有限元铝合金镦粗变形过程应变场分布的研究模拟

1、-范文最新推荐- 有限元铝合金镦粗变形过程应变场分布的研究模拟 本文利用DEFORM-3D有限元软件对铝合金镦粗变形过程应变场分布进行了模拟研究，分析不同工艺条件对坯料内部应变场分布的影响，给出应变场分布的规律。模拟结果表明：铝合金内部存在不均匀变形，表面变形小，越靠近中心位置的部分，其应变越大，中心位置点为应变值的最大点。且随变形程度的增大，应变也增大，但不同位置处应变的增大存在差异，表面的应变值增大较不明显，而心部的应变值增大较明显。随后, 采用网格法对坯料内部不同位置处应变进行了测量与计算，对上述数值模拟结果进行了验证,两者基本一致，从而验证了本论文采用的有限元模拟法在分析铝合金镦粗变形

2、过程应变场方面的可行性和可靠性。最后分别用Gaussian函数、柯西-洛伦兹函数以及Voigit函数对模拟得到的高度方向和半径方向中线处应变分布规律进行了拟合，发现镦粗变形过程中的应变分布规律可用Gaussian函数、柯西-洛伦兹函数以及Voigit函数较好地表达。5805关键词：铝合金；冷镦粗变形；应变场；数值模拟；网格法AbstractIn this paper, DEFORM-3D finite element software aluminum upsetting deformation strain field distribution in the simulation study

3、, analysis of different process conditions on the blank field distribution of internal strain, strain field given distribution law. The results show that: Aluminum strain at different locations with similar change process, the strain and deformation approximately linear relationship between the degr

4、ee, and with the increase of deformation, the strain is increased, but at different positions to be variable increases the value of differences. For different positions, the position closer to the central portion of the larger degree of deformation is large, the greater the corresponding strain, the

5、 center point of the strain deformation of the aluminum pressure maximum point worth. Subsequently, using the grid method at different locations inside the blank strain were calculated for the numerical simulation results are verified, the two are basically the same, which proves this paper, the fin

6、ite element method in the analysis of aluminum upsetting deformation strain the feasibility and reliability of the field distribution. Finally respectively Gaussian function, Cauchy - Lorentz function and the function of the analog Voigit the height direction and the width direction compressive stra

7、in distribution line fitting, simulation results show that the distribution of the data in accordance with Gaussian function, function of Cauchy-Lorenzcurve and Voigit function, numerical simulation results with high reliability. 3.4实验验证193.4.1实验设备193.4.2实验方案及数值模拟结果验证213.5铝合金6061应变分布模拟结果的函数拟合284 结论3

8、2致谢33参考文献341绪论1.1铝合金简介1.1.1基本信息铝合金以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、铬、锂等。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660），铝是面心立方结

9、构，故具有很高的塑性（δ:3240%，ψ:7090%），易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 2460kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 σb/ρ）胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、

10、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。 影响流动性的因素很多，主要是成分、温度以及合金液体中存在金属氧化物、金属化合物及其他污染物的固相颗粒，但外在的根本因素为浇注温度及浇注压力（俗称浇注压头）的高低。实际生产中，在合金已确定的情况下，除了强化熔炼工艺（精炼与除渣）外，还必须改善铸型工艺性（砂模透气性、金属型模具排气及温度），并在不影响铸件质量的前提下提高浇注温度，保证合金的流动性。（4）铝材铝和铝合金经加工成一定形状的材料统称铝材，包括板材、带材、箔材、管材、棒材、线材、型材等。（5）缺陷修复铝

11、合金在生产过程中，容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。如何修复铝合金铸件气孔等缺陷呢？如果用电焊、氩焊等设备来修补，由于放热量大，容易产生热变形等副作用，无法满足补焊要求。冷焊修复机是利用高频电火花瞬间放电、无热堆焊原理来修复铸件缺陷。由于冷焊热影响区域小，不会造成基材退火变形，不产生裂纹、没有硬点、硬化现象。而且熔接强度高，补材与基体同时熔化后的再凝固，结合牢固，可进行磨、铣、锉等加工，致密不脱落。冷焊修复机是修补铝合金气孔、砂眼等细小缺陷的理想方法。1.1.3铝合金的分类一系:1000系列铝合金代表 1050、1060 、1100系列。在所有系列中1000系列属于含铝量最多的一个系列

12、。纯度可以达到99.00%以上。由于不含有其他技术元素，所以生产过程比较单一，价格相对比较便宜，是目前常规工业中最常用的一个系列。目前市场上流通的大部分为1050以及1060系列。1000系列铝板根据最后两位阿拉伯数字来确定这个系列的最低含铝量，比如1050系列最后两位阿拉伯数字为50，根据国际牌号命名原则，含铝量必须达到99.5%以上方为合格产品。我国的铝合金技术标准(gB/T3880-2006)中也明确规定1050含铝量达到99.5%.同样的道理1060系列铝板的含铝量必须达到99.6%以上。 九系:9000系列铝合金是备用合金。1.2圆柱形坯料冷镦粗工艺圆柱形坯料在镦粗过程中，由于工件和

13、模具之间存在的摩擦，使得坯料随着高度的下降， 金属向周围流动，坯料在镦粗后侧表面形成鼓形且内部变形也很不均匀，从而将坯料的内部变形区域划分为近似锥形的难变形区、大变形区和小变形区。为了提高坯料的冷镦质量， 应尽量减小镦粗时形成的侧面鼓形，并且提高坯料内部变形的均匀性。圆柱形坯料镦粗过程中流线随高度减缩率的变化见图1.1。图1.1 镦粗过程中流线的分布情况从图1.1中可以看出,在整个变形过程中,坯料中心的金属流动速度较大,经测量镦粗前圆柱直径为20mm,镦粗后鼓肚处直径为3518mm,坯料两端的直径为3115mm,鼓肚值=(镦粗后鼓肚直径-圆柱原始直径) / (镦粗后两端直径-圆柱原始直径)=(

14、3518-20) /(3115-20)=1137。圆柱形坯料镦粗过程中等效应变随高度减缩率的变化见图1.2。图1.2 镦粗过程中等效应变的分布情况从图1.2中可以看出,等效应变首先出现在坯料的中心,并与两端的变形区域逐渐连接起来,随着镦粗的进行,在坯料的中部形成一剧烈的变形区域,可见坯料的内部变形的不均匀性。1.3 数值模拟技术在金属塑性变形过程中的优越性纵观目前已有的这些数值分析方法，有限单元法（Finite Element Method）是应用最广泛的数值分析法。它能比较好地反映成形体的变形特点，计算时无需对变形体内部进行条件假设，只要给出真实的边界条件，就可以求得较为准确的应力和应变分布

15、。有限元数值模拟技术分析试件中心内部变形、应力场等非直观不易观察的信息时，能产生实体造型和动态可视化的效果，具较强直观性，研究更深入分析更透彻，因此，在研究材料内部在镦粗变形过程中应变场分布起着举足轻重的作用。 测量金属的塑性变形，特别是大塑性变形的数值和分布，最广泛采用的一种方法为网格法。它是通过贴膜、印刷或是光刻的方法在被测试件表面上附着一层网格，在拉、胀成形时，网格与试件一同变形，通过测量网格变形前后的尺寸，计算得到各点应变，常用的网格有两种：圆形网格和方形网格。如图1.3所示。图1.3 测量网格1.5 选题的目的和意义铝加工产品应用广泛，建筑、汽车、高铁、飞机、电子等均用到铝材品种，市

16、场存在很大需求。铝合金作为高性能轻型合金材料，将是新材料"十二五"规划中重点发展的新材料之一，并配套专项工程予以支持，电网投资为铝消费提供新亮点。在"十二五"期间，电线电缆行业将进入需求爆发期，而发展特高压将是电网发展的重中之重。预计"十二五"期间我国将投资超过5000亿元。2012年全国计划新开工城镇保障性安居工程700万套以上，基本建成500万套，按目前装修标准，每平米所消耗的铝合金更多，约1.4-1.5公斤来计算，将使2012年内的铝合金需求量增加35-37.5万吨。此外，我国目前的城市化率仅为46%，城市化的发展将有效增加对铝

17、的需求。随着汽车节能、减轻重量的诉求，汽车用铝板将逐渐替代钢板，未来，汽车用铝板将有很大的市场，主要用于汽车引擎盖和车门。铝合金车轮是铝合金在汽车上第二个应用广泛的领域。因为质轻、散热性好并具有良好的外观，铝合金车轮逐渐代替了钢轮毂。圆柱镦粗过程是一个受诸多因素影响的复杂变形过程。随着计算机模拟技术的发展，运用有限元数值模拟可以在计算机上反复模拟实现圆柱镦粗过程，通过改变各种参数，揭示圆柱镦粗过程的成形规律，研究各种因素对成形过程的作用和影响，掌握圆柱镦粗过程中的金属流动情况，预测镦粗时可能存在的缺陷，进而实现镦粗工艺参数的优化，从而避免传统方法中反复试验所带来的人力、物力的浪费，提高圆柱形件

18、预成形的技术经济效益。因而，运用有限元法数值模拟圆柱镦粗过程，对圆柱形件预成形锻造生产具有重要的指导意义。随着塑性成形技术的发展以及用户越来越高的产品质量要求，锻造产品不仅要满足形状尺寸的要求，而且更加注重产品综合机械性能的提高。运用计算机数值模拟与塑性成形过程研究相结合，有助于塑性加工科学从定性研究转向定量研究，从带有经验性的处理方法转向科学的处理方法，为人们全面了解成形过程的影响因素，准确分析和控制成形过程提供理论依据和技术基础。 国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、

19、软件技术的迅速发展，对软件的功能 性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进与扩充。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、易用性、可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万的工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。2.2有限元计算方法通常采用的有限元计算方法有隐式静力算法和动态显式算法两种。隐式静力算法，该法是以迭代算法求解微分方程，优点是可以较准确地预测弹复变形和残余应力。静态隐式方法相对简单，对于一些简单的压缩基本工序，容易得到可靠结果，但其计算时间长，接触问题的处理经常引起计算的发散，特别是求

20、解三维问题时这些问题很难解决，因此对许多复杂工艺问题难以进行模拟计算。动态显式算法，该法以差分积分方法求解微分方程，在离散方法和单元类型的选择、材料本构关系的确定、应力应变的计算、硬化方式的处理等方面与静态隐式有限元法相似。动态显式有限元法采用中心差分法进行显式时间积分，因此程序在求解时不需要形成刚度矩阵；其计算步长取决于整个变形体网格单元中最小单元的边长或对角线长度，网格划分。时要尽量均匀，并避免过小的网格出现。2.3 DEFORM简介与特点2.3.1 DEFORM软件简介DEFORM(Design Environment for Forming)软件包括二维有限元分析软件DEFORM-2D

21、 和三维有限元分析软件DEFORM-3D,是美国SFTC 公司开发出来的,已经在美国、日本、德国等国实际生产和科研中得到大量成功的应用,并得到世界同行的公认。DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统（FEM），专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和流动温度。主要由三部分组成:前处理器、模拟器、后处理器。前处理器包括模型数据准备模块,可以实现边界条件、材料参数、模拟步长以及迭代方法的选择和确定,还可以进行有限元网格的自动与手动划分及网格结构优化。模拟器可考虑应变、应变速率和温度对流动应力的影响,采用稀疏矩阵求解器和动态内存分

22、配技术使计算机速度更快。后处理器可以图形化显示结果,便于进行工艺分析。 2.3.2 DEFORM的特点DEFORM软件具有以下特点：1. DEFORM-3D是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和晨星设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。如：材料流动、磨具填充、锻造负荷、磨具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。处理对象为复杂的三维零件、磨具。2不需要人工干预，全自动网格再划分。3前处理中自动生成边界条件，确保数据准确快速可靠。4DEFORM-3D模型来自CAD系统的面或实体格式。5集成有成形设备模型。6.表面压力边界条件处理功能适用于解决胀压

23、成形工艺模拟。7.材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义材料类型。8.具有点追踪、变形、云图、矢量图、力-行程曲线等后处理功能。9.后处理中的镜面反射功能，提供了高效处理具有对称面或周期对称面的机会，并且可以再后处理中显示整个模拟。10.自定义过程可用于计算流动应力、冲压系统响应和一些特殊的处理要求。如：金属微结构、冷却速率、力学性能。2.4 DEFORM软件操作流程1.导入几何模型：在DEFORM-3D软件中，不能直接建立三维几何模型，必须通过其他 CAD/CAE 软件建模后导入导 DEFORM 系统中，目前，DEFORM-3D的几何模 型接口格式有：1）STL2）UNV3）PDA4）AMG2.网格划分：网格划分可以控制网格的密度，使网格的数量进一步减少，又不至于在变形剧烈的部位产生严重的网格畸变。DEFORM-3D的前处理中网格划分有两种方式，一种是用户指定单元数量，用户可以通过拖动滑块修改网格单元数，也可以直接输入指定数值，该数值和系统计算时间有着密切的关系，该数值越大，所需要的计算量越大，计算时间越长。另一种手动设置网格使用的是Detailed set