TC4钛合金旋压有限元数值模拟分析
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图 ２～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 （ 旋轮与 坯料接触的部分称为变形区或接触区） 的上下表面应 力应变状态图．
变形区 已成形区
未成形区
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
图 ３ 初期等效应变分布
Ｆｉｇ．３ Ｅａｒ ｌｉｅｒ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ａｉｎ
（ ａ） 径向应力分布 （ ｂ） 切向应力分布 （ ｃ） 轴向应力分布
ＦｒｉｎｇｅＬｅｖｅｌｓ
６．４８４ｅ＋０８ ５．１３４ｅ＋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
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ｓｐｉｎｎｉｎｇ
ＴＣ４ 钛合金具有优良的综合性能， 但其加工工艺 性较差， 在旋压加工过程中易产生失稳、起皱、断裂等 缺 陷［１， ２］， 并 且 变 形 时 需 要 较 高 温 度 ， 致 使 加 工 过 程 复 杂， 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， 成本高， 周期长， 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， 揭示了曲母线件旋压变形 时应力、应变的分布规 律 以 及 变 形 机 理 ， 优 化 了 旋 压 工艺参数． 并以模拟为指导， 进行了薄壁曲母线件旋 压试验研究．
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
第６期
吕宏军， 等： ＴＣ４ 钛合金旋压有限元数值模拟分析
— ６１ —
２．２ 第一阶段第一道次变形中期模拟结果分析 图 ６～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， 应力最大集中在旋轮前下方．
Ｆｉｇ．６
图 ６ 中期等效应力分布
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， ＴＣ４ 钛合金坯料采用双线性随 动硬化塑性模型、８ 节点六面体实体单元， 积分算法采 用单点积分和沙漏控制， 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， 材料采用刚性（ Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｉｅｓ） 模型， 使用 ｓｈｅｌｌ１６３ 壳单元［３￣６］， 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， 与旋压实际情 况比较， 做如下假定： ①芯模和坯料静止不动， 旋轮沿 空 间 的 螺 旋 曲 线 进 给 （ Ｘ 为 径 向 、Ｙ 为 切 向 、Ｚ 为 轴 向） ； ②温旋时板坯温度保持恒温； ③在计算中忽略重 力、惯性力的影响； ④采用普通的直旋轮； ⑤与芯模装 夹处坯料不参与变形， 并定义为夹持区［７￣９］．
图 ２ 初期等效应力分布
Ｆｉｇ．２ Ｅａｒ ｌｉｅｒ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ｅｓｓ
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
（ １．航天材料及工艺研究所， 北京 １０００７６； ２．哈尔滨工业大学， 哈尔滨 １５０００１； ３． 天津工业大学， 天津 ３００１６０）
摘 要： 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， 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， 并初步优化了工艺参数， 在有限元数值模拟基础上， 成功旋制了高
从图 ２～图 ３ 可以看出在旋压初期， 板坯受到旋轮 的压力产生轻微的弹性翘曲， 应力主要集中在旋轮正 下方， 应变主要发生在变形区， 且近似二维变形． 从变 形区到坯料的边缘， 随着离旋轮距离的增加， 应力应 变均趋向零值． 从图 ４～图 ５ 可看出变形区上表面处于 三向压应力状态， 该应力状态下坯料成形条件较好， 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， 应力状态从三向受压逐渐过渡到 轴向受压而径向、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， 随着距离的增加， 应力逐渐减小， 而应变均逐渐趋向零值． 这是因为自 由端未参与变形， 仅有一些弹性应变．
— ６０ —
天津工业大学学报
第 ２６ 卷
Ｙ Ｘ
Ｚ
（ ａ） 实体模型
（ ｂ） 坯料网格模型（ １／４）
图 １ 曲母线件旋压有限元模型
Ｆｉｇ．１ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒ ｖｉｌｉｎｅａｒ ｗｏｒ ｋｐｉｅｃｅ
成形， 变形情况较复杂， 所以仅就具有代表性的第一 道 次 变 形 初 期 和 变 形 中 期 、旋 靠 芯 模 道 次 进 行 模 拟 分 析． 第二、三阶段一道次强旋成形， 其 变 形 方 式 相 同 ， 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， 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， 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， 从而对整体成形进行分析． 本文沿 Ｘ－ Ｚ 平面截取一截面， 仅给出一组参数（ 进给比 ｆ＝１．０ ｍ／ ｒ， 旋轮攻角＝２０°， 旋轮轨迹为凹圆弧， 旋轮圆角半径＝ ２０ ｍｍ， 摩擦系数＝０．３， 芯轴转速 ω１＝６０ ｒ／ｍｉｎ） 下的部分 计算结果． 其中 ＯＸ 为径向， 则 ＯＹ 为切向， ＯＺ 为轴向． ２．１ 第一阶段第一道次变形初期模拟结果分析
薄壁曲母线件旋压成形过程中， 板坯易发生皱 折、失稳、断裂等现象， 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、采用 ３ 个收稿日期： ２００７－ ０６－ ２１
作者简介： 吕宏军（ １９６６—） ， 男， 研究员， 博士生导师． Ｅ－ ｍａｉｌ： ｓｉｃｈｕａｎｌｉ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ＴＣ４ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＦＥＭ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ－ ｓｔｒａｉｎ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａｓ ｉｎ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｅｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＦＥＭｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｔｈａｔ ＦＥＭｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｅｌｉｇｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ．
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
图 ４ 初期三向应力分布 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｒ ｅｅ－ ｄｉｒ ｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒ ｅｓｓ ａｔ ｆｏｒ ｅｐａｒ ｔ
σｚ
σｒ σθ
εθ
εｒ σθ
σｚ σｒ
εθ εｒ
（ ａ） 上表面
（ ｂ） 下表面
图 ５ 初期变形区应力应变状态图 Ｆｉｇ．５ Ｅａｒ ｌｉｅｒ ｓｔｒ ｅｓｓ－ ｓｔｒ ａｉｎ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ ｄｅｆｏｒ ｍａｔｉｏｎ ｒ ａｎｇｅ
曲母线件的旋压第一道次， 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， 板坯除了 与夹持区有接触外， 大部分的毛坯处于悬空状态， 属 于“无芯模”旋压． 从任一轴向 截 取 截 面 看 ， 类 似 于 悬 臂梁受压变形．
ＬＶ Ｈｏｎｇ－ ｊｕｎ１， ３， ＹＵ Ｗａｎｇ－ ｙａｎｇ２， ＷＡＮＧ Ｑｉ１， ＬＩ Ｑｉ－ ｊｕｎ１， ＳＨＡＮ Ｄｅ－ ｂｉｎ２
（ １．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈａｅｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｅｒｂｉｎ １５００１， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６０， Ｃｈｉｎａ）
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
Ｆｉｇ．７ Ｍｅｄｉｕｍ－ ｔｅｒ ｍ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ａｉｎ
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
Ｍｅｄｉｕｍ－ ｔｅｒ ｍ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ｅｓｓ
精度试验件． 试验结果表明， 有限元模拟对旋压具有指导意义， 可以提高旋压合格率， 降低研制成本， 并缩短
研制周期．
关键词： 有限元； 数值模拟； 钛合金； 旋压
中图分类号： ＴＧ１４６．２３
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７１－ ０２４Ｘ（ ２００７） ０６－ ００５９－ ０７
ＦＥＭ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ＴＣ４ ａｌｌｏｙ
（ ａ） 径向应力分布
Ｆｒｉｎｇｅ Ｌｅｖｅｌｓ
第 ２６ 卷 第 ６ 期 ２００７ 年 １２ 月
天津工业大学学报 Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩＡＮＪ ＩＮ ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
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， ３， 余汪洋 ２， 王 琪 １， 李启军 １， 单德彬 ２
变形区 已成形区
未成形区
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
图 ３ 初期等效应变分布
Ｆｉｇ．３ Ｅａｒ ｌｉｅｒ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ａｉｎ
（ ａ） 径向应力分布 （ ｂ） 切向应力分布 （ ｃ） 轴向应力分布
ＦｒｉｎｇｅＬｅｖｅｌｓ
６．４８４ｅ＋０８ ５．１３４ｅ＋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
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｔｉｔａｎｉｕｍ ａｌｌｏｙ； ｓｐｉｎｎｉｎｇ
ＴＣ４ 钛合金具有优良的综合性能， 但其加工工艺 性较差， 在旋压加工过程中易产生失稳、起皱、断裂等 缺 陷［１， ２］， 并 且 变 形 时 需 要 较 高 温 度 ， 致 使 加 工 过 程 复 杂， 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， 成本高， 周期长， 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， 揭示了曲母线件旋压变形 时应力、应变的分布规 律 以 及 变 形 机 理 ， 优 化 了 旋 压 工艺参数． 并以模拟为指导， 进行了薄壁曲母线件旋 压试验研究．
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
第６期
吕宏军， 等： ＴＣ４ 钛合金旋压有限元数值模拟分析
— ６１ —
２．２ 第一阶段第一道次变形中期模拟结果分析 图 ６～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， 应力最大集中在旋轮前下方．
Ｆｉｇ．６
图 ６ 中期等效应力分布
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， ＴＣ４ 钛合金坯料采用双线性随 动硬化塑性模型、８ 节点六面体实体单元， 积分算法采 用单点积分和沙漏控制， 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， 材料采用刚性（ Ｒｉｇｉｄ Ｂｏｄｉｅｓ） 模型， 使用 ｓｈｅｌｌ１６３ 壳单元［３￣６］， 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， 与旋压实际情 况比较， 做如下假定： ①芯模和坯料静止不动， 旋轮沿 空 间 的 螺 旋 曲 线 进 给 （ Ｘ 为 径 向 、Ｙ 为 切 向 、Ｚ 为 轴 向） ； ②温旋时板坯温度保持恒温； ③在计算中忽略重 力、惯性力的影响； ④采用普通的直旋轮； ⑤与芯模装 夹处坯料不参与变形， 并定义为夹持区［７￣９］．
图 ２ 初期等效应力分布
Ｆｉｇ．２ Ｅａｒ ｌｉｅｒ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ｅｓｓ
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
（ １．航天材料及工艺研究所， 北京 １０００７６； ２．哈尔滨工业大学， 哈尔滨 １５０００１； ３． 天津工业大学， 天津 ３００１６０）
摘 要： 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， 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， 并初步优化了工艺参数， 在有限元数值模拟基础上， 成功旋制了高
从图 ２～图 ３ 可以看出在旋压初期， 板坯受到旋轮 的压力产生轻微的弹性翘曲， 应力主要集中在旋轮正 下方， 应变主要发生在变形区， 且近似二维变形． 从变 形区到坯料的边缘， 随着离旋轮距离的增加， 应力应 变均趋向零值． 从图 ４～图 ５ 可看出变形区上表面处于 三向压应力状态， 该应力状态下坯料成形条件较好， 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， 应力状态从三向受压逐渐过渡到 轴向受压而径向、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， 随着距离的增加， 应力逐渐减小， 而应变均逐渐趋向零值． 这是因为自 由端未参与变形， 仅有一些弹性应变．
— ６０ —
天津工业大学学报
第 ２６ 卷
Ｙ Ｘ
Ｚ
（ ａ） 实体模型
（ ｂ） 坯料网格模型（ １／４）
图 １ 曲母线件旋压有限元模型
Ｆｉｇ．１ ＦＥＭ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｃｕｒ ｖｉｌｉｎｅａｒ ｗｏｒ ｋｐｉｅｃｅ
成形， 变形情况较复杂， 所以仅就具有代表性的第一 道 次 变 形 初 期 和 变 形 中 期 、旋 靠 芯 模 道 次 进 行 模 拟 分 析． 第二、三阶段一道次强旋成形， 其 变 形 方 式 相 同 ， 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， 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， 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， 从而对整体成形进行分析． 本文沿 Ｘ－ Ｚ 平面截取一截面， 仅给出一组参数（ 进给比 ｆ＝１．０ ｍ／ ｒ， 旋轮攻角＝２０°， 旋轮轨迹为凹圆弧， 旋轮圆角半径＝ ２０ ｍｍ， 摩擦系数＝０．３， 芯轴转速 ω１＝６０ ｒ／ｍｉｎ） 下的部分 计算结果． 其中 ＯＸ 为径向， 则 ＯＹ 为切向， ＯＺ 为轴向． ２．１ 第一阶段第一道次变形初期模拟结果分析
薄壁曲母线件旋压成形过程中， 板坯易发生皱 折、失稳、断裂等现象， 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、采用 ３ 个收稿日期： ２００７－ ０６－ ２１
作者简介： 吕宏军（ １９６６—） ， 男， 研究员， 博士生导师． Ｅ－ ｍａｉｌ： ｓｉｃｈｕａｎｌｉ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ＴＣ４ ａｌｌｏｙ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｍｅａｎｓ ｏｆ ＦＥＭ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ－ ｓｔｒａｉｎ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｒｅａｓ ｉｎ ｒａｗ ｍａｔｅｒｉａｌ ｄｕｒｉｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｔｅｐ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ． Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ， ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ＦＥＭｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｔｈａｔ ＦＥＭｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｆｅｒｓ ｔｈｅ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓ ｔｏ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｅｌｉｇｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ．
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
图 ４ 初期三向应力分布 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｒ ｅｅ－ ｄｉｒ ｅｃｔｉｏｎａｌ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒ ｅｓｓ ａｔ ｆｏｒ ｅｐａｒ ｔ
σｚ
σｒ σθ
εθ
εｒ σθ
σｚ σｒ
εθ εｒ
（ ａ） 上表面
（ ｂ） 下表面
图 ５ 初期变形区应力应变状态图 Ｆｉｇ．５ Ｅａｒ ｌｉｅｒ ｓｔｒ ｅｓｓ－ ｓｔｒ ａｉｎ ｓｔａｔｕｓ ｉｎ ｄｅｆｏｒ ｍａｔｉｏｎ ｒ ａｎｇｅ
曲母线件的旋压第一道次， 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， 板坯除了 与夹持区有接触外， 大部分的毛坯处于悬空状态， 属 于“无芯模”旋压． 从任一轴向 截 取 截 面 看 ， 类 似 于 悬 臂梁受压变形．
ＬＶ Ｈｏｎｇ－ ｊｕｎ１， ３， ＹＵ Ｗａｎｇ－ ｙａｎｇ２， ＷＡＮＧ Ｑｉ１， ＬＩ Ｑｉ－ ｊｕｎ１， ＳＨＡＮ Ｄｅ－ ｂｉｎ２
（ １．Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００７６， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｈａｅｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｈａｅｒｂｉｎ １５００１， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｎｉｔｙ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００１６０， Ｃｈｉｎａ）
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
Ｆｉｇ．７ Ｍｅｄｉｕｍ－ ｔｅｒ ｍ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ａｉｎ
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
Ｍｅｄｉｕｍ－ ｔｅｒ ｍ ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒ ｅｓｓ
精度试验件． 试验结果表明， 有限元模拟对旋压具有指导意义， 可以提高旋压合格率， 降低研制成本， 并缩短
研制周期．
关键词： 有限元； 数值模拟； 钛合金； 旋压
中图分类号： ＴＧ１４６．２３
文献标识码： Ａ
文章编号： １６７１－ ０２４Ｘ（ ２００７） ０６－ ００５９－ ０７
ＦＥＭ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ＴＣ４ ａｌｌｏｙ
（ ａ） 径向应力分布
Ｆｒｉｎｇｅ Ｌｅｖｅｌｓ
第 ２６ 卷 第 ６ 期 ２００７ 年 １２ 月
天津工业大学学报 Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＴＩＡＮＪ ＩＮ ＰＯＬＹＴＥＣＨＮＩＣ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ
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， ３， 余汪洋 ２， 王 琪 １， 李启军 １， 单德彬 ２