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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

* r/ u8 o) K- `/ C 6 A+ H5 ~- I% ^8 @ ) a+ c3 l3 b& K |4 c& h1 g

  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。

/ c. ?& U: E; F' o4 Y : p" K( ^/ Q9 l) v& I 3 E8 @" R0 ~8 b1 L

  二、薄壁深孔件正挤压过程的上限元模拟

0 T' z- [* e! S- f4 p% S. K4 R9 f) H9 t! @1 ?0 B. u7 P# T ; _1 e0 f8 T7 n3 Y

  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。

& i" F/ ?6 |! B1 e8 q ( M6 y4 p6 ^" H( f; H : f% E2 h* @9 ]! B

  (a)  (b)

* E" W7 |6 ]5 t( D( T, j ( n. t# a" ^5 T, R( m E( s$ z2 X q6 v. j1 T) J q

  图1挤压毛坯图和制件简图

a( G# U, e! U- R- `! N9 \ [ 4 x2 A2 m/ a$ v& f }, p) D5 d y7 a7 C9 ?& d

   (a)毛坯图    (b)制件图

5 }: q; X. Q5 j. V9 m 4 K: m V! G2 @2 [( w% R U 8 O* W+ H4 ?& _6 g( S! l2 d

  1.塑性流动模型的建立

# v- N! c7 J5 g: l/ a( r9 E7 q. J5 ? Q 1 Q- k; ?& l0 d

  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。

/ N+ }" N) v5 ~/ Q. F* \

6 H, A+ C; f' M! I; }4 t. s: S, o7 g 9 ?; S' Q0 Q0 V7 ]

1 ~& H7 \. F; x! w: T

  图2单元划分示意图

- }, S- ]2 \% b$ U 0 L8 L( U8 W) R6 a" b& f3 F) t- h J# v1 K, z$ [. c4 t" N

  2.挤压过程中摩擦条件的特殊处理

& p' R+ J [6 z; ? J( | $ h2 {: X3 N4 o5 S+ O. B3 N7 e, _$ P& e0 G' B

  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]

, A, t3 e1 J9 A4 N2 c. ?( {* e7 g) |# n* g+ c9 f l- H. z7 g1 T7 D

  μ=α.Δv

1 ]- g$ O$ {* z/ g3 n4 `0 e9 p9 a1 ~ " M8 |, q, p5 v6 c% l6 k' c$ g5 q* x6 S( T

  式中α——常数,与材料性质有关,本文中α=0.05[3]

' ?- }' S- @% R6 \8 v 4 X2 x' c% f, q; D' b/ J" T$ m/ O/ A" r

   Δv——相对滑动速度

+ u& F5 Z1 R8 _2 s2 h' q 3 f9 l7 X! o2 l7 P: R" }2 K( L- d& @

  根据库仑定律,摩擦切应力

# C9 ~1 o- e% g% T% F$ E . m N3 b6 C: P( N6 [, G- [! }. x& X: D% E $ G# d7 Q* P9 B3 D# {

              τ=μ.σs=α.Δv.σs

" s# {2 W* u) a& |$ {/ k# t* } * `2 O+ H7 L1 N( X 6 e& U; c" E; x" I1 X8 W

  3.模拟方法

+ j9 R" K5 D% o {; N( C; e( |3 C9 t5 d8 ~, x; y$ k8 p 0 O6 n$ k9 B% z

  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。

$ q( I& i& i$ v; W6 Q 0 V5 N- T0 M, I8 p6 F: _- ~3 V2 V8 `5 Q * a9 V. V2 K# L0 V+ ^4 l7 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。

/ [8 E |% o. v; E* h- y8 @- t " z$ Y: u4 Y9 q! n K4 J$ ]3 s8 }7 R% E3 h3 p2 X$ j! L: J

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

% Z: m/ S$ n- @4 s) z( U- y9 U/ \) H) E2 L, ^( M8 S: z$ c
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