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基于塑性变形有限元模拟的模具结构优化.pdf

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基于塑性变形有限元模拟的模具结构优化.pdf

锻压技术2006年第2期基于塑性变形有限元模拟的模具结构优化吴丽平31,刘建雄2,刘新胜2,肖正明2昆明理工大学模具新技术研究所,云南昆明650093摘要本文对马鞋6061铝合金塑性成形过程进行了有限元数值模拟分析,模拟发现了坯料充不满等缺陷。通过改进模具结构,数值模拟表明采用阻料设计可防止缺陷的产生,并提高材料的利用率,降低成形压力。关键词有限元法;模具结构;数值模拟;阻料设计中图分类号TG375文献标识码A文章编号10002394020060220055203OPTIMIZINGDIESTRUCTUREBASEDONTHEPLASTICFORMINGFEMSIMULATIONWULI2PING1,LIUJIAN2XIONG2,LIUXIN2SHENG2,XIAOZHENG2MING2RESEARCHINSTITUTEOFNEWTECHNOLOGYOFDIES,KUNMINGUNIVERSITYOFSICENCEANDTECHNOLOGY,KUNMINGYUNNAN650093,CHINAABSTRACTINTHISPAPER,WESTUDIESTHEPLASTICFORMINGTECHNOLOGYOFTHEHORSESHOEWHICHISMADEBY6061ALUMI2NUMALLOYANDSIMULATESTHEFORMINGPROCESSWHICHRUNSINDEFORM3DSOFTWAREFROMTHESIMULATIONRESULTS,WEFOUNDTHEINSUFFICIENTFORMINGATTHETOPOFTHEPARTSOWEIMPROVETHEDIESTRUCTURETOCONTROLTHEMATERIALFLOWANDSIMULATEDAGAINANDTHEMATERIALFLOWSEFFECTIVELYITHASBEENSHOWNTHATFINITEELEMENTSIMULATIONCANIMPROVETHEFORGINGPROCESSDESIGNLEVELGREATLYKEYWORDSFEM;DIESTRUCTURE;NUMERICALSIMULATION;HOLD2MATERIALDESIGN1引言金属塑性成形过程是一个弹塑性大变形的过程,模具设计、工艺参数设置等是否合理会严重影响产品成形和产品质量。金属塑性成形工艺传统的研究方法都是“经验法”、“试模法”,这种方法往往造成3男,24岁,硕士研究生收稿日期2005204226大量人力物力的损失,产品生产周期长。随着计算机的发展,CAD、CAE软件的广泛使用,传统的“经验法”、“试模法”逐渐被计算机模拟所代替。DEFORM是一套基于刚粘塑性有限元的工艺仿真系统,用于分析金属成形及其相关工业的各种成形工艺和热处理工艺。通过在计算机上模拟整个加工过程,帮助设计人员工具产品、工艺流程设计,减少昂贵的现场试验成本;提高工模具设计效率,降低生产和材料成本;缩短新产品具润滑等主要因素根据具体情况正确选择和采用适当的措施,温挤压模具的寿命将会得到成倍提高。参考文献1洪慎章,曾振鹏1磁极高速温挤压工艺及模具设计J1热加工工艺,2000,4323312李更新,杨永顺1直齿圆柱齿轮温挤压数值模拟及凹模改良J1河南科技大学学报自然科学版,2004,45813李更新,杨永顺1直齿圆柱齿轮温挤压成形的数值模拟J热加工工艺,2004,749504黄觉亮1外球面方孔轴承方孔的温挤压、冷精冲复合工艺J1机械开发,1999,149515田福祥1阀瓣闭式温挤压工艺及模具设计J1模具工业,2005,138406ZHANGQING,ZHANGLILING,QIUPING1COUPLEDTHERMAL2ME2CHANICALANALYSISOFWARMEXTRUSIONFOROUTER2RACEVL1OFCONSTANTVELOCITYUNIVERSALJOINTC1THESEVENTHASIASYMPOSIUMONPRECISIONFORGING1CHINA,20007蔡美良,丁惠麟,孟沪龙1新编工模具钢金相热处理M1北京机械工业出版社,20018沈俊峰,沈利群1提高模具材料疲劳抗力的途径J1上海金属11998,219229徐耀坤1模具材料及热处理技术对模具寿命影响的研究J1锻压技术,2002,4626410赵昌盛,居建村1浅析模具失效的基本因素J1机械工人热加工12003,12171811洪深泽1挤压工艺及模具设计M1北京机械工业出版社,200055的研究开发周期。本文采用DEFORM3D510塑性有限元模拟分析软件,对马鞋6061铝合金塑性形成过程进行模拟,预测成形及缺陷的产生,在软件数据指导下优化模具设计和成形参数,得到合理的工艺方案。2马鞋成形工艺及存在问题马鞋的产品图如图1所示,其成形工艺为6061铝合金棒料Φ18MM75MM用弯模将棒料冷弯电阻炉加热加热到480℃,模具温度为400C开式模锻成形去毛边开模后立即去毛边,防止时效强化。图1马鞋锻件几何模型FIG11GEOMETRICALMODELOFHORSESHOE产品成形要求如下1对零件进行热锻时,同时挤出一个三角形如图1所示,其三角形的高度和工件主体等高。如果模具设计的不合理,三角形处很容易出现充不满的现象;2三角形处受力较大,要求不易变形,因此不能存在太大的残余应力;3提高材料利用率,减少模具磨损,降低成形力,提高模具寿命。3刚粘塑性有限元基本原理变形铝合金发生塑性变形时,应满足以下塑性力学基本方程平衡微分方程、几何方程、本构方程、屈服准则、体积不可压缩、边界条件。按照MARKOV第一变分原理,采用LAGRANGIAN乘子法、罚函数法及修正罚函数法来构造新的泛函,表达如下Π∫VΣΕDDK2∫VΕV2DV∫SFFIUIDS泛函的一阶变分为ΔΠ∫ΣΔΕDVΑ∫VΕVΔΕVDV∫SFFIΔUIDS式中Σ、Ε等效应力和等效应变速率Ε体积应变速率FI边界SF上的给定外力Α惩罚因子,一般为105~106当泛函一阶变分等于零,即ΔΠ0泛函取得驻值,变形体内的速度场为真实的速度场。对上式进行变分和线性化处理,得到关于速度增量的有限元求解方程组S{ΔU}{R}式中S劲度矩阵{R}加载矢量{ΔU}节点速率的增量矢量线性方程是刚塑性有限元法的通用公式,用NEW2TON2RAPHSON迭代法求解,可得到各种力学场量。4模拟分析及模具结构优化411在DEFORM中对产品成形进行模拟由于产品形状较为复杂,存在很多小孔和小突起部位,在DEFORM中模拟时易产生网格畸变,所以需要对模型进行简化,重点模拟关键部位的成形。采用PRO/ENGINEER专业造型软件完成简化模型的模具和坯料的几何造型,以STL文件保存,导入到DEFORM3D中,有限元模拟模型见图2。图2马鞋锻造有限元模型FIG12FEMMODELOFHORSESHOE模拟分析中,工件选料6061铝合金,应力应变曲线如图3,坯料初始温度为480℃,采用绝对方式划分网格,网格单元大小为1MM,纵横比为3,设置上模向下运动20MM,毛坯和模具各部件的摩擦因子均取013,模具温度为400℃,工件为弹性体,模具为刚体。图36061铝合金应力应变曲线应变速率011FIG136061ALSTRESS2STRAINCURVESSTRAINRATE011412模拟结果及分析模拟发现,使用该模具结构不能使三角形充满,模拟结果见图4。从坯料的塑性变形过程可以看出,多余的料不会挤出三角形,而是往飞边处流动。针65对以上的分析,要使模型充满可以通过两种方案来解决1还使用该模具去生产,要得到合格的产品,必须加大棒料,加大压力,但是这样必定造成很多废料,模具的磨损也将增大。2改进模具结构,在模具中采用阻料结构,控制坯料的流动,使料向三角形方向填充。采用第二种方法既可以解决存在的问题,又可以提高材料的利用率。图4改进前模拟终锻图FIG14FINISHEDFORGING413模具改进及模拟分析对原始模具结构进行改进,在下模的外圈和中间增加阻料机构,改进后下模见图5。使用改进后的模具进行模拟,模拟的结果见图6,可以看出在使用相同的料的情况下,三角形完全充满。观察坯料的塑性变形过程可以看出,由于阻料机构的存在,坯料向中间和四周的流动阻料增大,只能向三角形方向流动。图5下模三维实体图FIG153DMODELOFBOTTOMDIE在对模具的阻料设计进行优化,发现外圈的挡块厚度对成形压力有很大影响。图7A、B为挡块内径分别为Φ138MM和Φ142MM时,上模所受载荷的变化曲线,由图可以明显看出,前者成形压力约为后者的两倍。图8是挡块内径为Φ142MM模锻成形结束后的等效应力图与等效应变图,由图中可以看出锻件飞边和三角形尖部应变较大,其他部位应变均匀。从坯料的变形中可以看出,不存在折叠、剪切等缺陷。5结论通过利用DEFORM3D有限元模拟分析软件,采用不同模具结构对马鞋成形进行数值模拟,其结果证明1运用三维有限元分析软件对锻造过程进行模拟能预先发现成形过程可能出现的缺陷,减少模具报图7上模载荷线FIG17LOADPREDICTIONONTOPDIE图8等效应力及等效应变图FIG18EFFECTIVESTRAINANDEFFECTIVESTRESS废和试模次数,提高模具寿命,缩短产品开发周期。2采用阻料设计可使产品避免产生充不满等问题,并且可节省材料、降低成本。通过模拟,优化模具阻料设计尺寸,减小了成形压力。参考文献1王祝堂,田荣璋1铝合金及其加工手册M长沙中南大学出版社,200012应富强,张更超,等1金属塑性成形中的三维有限元模拟技术探讨J1锻压技术,200421413林新波1DEFORM22D和DEFORM23DCAE软件在模拟金属塑性变形过程中的应用J1模具技术,2000,3758014XUEFENGLIU1FORGINGPROCESSMODELINGOFCONE2SHAPEDPOSTSJ1JOURNALOFUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYBEIFINGVOLUME11,2004175

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