大锻件成形物理模拟相似理论的研究.pdf

No 6 No v e mb e r 2 0 1 l 大型铸锻件 HE AVY C AS T I NG AND F O RGI NG 大锻件成形物理模拟相似理论的研究 吕亚臣 齐作玉 任运来 陈永波 ( 上海重型机器厂有 限公 司 ， 上海 2 0 0 2 4 5 ) 摘要： 论述了传统塑性成形相似理论的特征 ， 说明了研究大锻件成形物理模拟相似理论的意义， 分析了实 际不相似的典型问题， 探讨和提出了用数值方法和统计学的相关分析和回归分析来提高相似度和准确性的方 法途径 。 关键词： 大锻件成形 ； 物理模拟； 相似理论 中图分类号 ： O 4 1 1 3 文献标识码 ： B S t u d y o n t h e Eq u iv a le n t T h e o r y o f Ph y s ic a l S imu la t io n f o r He a v y F o r g in g s L u Y a c h e n， Qi z u o y u ， Re n Y u n la i， C h e n Yo n g b o Ab s t r a c t ： I n t h is p a p e r ，t h e c h a r a c t e ri s t ic s o f t r a d it io n p la s t ic e q u iv a le n t t h e o r y ，t h e imp o r t a n c e t o s t u d y t h e p h y s ic a l s imu la t io n e q u iv a le n t t h e o r y o f h e a v y f o r g in g s is d e s c r ib e d T h e a c t u a l t y p ic a l n o ne q u iv a le n t is s u e s a r e a n a ly z e d， a n d t h e me t h o d o r me a n s b y n u me ri c a l me t h o d a n d s t a t is t ic s s u c h a s c o r r e la t io n r e g r e s s io n a n a ly s is t o p r o mo t e t h e e q u iv a le n c y a n d a c c u r a c y is s t u d ie d a n d p r o p o s e d Ke y wo r d s ： He a v y F o r g in g ； P h y s ic a l S imu la t io n ； E q u iv a le n t T h e o r y 1 研究相似理论的意义 大型锻件 造价 昂贵 、 生 产周期长 、 制造难 度 高， 且通常还是单件或小批量生产， 其形状尺寸和 质量的要求也各不相同， 很难摸索其成形规律。 制造过程中的任何一个细节都关系到大锻件的成 败 。为此 ， 直接用大锻件实物进行实验 的风险和 成本都十分巨大 ， 而选择模拟方式对 大锻件 的成 形进行研究就显得尤为重要。 传统金属塑性成形理论说 到模拟时 ， 指 的 是模拟试验和实验 ， 主要包括两方面： 塑性成形 的 物理 一化学方面的模拟试验和塑性变形的力学 一 数学模拟实验。本文把这类试验和实验统称为物 理模拟。 随着塑性有 限元理论的出现 、 计算机和信息 技术等科学技术 的飞跃发展 ， 涌现 出了新 的数值 模拟成形的方法 、 技术和软件产品。其特征是 ， 不 需要直接进行试验和实验， 只需通过计算机的模 拟计算 ， 就能获得研究结果。 因此 ， 现代对大锻件的成形进行模 拟研究 可 以分为两大类 ， 即物理模拟和数值模拟 。 本文只讨论物理模拟， 关于数值模拟的讨论 将在另外的研究论文中发表。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 5 一l6 44 物理模拟对研究大锻件的成形规律有十分重 要的意义。它不仅可以用于开发新产 品， 还可以 用于摸索和优化大锻件 工艺参数 ， 稳定控制和提 高质量。从大锻件生产发展 的历史来看 ， 到 目前 为止， 物理模拟仍然发挥着无可比拟和难 以替代 的巨大作用。 然而 ， 物理模拟技术在实 际应用 中还面临着 相似度和准确性的严 峻挑 战。研究者发现 ， 把小 试样实验的结果照搬到大锻件上经常得不到相似 的结果 。金属塑性成形理论也承认 ， 其理论和实 际存在着一定 的差距。为此 ， 我们 完全可 以理解 为这方面的理论还存在不足和欠缺。为 了使模拟 更加准确 ， 达到模拟的 目的， 我们有必要研究将小 试样实验的结果照搬到大锻件上的有效的理论和 方法 ， 也就是有必要研究相似理论。 本文将分析 ： 传统物理模拟相 似性理论和特 征； 现实中物理模拟相似度和准确性 问题及原 因； 提高模拟相似度和准确性 的思考。 2 传统物理模拟的相似性理论和特征 在物理模拟实验 中， 相似理论是指导模 拟实 验 、 分析实验结果并将实验结果推广 于实际应用 的基本理论。塑性成形 过程 的传统相似理论 ， 可 归结为以下三个相似条件 ： 大型铸锻件 HEAVY CASTlNG AND F0RGI NG No 6 No v e mb e r 2 0 1 1 ( 1 ) 几何相似： 实物和模型所对应的尺寸都 是同一个 比例值。实物和模型的面积之 比等于它 们长度尺寸比的平方 ， 而两者体积之 比等 于它们 长度尺寸比的立方， 即 FlF2 = 0 V lv 2 0 式中 ， F 为实物面积 ； F 为模型面积 ； V 为实物 体积； v 2 为模型体积 ； 。为实物和模型长度尺寸之 比。 ( 2 ) 物理方面 的相似 ： 实物和模型 的化学成 分 、 宏观组织 、 微观组织 、 力学性能 、 变形过程 的温 度 、 等效应变都必须相同， 实物和模型的外压力应 相 l 司。 ( 3 ) 摩擦 相似 ： 实物 和工具之 问的摩擦 系数 必须等于模型和工具之间的摩擦系数。 传统金属塑性成形理论认 为 ， 相似条 件具有 如下需要说 明的特征 ： ( 1 ) 松散性 ： 即并 不要求 同时满足 以上三个 条件 ， 而可以有选择地只满足部分条件 ； 否则应用 上受到束缚 ， 难以实现。 ( 2 ) 不足性 ： 即使 同时满足以上三个条件 ， 也 会有不相似的问题 ， 比如在用小模拟件 的变形力 推算出的大件变形力与实际差异很大 。 ( 3 ) 改进性 ： 最早相 似理论只有前 面两个 条 件 ， 后来才增加了摩擦条件。 3 不相似的典型问题及分析 ( 1 ) 镦粗力计算不相似问题 镦粗力是大锻件锻造 的重要参数。我们可以 通过实验求得材 料的真实应力 ， 再通过理论计算 求得单位流动压力公式 ， 然后推算大锻件的镦粗 力。我们也可以通过模拟实验测得镦 粗力 ， 再换 算为单位 流动压 ， 最后再计算 大锻件 的镦粗力 。 无论如何 ， 我们都需要用到 圆柱体镦粗时的变形 力公式 。 求圆柱体镦粗时的变形 力 ， 目前常用 的分析 方法之一是主应力法 ， 最著名 的是齐别尔的镦粗 圆柱体单位流动压力公式 ： P=S ( 1十 ) ( 1 ) D n 式中， 为材料 的真实应力 ( 屈服应力) ； IX为摩擦 系数 ； d为坯料的直径 ； h为坯料的高度 。 如果我们将模拟件的单位流动压力用式( 1 ) 表示 ， 将大型锻件的镦粗 圆柱体单位流动压力用 大写字母 P和下式表示 ， 则 P=S ( 1+ 1 J) ( 2 ) j 仃 式中， s为材料的真实应力( 屈服应力 ) ； I x为摩擦 系数 ； D为大锻件坯料的直径 ； 为大锻件坯料的 高度 。 根据相似理论几何 相似条件 ( d h=D H) 、 物理相似条 件 ( S相 同) 和摩擦 相 似条件 ( 相 同) ， 用相似理论推算两者的单位流动压力相等。 然而， 齐别I尔利用主应力法求 出的镦粗圆柱 体单位流动压 J 丁 公式 比实际值在多数情况下存在 差异 。尤其是在实际尺寸增大时应用相似理 论， 单位流动应力 ( 变形抗力 ) 计算偏大 。古 布金研 究发现 ， 当锻件体积增大 1 0 0 0倍 ， 或者实物和模 型长度尺寸之 比达到 1 0倍 时 ， 变形抗力 就减少 6 0 ， 这种差异是相当可观的。 分析这种差异 ， 可 以归结为尺寸因素对塑性 和变形抗力 的影响。包括 ( a ) 大锻件 的尺寸大 ， 内部缺陷多 ， 变形抗力小 ； ( b ) 大锻件接触表面积 与体积之比较小 ， 摩擦引起 的三向压应力状态弱 ， 变形抗力小 ； ( c ) 大锻件表面积与体积之 比较小 ， 温度效应显著 ， 变形抗力小 。 ( 2 ) 饼件 内裂无法模拟问题 饼类大锻件 比轴类锻件更容易出现探伤不合 格的问题 。从锻造成形 的机理上分析原 因， 主要 有两类观点 。一种观点认为饼类大锻件内部缺 陷 是因为高径 比大的镦粗扩大了内部孔洞 ， 加上没 有通过拔长工序实现 中心压实 ； 另一种观点认 为饼类件在镦 粗过程 中出现了刚性撕裂 或剪 切应力撕裂 J 。 第一种观点 ： 高径 比大 ， 导致 内部孔洞扩大 的 影响和拔长对锻合 内部孔洞 的影 响的实验 ， 已经 得到许多小试样的模拟验证 。 第二种观点 ， 饼类件在镦粗过程 中出现 了刚 性撕裂 _ 3 或 剪切应 力撕裂 ， 虽然 理论上 很 有道 理 ， 还在厚板生产 和一些反挤压的塑性成形 中也 发现了类似问题 ， 得 到一些旁证 ， 但是 ， 该 问题却 无法通过小试样直接模拟 出来。这也说 明， 如果 机理上没有问题 ， 则塑性理论或相似理论存在着 不完善的问题 。 如果 从 流 体 力 学 的 角度 研 究 金 属 塑 性 力 学 ， 就可得 出这个结 论 ： 用小模 拟件模拟 实际 圆柱体的镦粗 ， 小模拟件 中心金 属的流动速度差 仅为实际圆柱体中心金属流动速度差的尺寸倍数 的倒数。流动速度差会产生剪应力。速度差小 ， 则剪切应力小 。这一结论解释了为什么无法用小 45 No 6 No v e mb e r 2 0 1 1 大型铸锻件 HEAVY CASTI NG AND F0RGI NG 试样模拟大型饼类锻件 内部撕裂的原因。 ( 3 ) 压机镦粗力不变而镦粗仍持续的问题 压机镦粗力不变镦粗 仍持续 的现 象早 已存 在 ， 有经验的大锻件工艺人员都注意到了这一现 象 ， 已经是见怪不怪 。只是现在 的新压机都有 了 数字测量和显示 ， 使我们更容易清楚注意到 ： 当压 机镦粗力达到最大值并保持不变的情况下， 钢锭 或钢坯的镦 粗仍然能持续进行 ， 只是速度减缓。 这种现象用现有塑性力学理论还很难解释。 压机镦粗力的测量是根据液压缸的压强乘以 液压缸 的柱塞有效受压面积得到的。 如果用齐别尔的镦粗圆柱体单位流动压力公 式( 1 ) 或( 2 ) 计算， 则压机镦粗力为： F =a p ( 3 ) 式 中， F为压机镦粗力 ； A为镦粗面的表面积； p为 齐别尔的镦粗圆柱体单位流动压力。 实际镦粗过程 中， 当 不变 ， A变大 ， 则根据 式 ( 3 ) 只有 P变小 。根据式 ( 1 ) 或式 ( 2 ) ， 只有材 料的真实应力( 屈服应力) 变小才能使得 P变小。 齐别尔的镦粗圆柱体单位流动压力公式中， 为材料的真实应力( 屈服应力 ) ， 认为是常量。传 统上 ， 金属塑性原理研究给 出的真实应力应变 曲 线 的基本类型都是真实应力随着应变的增加而硬 化增加 ， 对于几乎不产生硬化的材料也 近似认为 真实应力是常量 。从来没有理论给出过真实应力 变小的型式 。当然也缺少真实应力变小的理论 。 金属塑性原理曾讨论过超塑性的特征。超塑 性与大锻件镦粗 的某些表现有相似之处 ， 即没 出 现随着应变的增加 而硬化增加 ， 反而出现 了真实 应力变小的情况。但是 ， 金属塑性原理 目前对超 塑性机理的各种模 型还未形成完整的体系理论 ， 对大锻件镦粗的这种表现更是暴露出了空白。这 些空 白或许为未来新理论研究提供 了契机。 对于这种传统塑性原理无 法解释 的现象 ， 本 文认为， 对于大锻件在高温高压的作用下， 金属表 现出了流体的一些 特征 ， 这可能需要用介 于固体 力学与流体力学之间的一种力学来研究 和解释。 在没有找到更加科学的理论之前， 应用相似理论 去计算和求解大锻件的问题是不准确的。 4 提高模拟相似度和准确性的探讨 ( 1 ) 研究完善金属塑性力学和成形理论 前面提到了用金属塑性力学计算镦粗力不准 确的问题 。值得注意的是 ， 相似理论是在金 属塑 性力学和金属塑性成形原理 的基础上指导模拟实 4 6 验 ， 分析实验结果 ， 并将实验结果推广于实际应用 的基本理论。因此 ， 如果金属塑性力学和金属 塑 性成形原理不完善， 则相似理论当然存在问题。 事实上 ， 金属塑性成形原理是 2 0世纪 4 0年 代才形成的一门学科 。虽然塑性力学的发展历史 可以追溯到 1 8 6 4年 ， 但 比起其它 的力学 ， 如 弹性 力学、 材料力学还是很年轻的学科， 塑性力学还很 不完善 。塑性力学在许多方面与实际差异很大。 例如 ， 2 0世纪 2 0年代 ， 费兰克尔对金属单晶体 的 塑性变形进行了研究 ， 发现理论计算的剪切强度 比实验得到的剪切强度要高 1 0 0 0倍 以上 。 从 以上的讨论可 以得出这样 的推论 ， 为 了更 好地应用相似理论 ， 我们应该 同时研究相似理论 与金属塑性成形原理所存在的问题 ， 发展完善新 的相似理论与新 的金属塑性成形理论 ， 包括从流 体力学的角度研究金属塑性力学。 ( 2 ) 通过一定数量 的模拟与实际对 比来修正 古布金统计 了