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空心件正挤裂纹成因的数值模拟分析

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发表于 2010-9-12 18:08:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  一、前言

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  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。

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  二、薄壁深孔件正挤压过程的上限元模拟

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  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。

5 a! f9 T3 F5 s! E, Z+ l4 { 9 V: u/ x, |- J0 ~$ u' }$ b 0 @" M# T. R+ t& @: m j

  (a)  (b)

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  图1挤压毛坯图和制件简图

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   (a)毛坯图    (b)制件图

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  1.塑性流动模型的建立

4 m. Y" ]3 D7 }/ W5 y3 ?4 h : t4 F" @' o/ |1 X1 |) T 5 N2 H+ b# @$ Y5 {4 c' f3 O) r* w

  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。

4 w* n) y1 d5 Q e- X c' h/ V

7 o7 j0 t2 O$ { T* f9 ] 4 O& A+ R, T" G1 d e

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  图2单元划分示意图

( j3 Q- G# F/ J$ |9 h# {( G$ M! p/ a4 x; O' C7 ] & A& Y7 K# u1 |& f7 f

  2.挤压过程中摩擦条件的特殊处理

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  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]

2 I% Y$ M( M; N# S9 ]; D ' a# |- q9 o+ q+ ?& @. i0 | 7 s' c7 Q. p) \$ |3 ]) D

  μ=α.Δv

5 I l) x. f6 i$ ^" h6 u # p. e' w" b. _3 _2 f5 f7 | 0 U. q& `2 [- \3 L" [$ ?- y

  式中α——常数,与材料性质有关,本文中α=0.05[3]

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   Δv——相对滑动速度

J' G* H9 \& o- j/ r& g , B( }$ k: b. I' q% O& A; }' Z 0 b# i& q' @. P% b8 U0 a

  根据库仑定律,摩擦切应力

5 y4 j/ h1 r# |5 W 4 ~% K4 I5 N. k1 o; G3 {8 L! v / Z1 s1 s; |" ^5 K: ]" b, m+ Z

              τ=μ.σs=α.Δv.σs

$ h- m1 @, i5 }; e8 M. k5 y- k' x2 M- K% P0 J* | 4 [% _5 r+ O4 V

  3.模拟方法

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  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。

* G" y1 n. l# O' o9 {0 Y4 x' ?' Q 7 W# b! a; M. @ i. M# M 9 s4 I' o& L1 u2 C% t

  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。

9 B% p8 B8 ^' D- z % f: K$ S9 Q- }/ F R! v* {# e3 K5 ]2 I2 `2 Z

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

c& ?+ j2 G. P: L" e, Z; g- m) a- k- g! |9 ]: L9 E1 Y; L6 I% h
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