锻造预成形工艺三维塑性有限元模拟_陈军

表2　流动应力的预测值与实际值比较

等效应变变形温度(℃)等效应变速率(s -1)网络输出预测值(M Pa)实际测量值(M Pa)相对误差

(%)0.20.20.30.30.40.40.50.50.60.60.70.7

1000110010509509501050115011001000110011501100

20.03.060.080.010.030.09.080.050.0100.030.04.0

157.590.0174.6227.0182.0160.7106.0168.7226.4174.4127.3106.0

154.199.4166.2217.2171.2150.197.3160.7218.0167.2122.3111.1

2.2-9.45.04.56.36.68.95.0

3.8

4.34.1-4.5

4　结论

通过本文的工作,人工神经网络(ANN )可用于热粘塑性材料的本构关系的建立。并且,预测结果具有足够的精度,它不仅能够满足目前工程应用时的需要,而且可以为金属塑性加工过程的智能仿真提供更为准确的原始信息。

参考文献

1　周纪华,管克智.金属塑性变形阻力.北京:机械工业出版社,

1989.

2　史忠植.神经计算.北京:电子工业出版社,1993.

3　焦李诚.神经网络系统理论.西安:西安电子科技大学出版社,

1990.

*上海市科技启明星基金资助项目(编号:96Q F/4006)收稿日期:1997—09—01

锻造预成形工艺三维塑性有限元模拟

*

200030　上海交通大学　陈　军　彭颖红　阮雪榆

摘要　综述了目前锻造成形工艺数值模拟的发展现状,对三维锻造过程数值模拟技术的软件

系统实现提高了可靠的处理方法,并建立了通用三维刚塑性/刚粘塑性有限元数值模拟系统。对圆饼类锻件的镦粗预成形工艺进行了过程模拟,首次模拟了连杆滚挤预成形工艺,分析了摩擦条件对成形过程的影响,对于模拟整个多工位锻造过程,实现合理的预成形工艺和模具设计具有重要意义。

Preforging processes simulation by 3—dimensional rigid -viscoplastic FEM

This paper first rev iews the state of the art in the prefo rging num erical sim ulation by FEM,and pro poses many effectiv e methods to implement this techno log y in the co mputer ,furthermo re ,sets up the general 3D rigid-plastic /rigid-visco plastic FEM simulatio n softw are.Seco nd this paper sim ula tes the prefo rging process-upsetting of circle-handle fo rging par t,and traces the ro llex truding prefo rging pro cess of the linking -rod par t ,w hich co nsiders the effect of friction upo n the fo rming process .Finally that th e co nclusio n is draw n tha t the FEM sim ulation plays an im po rtant ro le in simulating the whole multi-stag e forging processes and fulfils the reaso nable technolog y a nd die desig ning.

叙词　预成形　锻造　数值模拟　三维刚塑性有限元1　引言

在锻造工艺中,许多零件的几何形状非常复杂,无法用一个模锻工位成形,或者采用一个工位成形时,容易产生表面或内部缺陷,模具受力状态恶劣,使用寿命低。为解决上述问题,业内人士提出了多工位锻造成形(M ulti -stag e forging )。多工位成形模具中工序的数量和预成形模腔的几何形状,直接影

响着模具的使用寿命、制品的形状和尺寸精度,以及塑性加工生产的效率。在多工位成形工艺中,最重要

的是设计预成形模腔的几何形状,保证金属的合理流动,为终锻成形提供合理形状的毛坯。

塑性有限元法不失为一种检验模具设计合理与否的有效方法,国内外学者在这方面进行了许多的研究。Kim N 和Kang B S 等人利用有限元法对H 形锻件的预成形工艺和模具设计进行了数值模拟

[1,2]

;赵国群将链轨节锻造成形过程简化为二维问

题进行刚粘塑性有限元模拟,所提出的模具设计和

坯料的初始放置位置的建议,可以减小终锻成形的飞边,提高材料利用率[3],同时提出一种预成形设计的新方法,即利用反向模拟确定预成形坯料的形状,以正向模拟为检验手段[3,4];卫原平对船用锅炉手孔盖连续锻造过程进行了二维有限元模拟[5]。采用三维刚粘塑性有限元模拟多工位锻造成形过程,目前国际上这方面的工作进行得较少,仅有Cesutti J P 假定了中间毛坯的几何形状进行连杆终锻成形过程模拟[6];Hyunkee Kim则通过轧制提供的毛坯模拟连杆的终锻成形过程[7];王忠金同样假定了预成形毛坯的形状进行连杆终锻成形小变形量的有限元模拟[8]。但上述研究还没有真正实现多工位成形过程的模拟。本课题的成功,将无须实际试模,而只在计算机上对不同预成形工艺方案进行金属成形过程模拟,就可对模具进行优化设计。

要实现多工位锻造过程的三维刚粘塑性有限元模拟,首先要从坯料的初始形状开始,进行预成形工步的有限元模拟。

实际生产中,所有的锻件按其几何特征大致可以分为两类:圆饼类和长轴类。这两类锻件的预成形工艺显著不同,圆饼类最典型的预成形工艺为镦粗(又叫拍扁);长轴类最典型的预成形工艺为滚挤。下面将主要对这两类预成形工艺进行三维刚粘塑性有限元数值模拟[9]。

2　刚粘塑性有限元模拟的基本理论

在刚塑性/刚粘塑性有限元法中,罚函数法应用较广,即在满足几何条件和速度边界条件式的一切运动许可速度场v*中,真实解使泛函式H取极值。

　H=

V

e-X

dν+

T

2V

(X i j W ij)2dν-∫S F F i u i d s

(1)式中　e-——空间任意点的等效应力

　X

——空间任意点的等效应变速率

　T——惩罚因子,一般取105～106

　X ij——空间任意点的应变速率分量

　W ij——Kro neker记号,定义为:

W ij=

1,i=j

0,i≠j

　F i——外载荷

　u i——边界速度

　dν——空间积分符号

将式(1)化为矩阵形式并进行单元离散,则在第m个单元中,对应于真实速度场的泛函H(m)为:

　H(m)=

V(m)e-2

3

{u}T[K]{u}dν+T

2V(m)

({X}T{C})2dν-∫S F(m){v}T{F}d s(2)

式中　{u}——第m个单元中节点的速度列阵　[K]——单元的刚度矩阵

　{X}——单元的应变速率列阵

　[C]——矩阵记号,[C]={111000}T

　{v}——边界节点的速度列阵

　V(m)——单元的积分空间

　{v}T——边界节点速度矢量列阵的转置矩阵则总的泛函表达式为:

　H≈∑H(m)=H(u1,u2,…,u M)(3)对上式中的泛函求变分,得:

　∑H(m)u i=0(4)为将式(4)进行线性化,采用摄动法得:

　H(m)

{u}n=

H(m)

{u}n-1+

2H

2{u}n-1{Δu}n(5)

将式(5)代入式(4),并考虑外力摩擦力在局部坐标系中对总体刚度矩阵和载荷列阵的贡献,通过迭代的方法,可以求解变形材料的速度场。

3　模拟系统中的核心处理技术

与二维模拟相比,三维模拟对许多问题的处理方法有着显著的不同,其独具特色的方法主要有以下几点:

(1)通用模拟系统必须具备描述任意三维模具形状的能力

N URBS是ISO确定的描述工业产品几何形状的唯一表达式,双三次N URBS曲面Brep表示可以描述所有的模具形状;同时CSG造型在常规几何实体建模时由于采用参数化建模,因而具有较大的灵活性。本文采用商业化C AD/CAM软件Unig raph-icsII为平台,利用其二次开发工具USER FUNC-TION和混合建模技术,实现任意模具几何形状的造型。

(2)采用反正切摩擦力模型施加边界摩擦条件

摩擦力函数表达式有:

　f=-wkt=-2

πwk tg

-1(v s

A

)(6)

　H f=-

S

F

(∫v s0wk2πtg-1(v s A)d v s)d s(7)式中　w——摩擦因子