開式反擠壓測定模型的建立及其上限元分析畢業論文(文件)

　

【正文】 積不變條件，可用于計算大變形的問題，現在廣泛應用于分析塑性加工問題。剛塑性有限元的理論基礎是變分原理，認為在所有動可容速度場中，使泛函取得駐值的速度場就是真實的速度場。本文使用的數值模擬軟件采用的是罰函數法，下面對其作簡要介紹。可建立下列泛函 (44)式中，——單元的體積——單元的邊界單元內有{}=[B]{u} (45){V}=[N]{u} (46)其中{u}為單元節點的速度列陣將式（45）和式（46）代入式（44）中，得 (47) 由上式可以看出只含未知數即集合成整體，得 (48)令泛函變分為零，即得 (49)由于變分的任意性，故有 (410)式中k為求解問題的維數由于對于每個單元來說，節點的速度{u}是定值，所以對式（47）取變分后，即可得到 (411)其中， [k]=[B]T[B] {p}= 式（411）為非線性方程，求解時需先進行線性化。 DEFORM系統簡介DEFORM(Design Environment of Forming)軟件是由美國Battle Columbus實驗室在八十年代早期開發的有限元分析軟件，其早期的名稱為ALPID(Analysis of Large Plastic Incremental Deformation)，之后ALPID的研發人員針對用戶提出的種種要求，逐漸將程序完善。DEFORM系統是一個高度模塊化、集成化的模擬系統，它主要包括有限元模擬器、前處理器、后處理器和問戶處理器四大模塊。目前，DEFORM軟件已經能夠用于考慮熱力耦合的非等溫問題和三維變形問題。經過近20年的發展，Pro/ENGINEER已經成為三維建模軟件的佼佼者。 DEFORM模擬前處理的一些關鍵問題處理　模型的建立是有限元模擬前處理過程的一個重要環節，合理而準確的模型能夠保證模擬的順利進行和結果的準確性。　簡化的思路是使模型盡可能接近于實際模具，包括結構和尺寸兩個方面，本文的模型都采用實際尺寸，其中凹模內腔、坯料的尺寸與形狀與實際完全相同。一般為Chord Height Control接近于0，使得模型能比較真實地輸入到DEFROM軟件的前處理器中，而不會出現復雜造型的過分失真。從理論上講，網格劃分得越細越好，但是網格數量的增多將會引起單元數和節點數的相應增加，導致計算量的增大。對圓塊毛坯劃分表面單元30000個。程序中提供了三種迭代方法：NewtonRaphson迭代法和Direct 迭代法，Explicit迭代法。　主模具的運動速度即為壓力機的速度，本文研究使用的是400KN液壓機，勻速運動。要求二維或者是三維單元中的每個單元網格都不得出現四邊形長寬比很大、三角形中一個夾角接近于180176。具體措施如下：，必須使用“DEFORM”軟件前處理器中的形狀檢查功能進行檢查，以避免出現多義點或不正確的幾何形狀，使得在模擬過程出錯而導致不準確的結果。，加大主要變形區的網格密度。后處理中，普通的視圖能夠反映變形情況，滿足用戶的分析需求。　點跟蹤技術是后處理程序允許用戶在工件（或模具）上事先設定一個或多個點作為跟蹤對象，在模擬過程中被跟蹤的點隨著材料流動，其在整個成形過程中的各種場量（如等效應力、等效應變等）也同時被記錄。本章將具體介紹開式反擠壓測定摩擦因子的成形過程中摩擦因子與工件形狀參數（包括上直徑、下直徑、外徑）的關系等問題的有限元模擬研究，同時也將介紹摩擦因子與載荷、應力應變、速度場等力學問題的有限元模擬研究，并對圓塊開式反擠壓測定法與圓環鐓粗測定法進行有限元模擬結果的對比，為開式反擠壓測定工藝提供理論和實驗依據。 如圖52所示，摩擦因子m＝，最終擠壓力為18300N，而摩擦因子m＝，最終擠壓力為23000N，當摩擦因子m＝，最終擠壓力為27200N。 (a) m＝ (b) m＝ (c) m＝ 圖5－4 三種摩擦因子下的等效應力分布 圖55 圖56 摩擦因子的存在，同樣使得圓塊工件金屬流動的速度場產生了不同時性，－5與圖5－6可知，受摩擦阻力的影響，下表面在相對大的擠壓力作用下，圓塊工件的下方中心處的金屬處于停滯的狀態，而在靠近圓周邊緣的地方，圓塊工件的下方金屬又處在流動的狀態。 摩擦因子與圓塊件側面鼓度的關系 在圓塊的開式反擠過程中，受摩擦因子的影響，在接觸面有剛性區的存在，使得金屬應變速率隨著摩擦因子的增大而減小，它導致了金屬的變形不同時性與不均勻性，金屬外流而形成側面鼓形。而外徑的大小隨圓塊側鼓的大小變化而變化，側鼓的產生是摩擦狀態與金屬流動模式的體現，能很好的反映出摩擦狀態對工件成形的影響，從而可以準確地測定摩擦因子的值，如圖511所示，測量參數示意圖見圖5－10。該種方法簡便易行，容易進行工藝試驗。在摩擦因子的情況下，當上表面的摩擦因子時，上表面摩擦阻礙程度低，應力集中程度略低，因此變形程度要比下表面的摩擦因子時略高。 圖5－13 擠壓速度－圓塊外徑關系圖 在上面的模擬分析中，我們確定了使用圓塊開式反擠件的外徑做為測定參變量，在圓環的鐓粗測定法中，是使用圓環件的內外徑變化量做為測定參變量。兩種測定方法的速度場如圖5－14所示：在對比中可以看出,圓塊開式反擠的速度場處在一種穩定的狀態,金屬穩定地向圓周外緣方向擴散,與模具接觸面形成極少的金屬停滯區,能較好的反映出摩擦的效果，圓環鐓粗測定法沒有均勻的速度場, (a) 開式反擠速度場陰影圖 (b) 開式反擠速度場流勢圖速度方向更趨向于向下的速度趨勢,因此形成大面積的金屬停滯區, 摩擦效果就不能夠完全的表現出來，測定的摩擦因子也不準確。（3） 在對數值模擬結果的等效應力場、速度場的分析中，發現圓塊工件下表面變形的不均勻性，由于受摩擦阻力的影響，中心部位受到很大的應力，但是速度卻很小，處在停滯的狀態，這給利用下直徑進行摩擦因子的定量測定帶來了困難，因此不能將其作為測定的參變量。（6） 開式反擠壓比圓環鐓粗具有更加穩定的速度場，更能完全地反映出真實的摩擦效果，比圓環鐓粗測定摩擦因子更具有對冷擠壓工藝的復制性。因此，為了驗證理論分析計算和數值模擬的可靠性，有必要進行試驗研究。毛坯外徑D＝20mm，高H＝10mm，表面精磨，其材料的力學性能見表61： 表61 毛坯的力學性能σs /Mpaσb/MPaσs /σb δ% 205 335 摩擦因子測定用摩擦條件采用潤滑方式以及摩擦方式，擴大摩擦因子大小的范圍，從整體上驗證開式反擠壓的測定方法。為了實時記錄試驗過程中的擠壓力數據，選用了壓力傳感器、信號放大器以及函數記錄儀，以時間T作為擠壓力P變化參變量，記錄擠壓力的實時變化量。 (a) 試驗模具裝配圖 (b) 試驗模具拆散圖 圖6－3 試驗模具圖 試驗結果 為了方便與數值模擬結果進行對比，力求試驗條件與數值模擬中設置的條件一致，工件材料為退火的10＃鋼，毛坯尺寸與數值模擬中的毛坯尺寸相同，下壓行程6mm，上下表面粗糙度與潤滑狀態相同。 表6－2 不同摩擦條件下的試驗結果氧化鐵干摩擦石蠟豬油 石墨H4型水基高分子 / mmP / N 26800 25300 21500 21200 2020019700 試驗結果分析a、摩擦因子的確定與誤差分析 參照第五章中外徑數值模擬結果中的擬合關系式，對試驗結果進行求解處理，可以得到各種摩擦條件下的摩擦因子的數值，詳見表6－3。 圖6－5 H4型水基高分子潤滑劑擠壓力對比圖 c、工件的成形質量分析 工件的成形質量與工藝潤滑有密切的關系，良好的潤滑不僅可以提高工件成形質量，還可以降低成形力，降低模具的磨損，提高模具壽命。 (1) 通過試驗研究，獲得了圓塊開式反擠壓測定摩擦因子方法的重要參數數據（如外徑、擠壓力、表面質量等），并成形出理想的反擠壓工件。7 結論與展望 結論本文通過理論分析、數值模擬與工藝試驗相結合的方法，對圓塊開式反擠壓測定摩擦因子的方法展開研究與探討，得到的結論如下： (1) 運用上限元法建立起圓塊開式反擠壓模型的動可容速度場，并計算出受摩擦因子影響的成形力的上限解。運用數值模擬的方法得到了系列摩擦因子下外徑的值，利用最小二乘法進行擬合，建立起摩擦因子與測定標準參變量間的對應關系式，并驗證其準確性。另外，通過動可容速度場分析的金屬流動規律與側面鼓形的變化趨勢也得到了試驗的驗證。 (3) 分析擠壓力試驗結果與模擬結果的差異，驗證數值模擬的準確性。石墨粉潤滑效果也相當好，工件表面質量與H4型高分子潤滑劑的情況下大致相同。b、擠壓力P試驗結果與數值模擬結果的對比分析 試驗與數值模擬所得到的擠壓力與行程曲線基本上吻合，試驗中的擠壓力略大于數值模擬的結果。為了保證試驗結果的準確性，剔除隨機誤差，對相同的摩擦條件做四個工件，最終結果取平均值。 下模 內六角螺釘 凸模 支撐板 導向板 圓塊工件 圖62 模具結構圖 在實際的試驗過程中，保證模具中心與液壓機中心的對正。 試驗設備包括400KN手動液壓機、壓力傳感器、信號轉換器、函數記錄儀等，如圖61所示。另外，確定了各種摩擦條件下潤滑劑的潤滑效果，同時對擠壓力進行實時測量，并且與模擬結果進行對比分析，最后在分析與對比的基礎上提出了優化方案。由于摩擦因子受多種因素的影響，以及開式反擠壓圓塊過程的復雜性，故在理論研究和模擬過程中都要做一些假設，以使復雜問題簡單化，但是這會造成計算結果偏離實際情況。（4） 通過對一系列摩擦因子的模擬結果分析后，用最小二乘法擬合出摩擦因子與圓塊成形外徑間的關系式，為試驗中摩擦因子的定量測定提供了一種簡便易行的手段。（1） 根據模擬的結果得出，在選擇合理的開式反擠壓結構后，選用適當的參變量對摩擦因子進行定量的測定是可行的，這為試驗的研究提供了理論依據。為此，對相同摩擦因子的兩種測定方法進行了比較。擠壓速度的不同將會影響到圓塊最終成形的形狀，對測量的精度產生影響，如圖513所示：但是，塑性變形時，金屬已經達到了屈服的極限，因此擠壓速度的變化對擠壓力的影響不是很大。當上下表面的摩擦因子不同時，成形效果也會出現很大的不同，例如，、數值模擬的結果如圖512所示： (a) ， (b) ， 圖512 不同摩擦因子下的等效應力場上表面為球形沖頭下壓的反