TC4钛合金旋压有限元模拟
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要 60 要
天津工业大学学报
第 26 卷
Y X
Z
渊a冤实体模型
渊b冤坯料网格模型渊1/4冤
图 1 曲母线件旋压有限元模型
Fig.1 FEM model of spinning curvilinear workpiece
Abstract院 The spinning process for TC4 alloy is simulated by the means of FEM numerical simulation袁 and the stress-strain status of different areas in raw material during different step and the influences of spinning parameters are analyzed袁 and the parameters are optimized. At the same time袁 high precision products are successfully produced on the basis of FEM numerical simulation. The results show that FEM numerical simulation offers the instructions to spinning formation袁 and can increase the ratio of eligibility and reduce the cost and shorten the time.
渊1.Aerospace Research Institute of Material and Processing Technology袁 Beijing 100076袁 China曰 2.Haerbin Institute of Technology袁 Haerbin 15001袁 China曰 3.Tianjin Polytechnic Univenity袁 Tianjin 300160袁 China冤
Fig.2 Earlier distribution of equivalent stress
Fig.3
图 3 初期等效应变分布
FringeLevels 5.795e-02 5.216e-02 4.636e-02 4.057e-02 3.477e-02 2.898e-02 2.318e-02 1.739e-02 1.159e-02 5.795e-03 0.000e+00
薄壁曲母线件旋压成形过程中袁 板坯易发生皱 折尧失稳尧断裂等现象袁这与每道次旋压件的深度与直 径比关系密切. 模拟将旋压分 3 个阶段尧 采用 3 个不 同尺寸芯模逐步旋压成形. 第一阶段采用多道次普旋
收稿日期院2007-06-21
作者简介院吕宏军渊1966要冤袁男袁研究员袁博士生导师. E-mail: sichuanli@yahoo.com.cn
第 圆远 卷 第 6 期 圆园园苑 年 12 月
天津工业大学学报 允韵哉砸晕粤蕴 韵云 栽陨粤晕允陨晕 孕韵蕴再栽耘悦匀晕陨悦 哉晕陨灾耘砸杂陨栽再
Vol.26 No.6 December 2007
TC4 钛合金旋压有限元数值模拟分析
吕宏军 1袁3袁余汪洋 2袁王 琪 1袁李启军 1袁单德彬 2
渊1.航天材料及工艺研究所袁北京 100076曰 2.哈尔滨工业大学袁哈尔滨 150001曰3. 天津工业大学袁 天津 300160冤
曲母线件的旋压第一道次袁是平板毛坯变形为一 个小曲率壳体的变形阶段. 在该变形阶段袁 板坯除了 与夹持区有接触外袁 大部分的毛坯处于悬空状态袁属 于野无芯模冶旋压. 从任一轴向截取截面看袁类似于悬 臂梁受压变形.
从图 2耀图 3 可以看出在旋压初期袁板坯受到旋轮 的压力产生轻微的弹性翘曲袁应力主要集中在旋轮正 下方袁应变主要发生在变形区袁且近似二维变形. 从变 形区到坯料的边缘袁随着离旋轮距离的增加袁应力应 变均趋向零值. 从图 4耀图 5 可看出变形区上表面处于 三向压应力状态袁 该应力状态下坯料成形条件较好袁 旋压时不会被拉裂. 变形区上表面沿坯料厚度方向到 变形区坯料下表面袁应力状态从三向受压逐渐过渡到 轴向受压而径向尧 切向受拉应力状态. 旋轮与坯料变 形区到坯料的边缘部分为自由端袁 随着距离的增加袁 应力逐渐减小袁 而应变均逐渐趋向零值. 这是因为自 由端未参与变形袁仅有一些弹性应变.
成形袁变形情况较复杂袁所以仅就具有代表性的第一 道次变形初期和变形中期尧旋靠芯模道次进行模拟分 析. 第二尧三阶段一道次强旋成形袁其变形方式相同袁 所以仅就第三阶段旋压进行模拟.
2 薄壁曲母线件旋压有限元模拟应力应变分析
模拟重点分析薄壁曲母线件在旋压成形不同时 期的应力应变分布规律袁可为旋压坯料受力状态控制 提供理论指导和防止缺陷产生. 由于旋压坯料呈轴对 称袁故可以通过对沿旋压轴向任一截面上的应力应变 分布进行分析袁从而对整体成形进行分析. 本文沿 XZ 平面截取一截面袁仅给出一组参数渊进给比 f=1.0 m/ r袁旋轮攻角=20毅袁旋轮轨迹为凹圆弧袁旋轮圆角半径= 20 mm袁摩擦系数=0.3袁芯轴转速 棕1=60 r/min冤下的部分 计算结果. 其中 OX 为径向袁则 OY 为切向袁OZ 为轴向. 2.1 第一阶段第一道次变形初期模拟结果分析
Key words院 finite element曰 numerical simulation曰 titanium alloy曰 spinning
TC4 钛合金具有优良的综合性能袁 但其加工工艺 性较差袁在旋压加工过程中易产生失稳尧起皱尧断裂等 缺陷[1袁2]袁并且变形时需要较高温度袁致使加工过程复 杂袁 产品精度难以控制. 因而单纯依靠试验的方法来 研究 TC4 钛合金的旋压工艺袁成本高袁周期长袁试验过 程中的随机干扰因素较多. 本文使用 Ansys/Ls-dyna 软件对 TC4 钛合金薄壁曲母线件旋压成形进行了三 维弹塑性有限元模拟分析袁揭示了曲母线件旋压变形 时应力尧应变的分布规律以及变形机理袁优化了旋压 工艺参数. 并以模拟为指导袁 进行了薄壁曲母线件旋 压试验研究.
图 2耀图 4 为模拟计算第一阶段第一道次变形初 期应力应变分布图. 图 5 为相应时间变形区 渊旋轮与 坯料接触的部分称为变形区或接触区冤的上下表面应 力应变状态图.
变形区
未成形区
已成形区
图 2 初期等效应力分布
FringeLevels 5.467e+08 4.921e+08 4.374e+08 3.827e+08 3.280e+08 2.734e+08 2.187e+08 1.640e+08 1.093e+08 5.467e+07 0.000e+00
FringeLevels 3.579e+08 2.759e+08 1.939e+08 1.119e+08 2.996e+08 2.996e+07 -5.202e+07 -1.340e+08 -2.160e+08 -2.980e+08 -3.799e+08 -4.619e+08
FringeLevels 2.601e+08 1.816e+08 1.031e+08 2.456e+07 -5.397e+07 -1.325e+08 -2.110e+08 -2.896e+08 -3.681e+08 -4.466e+08 -5.251e+08
Fringe Levels 3.629e+08 2.094e+08 5.596e+07 -9.751e+07 -2.510e+08 -4.045e+08 -5.579e+08 -7.114e+08 -8.649e+08 -1.018e+09 -1.172e+09
Earlier distribution of equivalent strain
渊a冤径向应力分布 渊b冤切向应力分布 渊c冤轴向应力分布
FringeLevels 6.484e+08 5.13百度文库e+08 3.785e+08 2.435e+08 1.085e+08 -2.641e+07 -1.614e+08 -2.963e+08 -4.313e+08 -5.662e+08 -7.012e+08
图 4 初期三向应力分布 Fig.4 Three-directional distribution of stress at forepart
滓z
滓r 滓兹
着兹
着r 滓兹
滓z 滓r
着兹 着r
渊a冤上表面
渊b冤 下表面
图 5 初期变形区应力应变状态图 Fig.5 Earlier stress-strain status in deformation range
摘 要院采用有限元法对薄壁曲母线 TC4 钛合金构件旋压成形进行了模拟计算袁分析了旋压不同阶段坯料应力应变
状态和旋压工艺参数对旋压成形的影响袁并初步优化了工艺参数袁在有限元数值模拟基础上袁成功旋制了高
精度试验件. 试验结果表明袁有限元模拟对旋压具有指导意义袁可以提高旋压合格率袁降低研制成本袁并缩短
研制周期.
关键词院有限元曰 数值模拟曰 钛合金曰 旋压
中图分类号院TG146.23
文献标识码院粤
文章编号院员远苑员原园圆源载渊圆园园苑冤园6原园园59原园7
FEM numerical simulation of spinning processing for TC4 alloy
LV Hong-jun1袁3袁 YU Wang-yang2袁 WANG Qi1袁 LI Qi-jun1袁 SHAN De-bin2
1 有限元模拟数学模型及模拟工艺方案
准确的数学模型关系到数值计算能否进行和计 算的精确性等. 本试验对平板坯料旋压成形薄壁曲母
线件建立了数学模型袁TC4 钛合金坯料采用双线性随 动硬化塑性模型尧8 节点六面体实体单元袁积分算法采 用单点积分和沙漏控制袁这样能节省时间并在大变形 条件下增加有限元计算的可靠性. 芯模和旋轮不参与 变形袁材料采用刚性渊Rigid Bodies冤模型袁使用 shell163 壳单元[3~6]袁且网格划分密度需比坯料稀疏一些. 图 1为 薄壁曲母线件旋压有限元模型. 此外袁 与旋压实际情 况比较袁做如下假定院淤芯模和坯料静止不动袁旋轮沿 空间的螺旋曲线进给 渊X 为径向尧Y 为切向尧Z 为轴 向冤曰于温旋时板坯温度保持恒温曰盂在计算中忽略重 力尧惯性力的影响曰榆采用普通的直旋轮曰虞与芯模装 夹处坯料不参与变形袁并定义为夹持区[7~9].
Medium-term distribution of equivalent stress
Fig.7
图 7 中期等效应变分布
Fringe Levels 3.551e-01 3.195e-01 2.840e-01 2.485e-01 2.130e-01 1.775e-01 1.420e-01 1.065e-01 7.101e-02 3.551e-02 0.000e+00
Medium-term distribution of equivalent strain
渊a冤径向应力分布
Fringe Levels 5.315e+08 3.665e+08 3.016e+08 3.666e+07 -1.283e+08 -2.932e+08 -4.581e+08 -6.231e+08 -7.880e+08 -9.529e+08 -1.110e+09
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第6期
吕宏军袁等院TC4 钛合金旋压有限元数值模拟分析
要 61 要
2.2 第一阶段第一道次变形中期模拟结果分析 图 6耀图 8 为模拟计算第一阶段第一道次变形中
期应力应变分布图. 图 9 为相应时间变形区上下表面 应力应变状态图.
从图 6 可以看出袁 应力最大集中在旋轮前下方.
Fig.6
图 6 中期等效应力分布
Fringe Levels 4.839e+08 4.355e+08 3.871e+08 3.387e+08 2.903e+08 2.420e+08 1.936e+08 1.452e+08 9.678e+07 4.839e+07 0.000e+00