軸對(duì)稱電-熱-力耦合有限元模型的研究

軸對(duì)稱電-熱-力耦合有限元模型的研究

隨著能源和環(huán)境問題的加劇，節(jié)能技術(shù)和環(huán)保技術(shù)在材料形成領(lǐng)域得到了重視，連續(xù)在線加熱形成方法已成為研究的重點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)的加熱-成形方式,連續(xù)加熱成形工藝能夠在金屬的成形過程對(duì)金屬進(jìn)行加熱,有效減少工藝流程、縮短成形時(shí)間,提高能源利用率,是現(xiàn)代大力發(fā)展的先進(jìn)成形技術(shù)之一。目前用于材料連續(xù)加熱的加熱方式主要有火焰加熱、電阻加熱、激光加熱、感應(yīng)加熱等,而加熱的成形過程包括了高強(qiáng)度鋼板的溫?zé)岢尚巍⒎勰┮苯?、局部鍛造、半固態(tài)成形等多個(gè)領(lǐng)域。其中電阻連續(xù)加熱工藝以其加熱設(shè)備簡單、熱效率高、控制簡單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)對(duì)電阻連續(xù)加熱成形過程進(jìn)行了分類及試驗(yàn)研究,證實(shí)了該工藝的可行性。但是金屬的電阻連續(xù)加熱成形過程是一個(gè)復(fù)雜的電-熱-力耦合過程,在成形過程中,坯料電阻隨著溫度及坯料幾何形狀的變化而變化,導(dǎo)致加熱溫度及溫度分布的變化,最終導(dǎo)致了金屬流動(dòng)模式的變化。而金屬流動(dòng)模式的變化又進(jìn)一步影響坯料幾何形狀及坯料與模具的接觸關(guān)系,使得坯料電阻及模具與坯料間的熱傳導(dǎo)發(fā)生變化。因此,單純的試驗(yàn)難以對(duì)加熱方式、變形速度和材料性能等因素對(duì)溫度分布和金屬流動(dòng)模式的影響做進(jìn)一步研究。為了獲得控制金屬溫度場以及溫度場與金屬變形流動(dòng)的關(guān)系,了解和掌握電阻連續(xù)加熱成形規(guī)律,采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)成形規(guī)律開展研究將大大減小實(shí)驗(yàn)的盲目性,顯著縮短研究時(shí)間和減少研究成本。本文采用電-熱耦合與熱-力耦合相互交替計(jì)算的方法建立了42CrMo4電阻連續(xù)加熱鐓粗過程的電-熱-力耦合有限元模型,對(duì)成形過程中溫度場、載荷及坯料幾何形狀的變化進(jìn)行了有限元分析。通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了模擬的正確性,為電阻連續(xù)加熱成形技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展以及在工業(yè)領(lǐng)域中的推廣應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。1電-熱耦合值的模擬1.1有限元模型建立圖1為42CrMo4電阻連續(xù)加熱鐓粗有限元模型。試驗(yàn)裝置詳細(xì)內(nèi)容見文獻(xiàn)。試驗(yàn)過程中,坯料直徑為6mm,高度為8mm;模具直徑為120mm,高度為30mm。由于模具的體積遠(yuǎn)大于坯料體積,為縮短計(jì)算時(shí)間,將模具的直徑減小為18mm,高度減少為10mm,同時(shí)模具外邊界上的溫度可以看作室溫?？紤]到試驗(yàn)裝置的軸對(duì)稱,模擬中僅對(duì)工件和模具的一半進(jìn)行分析。模具及坯料的有限元初始網(wǎng)格如圖1所示,電-熱耦合與熱-力耦合分析所用幾何模型及網(wǎng)格劃分相同,但是選取的網(wǎng)格單元不同。電-熱耦合分析中采用DCAX4E單元,而熱-力耦合分析中采用CAX4RT單元。上下模具各75個(gè)單元,96個(gè)節(jié)點(diǎn);坯料共劃分400個(gè)單元,451個(gè)節(jié)點(diǎn)。1.2tzm電阻率在金屬的電阻加熱過程中,金屬內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)由焦耳效應(yīng)產(chǎn)生的熱量由該點(diǎn)電勢和電阻率決定。金屬材料的體積電阻隨溫度變化而變化,圖2給出了坯料材料42CrMo4及模具材料TZM電阻率隨溫度變化的曲線。由于成形過程中接觸面壓力非常大,而接觸電阻隨壓力增大而減小,所以忽略成形過程中接觸電阻對(duì)加熱溫度的影響。成形系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電勢將隨塑性變形過程中坯料幾何形狀的變化而變化。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)各點(diǎn)電勢的確定,在電-熱模擬過程中,假設(shè)下模下端面電勢為零,各點(diǎn)電勢可由以下方程獲得:式中:r、z分別為徑向和軸向坐標(biāo);u為電勢;ρ為材料電導(dǎo)率。上述方程的求解都可在有限元分析中轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠓汉瘮?shù)極值的變分問題進(jìn)行求解。1.3變形時(shí)坯料與模具間的生熱在金屬的塑性變形過程中,由塑性變形功轉(zhuǎn)化的熱量及變形時(shí)坯料與模具間的摩擦生熱被考慮,其中由塑性變形功轉(zhuǎn)化的熱量為:而由工件與模具接觸面摩擦產(chǎn)生的熱量為:式中:τ為摩擦力;|△v|為質(zhì)點(diǎn)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。1.4模擬的熱-力耦合分析在電-熱-力的耦合分析中,由于真正意義上的耦合求解目前還未有報(bào)道,所以采用了準(zhǔn)耦合的解法,即將電-熱耦合與熱-力耦合分別進(jìn)行求解。求解過程為:(1)通過電-熱分析得到坯料成形前的溫度場;(2)將該溫度場導(dǎo)入熱-力耦合分析中求解單位時(shí)間內(nèi)坯料塑性變形;(3)將得到的溫度場及各節(jié)點(diǎn)的位移導(dǎo)入下一個(gè)電-熱分析,計(jì)算得到下一單位時(shí)刻內(nèi)系統(tǒng)的溫度場;(4)循環(huán)第2和第3步直到整個(gè)成形過程結(jié)束。其中電-熱耦合與熱-力耦合分別采用通用有限元軟件ABAQUS中的電-熱耦合和熱-位移模塊進(jìn)行分析,而各分析步之間溫度場和節(jié)點(diǎn)位移的相互轉(zhuǎn)化由自編的程序完成。值得一提的是在整個(gè)電-熱-力耦合模擬中,各單位時(shí)間內(nèi)的熱-力耦合分析是通過將一個(gè)熱-力耦合模型分段而形成的,這樣保證了各部分模擬數(shù)據(jù)的聯(lián)系,使塑性變形過程中應(yīng)力應(yīng)變的分布得到繼承。最后,用批處理文件將所有模擬及數(shù)據(jù)傳遞整合,使得所有模擬步驟在ABAQUS中一次完成,大大減少了運(yùn)算時(shí)間。2粗過程模擬為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性,對(duì)42CrMo4棒料的電阻連續(xù)加熱鐓粗過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。在試驗(yàn)中首先采用電阻加熱將坯料加熱到1000℃以上,保溫5s后,上模以1mm/s勻速下壓,下壓過程中電流強(qiáng)度為1000A,當(dāng)最大壓力達(dá)到30kN時(shí)成形結(jié)束。2.1坯料在粗變形過程中的溫度場分布圖3為成形過程中坯料中心處溫度變化模擬與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比圖。試驗(yàn)中溫度數(shù)據(jù)由置于坯料中心孔內(nèi)的熱電偶獲得。從圖3可見,模擬與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。由于在成形過程中,坯料高度降低,直徑增大,導(dǎo)致坯料電阻減小,從而由于電阻加熱產(chǎn)生的熱量減少。另一方面,成形過程中,坯料與模具的接觸面增加也導(dǎo)致傳導(dǎo)進(jìn)入模具中的熱量增加。綜上所述,在坯料的鐓粗變形過程中,坯料的溫度急劇地下降。坯料在不同時(shí)刻的溫度場分布如圖4所示。成形過程中,坯料的熱源主要來自于焦耳熱,而熱損失主要通過熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入模具。由于變形過程非常短,通過輻射損失的熱量可忽略不計(jì)。因此坯料的高溫區(qū)位于坯料的中部,最低溫度出現(xiàn)在與模具接觸的部位。溫度的分布直接影響了金屬的流動(dòng)方式,從圖中可看出,金屬的流動(dòng)主要發(fā)生在坯料的中部。2.2試驗(yàn)和模擬結(jié)果對(duì)比圖5為成形過程中成形載荷的試驗(yàn)與模擬結(jié)果對(duì)比圖。由以上成形過程中坯料溫度變化可知,在保持加熱電流強(qiáng)度不變的情況下,坯料溫度將迅速下降,從而導(dǎo)致載荷的增加。從圖5可知,模擬和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,模擬值略大于試驗(yàn)結(jié)果,最大誤差為28%,出現(xiàn)在1.5s處。誤差原因主要是由于所預(yù)測的溫度下降率大于試驗(yàn)中坯料溫度的下降(見圖3)。2.3坯料和模具材料的表面硬度對(duì)接觸面的影響數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果中的工件截面對(duì)比如圖6所示。通過比較得到,數(shù)值模擬的坯料形狀與試驗(yàn)中坯料形狀雖略有差異,但基本形狀保持相似。在電阻連續(xù)加熱成形過程中,由于坯料和模具材料的表面硬度都較大,導(dǎo)致接觸面不均勻接觸,從而導(dǎo)致了鍛件上下接觸面及接觸面各部分的溫度差異,最終導(dǎo)致零件變形的不對(duì)稱。而在模擬中,接觸面被假設(shè)為理想接觸。3減少模擬時(shí)間的影響(1)利用有限元方法,開發(fā)了用于金屬帶電塑性成形數(shù)值模擬的通用電-熱-力耦合有限元模型。采用自編程序完成了電-熱耦合及熱-力耦合之間的數(shù)據(jù)傳遞,用批處理文件使所有模擬順序完成,大大減少了模擬時(shí)間。(2)在電阻連續(xù)加熱過程