質(zhì)量和精度很難提高。 隨著有限元理論的成熟和計算機技術(shù)的飛速發(fā) 展,運用有限元數(shù)值模擬進行鍛壓成形分析,在盡 可能少或無需物理實驗的情況下,得到成形中的 金屬流動規(guī)律、應(yīng)力場、應(yīng)變場等信息,并據(jù)此設(shè) 計工藝和模具,已成為一種行之有效的手段1。 在

5、鍛造成形中,大多數(shù)變形過程由于不能簡化成 二維變形過程進行處理,所以有限元法數(shù)值模擬 在鍛造成形中的應(yīng)用以三維模擬分析為主。 2 數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造生產(chǎn)中的重要作用 鍛件品種多,生產(chǎn)周期長,造價高,迫切要求 一次制造成功。而傳統(tǒng)生產(chǎn)方式只能憑經(jīng)驗,采 用試錯法,無法對材料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、溫度 分布、宏微觀組織結(jié)構(gòu)的演化和殘余應(yīng)力等進行 預先控制,也無法對鍛件的外形進行準確的控制, 收稿日期:20060831 作者簡介:董海濤(1974,女,在讀碩士,工程師,主要從事金 屬材料精密成型研究。 因而容易發(fā)生鍛件報廢的事故,在經(jīng)濟和時間上 帶來較大損失。使用有限元模擬技術(shù),幫助預測 產(chǎn)品的性能,

6、將/隱患0消滅在虛擬制造階段中,從 而確保關(guān)鍵鍛件一次制造成功,減少生產(chǎn)成本,縮 短產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)周期。而且,有 限元技術(shù)還有助 于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的再現(xiàn),有助于提高鍛件生產(chǎn)管 理水平2。在鍛造工藝領(lǐng)域,有限元數(shù)值模擬技 術(shù)可直觀地描述金屬變形過程中的流動狀態(tài),還 能定量地計算出金屬變形區(qū)的應(yīng)力、應(yīng)變和溫度 分布狀態(tài),這些模擬結(jié)果,為模鍛工藝的制定和最 終模具的設(shè)計具有一定的指導意義3。 3 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用類型 根據(jù)金屬材料非線性本構(gòu)關(guān)系式的不同,三 維有限元在金屬成形過程模擬中的應(yīng)用主要分為 兩大類:彈-(粘塑性和剛-(粘塑性有限元。 3.1 彈-(粘塑性有限元法 這一方法考慮了金屬變形過程中

7、的彈性效 應(yīng),其理論基礎(chǔ)是Prand It-Mises本構(gòu)方程。它 可分為小變形彈塑性有限元法和大變形彈塑性有 限元法,前者主要分析金屬成形過程中的初期情 況,后者應(yīng)用于變形量發(fā)生大變化的后期階段。 它們適用于彈性變形量無法忽略的成形過程模 擬,廣泛應(yīng)用于板料成形問題分析。在分析金屬 鍛造成形時,不僅能按照變形的路徑得到塑性區(qū) 的發(fā)展狀況,工件中的應(yīng)力應(yīng)變、溫度分布規(guī)律及 45 5大型鑄鍛件6No.1 HEAVY CASTING AND FORGING January 2007幾何形狀的變化,而且還能有效地處理卸載等問 題,計算殘余應(yīng)力及殘余應(yīng)變,從而可預知并避免 產(chǎn)品缺陷。但是,彈塑性有限元

8、法要采用增量方 式加載,為了保證計算精度和迭代的收斂性,增量 步長不可能太大,所以在計算變形問題時,計算量 大,且需要較長的時間和較多的費用,效率較低。 金屬成形過程模擬分析中常用到的基于彈-(粘 塑性本構(gòu)關(guān)系的三維有限元分析軟件主要有 MARC、ANSYS等,基本方程基于Lagrange坐 標系。 3.2 剛-(粘塑性有限元法 這一方法忽略了金屬成形過程中的彈性變 形,其基本理論是Markov變分原理。剛-(粘 塑性有限元法適用于鍛造、擠壓以及軋制等塑性 成形問題的分析中,剛-塑性有限元法通常只適 用于冷加工。由于剛-(粘塑性有限元法是一種 基于變分原理的有限元方法,使計算的增量步長 可以取

9、得大一些,并且該方法可以用小變形的計 算方法處理大變形問題,所以剛-(粘塑性有限 元法克服了彈-(粘塑性有限元法中計算量大、 運算時間長、效率低等不足,使計算程序大大簡 化,達到了較高的計算效率。但該法由于忽略了 金屬成形中的彈性效應(yīng),所以該方法不能求解彈 性問題,也不能進行殘余應(yīng)力計算。目前,剛- (粘塑性有限元法已成為金屬體積成形的主要數(shù) 值模擬方法。采用剛-(粘塑性本構(gòu)關(guān)系的有限 元分析軟件有:ALPID、DEFORM等,其基本方 程基于Euler4坐標系。 4 數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù) 有限元模擬系統(tǒng)包括前處理、分析和后處理 3個模塊5,前處理模塊主要包括材料模 型的選 擇、單元類型的選擇、

10、模具幾何模型的建立及工件 的有限元網(wǎng)格劃分和重劃分等;分析模塊包括定 義分析類型、約束條件、載荷數(shù)據(jù)和載荷步長、計 算應(yīng)力、應(yīng)變、撓曲等;后處理模塊主要是將計算 的結(jié)果進行圖形顯示、曲線表格輸出等。其中的 關(guān)鍵技術(shù)是幾何模型的建立、接觸問題、網(wǎng)格的劃 分與重劃分和計算結(jié)果的可視化處理等。 4.1 幾何模型的建立 對實際的連續(xù)體經(jīng)過離散化后就建立了有限 元分析模型,目前所有的有限元模擬軟件的前處 理模塊,都具有簡單幾何造型功能。但是,其功能 十分有限,加之在三維體積成形中所使用的模具 種類繁多,且形狀千差萬別,模具的型腔曲面形狀 十分復雜。所以,對復雜對象的幾何造型多借助 于大型的CAD專用軟件

11、(如Pro-E、UG等,然 后將生成的幾何模型以標準的圖形交互文件格式 (如IGES、STEP標準等輸出,再由有限元軟件 的前處理工具讀入進行有限元模型的建立。有時 為了方便網(wǎng)格劃分和避免奇異點的產(chǎn)生,往往在 保證計算精度的前提下,對模型進行適當?shù)睾喕?4.2 接觸問題 接觸問題的處理一直是有限元法數(shù)值模擬金 屬塑性成型過程的一個主要難點。它其實包括多 個方面,最重要的便是摩擦問題以及邊界接觸判 定問題。摩擦問題一直是金屬加工工作者研究的 一個中心問題之一。摩擦條件的好壞直接與產(chǎn)品 質(zhì)量、設(shè)備效能、生產(chǎn)效率、工具磨損密切相關(guān)。 但在實際上,壓力加工中的摩擦狀態(tài)受很多因素 的影響,尤其是在潤滑

12、條件下,摩擦狀態(tài)更趨于復 雜化。對于大多數(shù)塑性加工問題,通?？刹捎眉?切摩擦理論。在應(yīng)用有限元軟件模擬加工時,為 了簡化模擬模型,一般簡單地假定摩擦條件在整 個加工過程中為一個不變量。但在實際當中,摩 擦的狀態(tài)在不斷發(fā)生變化。因此,摩擦問題總是 最終影響計算結(jié)果偏差較大的一個關(guān)鍵原因之 一。由于在模擬塑性變形過程中,工件的邊界節(jié) 點與模具表面的接觸狀態(tài)在不斷地發(fā)生變化。這 就需要在模擬計算中不斷修改變形體構(gòu)形的同 時,也要對邊界節(jié)點的接觸狀態(tài)進行動態(tài)自動識 別,不斷修改已產(chǎn)生變化的邊界接觸條件。這主 要包括以下三個方面:1觸模的判斷;2接觸邊界 節(jié)點的位置修正;3原接觸邊界節(jié)點脫離模具表 面的

13、判斷(即脫模的判斷6。 4.3 網(wǎng)格劃分與重劃分 有限元分析中網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響著求 解的效率和精度,當單元類型確定后,網(wǎng)格質(zhì)量取 決于網(wǎng)格劃分的精度等級和單元邊長等因素。然 而,對于復雜的大變形金屬成形過程,往往難以用 一成不變的單元網(wǎng)格把變形過程模擬完畢。這是 因為,在非穩(wěn)態(tài)復雜型腔 金屬塑性成形過程的有 限元模擬中,當工件的某些邊界網(wǎng)格與模具邊界 相干涉時,將會使模擬結(jié)果產(chǎn)生誤差;此外,大的 金屬變形會使初始網(wǎng)格產(chǎn)生畸變,如果仍把畸變 的網(wǎng)格形狀作為增量計算的參考狀態(tài),就會導致 計算精度降低,引起不收斂,嚴重時甚至不能繼續(xù) 進行計算。解決該問題的方法是,當網(wǎng)格變形進 行到一定程度時,

14、停止計算,對網(wǎng)格進行調(diào)整或重 新劃分然后再繼續(xù)進行計算。 46 No.15大型鑄鍛件6 January 2007 HEAVY CASTING AND FORGING進行網(wǎng)格調(diào)整與否可由畸變和干涉單元數(shù)占 單元總數(shù)的比率決定,如果這一比率小于某一限 制值時,只進行節(jié)點的調(diào)整,否則就要進行網(wǎng)格的 重劃分。對于八節(jié)點六面體單元,若初始變形階 段的某一八節(jié)點六面體邊界單元發(fā)生干涉,則在 該邊界單元的干涉面內(nèi)增加若干個新節(jié)點,使之 成為十三節(jié)點的六面體單元或十至十二節(jié)點的六 面體單元,并相應(yīng)地改變該單元的形函數(shù);若初始 的八節(jié)點六面體單元發(fā)生畸變,則采用八節(jié)點三 角棱柱體單元代替該單元,并相應(yīng)地改變其形

15、函 數(shù)。而網(wǎng)格重劃分的最重要任務(wù)就是將賴于變形 歷史的變形場量(如應(yīng)力、應(yīng)變場等準確地從舊 網(wǎng)格系統(tǒng)傳遞到新網(wǎng)格系統(tǒng)中去,同時還需把舊 網(wǎng)格系統(tǒng)的工件、模具接觸狀態(tài)參數(shù)傳遞到新網(wǎng) 格系統(tǒng)中去,以便正確地施加約束條件。 4.4 計算結(jié)果的可視化處理 有限元進行模擬后得到的大量數(shù)據(jù),須經(jīng)形 象描述,變成研究者方便接受的信息。如鍛造時, 可視化地顯示出金屬實際變形過程中金屬的流 動、變形中的溫度場變化等。這種可視化處理的 開發(fā),一般在通用的CAD軟件上進行,如AU- TOCAD、UG、SolidWorks等。目前,較成熟的商 業(yè)有限元模擬軟件自身也都開發(fā)有這樣的后處理 模塊,后處理能力的強弱,已成為衡量模擬軟件優(yōu) 劣的標準之一。 5 數(shù)值模擬技術(shù)在鍛造中的應(yīng)用 從20世紀80年代中期開始,清華大學機械 工程系由劉莊教授領(lǐng)導的課題組就一直從事數(shù)值 模擬技術(shù)在大鍛件生產(chǎn)上應(yīng)用的研究,進行了大 量有意義的工