（固体力学专业论文）钢丝拉拔和失效过程的有限元模拟及其应用.pdf

摘要钢丝拉拔与失效过程的有限元模拟及其应用硕士研究生：徐贵娥导师：李兆霞教授摘要钢丝及钢绞线在国家经济建设中具有重要的作用，特别是高强度p c 钢绞线等第三代高档建筑材料，正被越来越广泛应用于高层建筑、大跨度桥梁等现代大型建筑中，随着我国基础设施建设力度的不断加大，其年需求量更呈稳步攀升之势。为保证钢绞线的实物质量及其大生产的连续性、高效性，其原料热轧高碳盘条必须满足以下三个要求：一是力学性能的要求：二是通条性好；三是低的拉拔断丝率。目前，国产热轧高碳盘条与国际先进水平的主要差距就表现在高断丝率上。本文以p c 钢绞线用热轧盘条的拉丝形变过程为研究对象，研究如何运用有限元方法和断裂力学理论来模拟金属拉丝成形过程中内部缺陷的形成和演化规律，以及拉丝工艺控制参数对缺陷演化过程的影响。本课题在从拉丝生产现场收集、整理和提供的断口资料的基础上，将断口的形成归结于缺陷的存在，并将缺陷简化为圆盘面状的单个裂纹，将含单个裂纹的钢丝拉拔问题归纳为两类模型：中心裂纹模型和偏心裂纹模型。有限元分析采用了两种途径来对拉丝问题进行分析：其一，分析结果的应力云图可直观地显示复杂应力状态下的盘条中应力集中的特点，在裂纹尖端表现应力奇异性，显示了裂纹可能扩张的趋势，也即断口形成的机理。其二，定量研究。以，积分作为断裂参量对拉拔状态进行评估，从而以，积分判据作为临界状态的度量准则。文中首先通过力学分析说明了中心人字形裂纹形成的机理；然后针对含中心缺陷的拉丝问题提出轴对称计算模型，基于此计算模型研究了模具顶角、摩擦系数等工艺参数对形变区内裂纹尖端应力场分布的影响，得出随着拉丝模具顶角的增大和摩擦系数的减小，裂纹尖端应力集中区域与拉丝轴之间的夹角变小，即形成笔尖状断口的斜角变大，笔尖变得更细长；定量研究结果表明：随着裂纹尺寸的增加、模具顶角的增大和摩擦系数的增大，j 积分值随之增大。在摩擦系数为0 1 时，对于相同尺寸的裂纹，j 积分数值随着模具项角的减小而减小，当达到8 。后，j 积分的数值变化较小，趋于一个定值。缺陷偏离钢丝中心线时，应力分布不均仍是拉拔中的主要特点，环绕裂纹前端有应力集中现象，对于本身几何对称的裂纹，裂纹前端集中应力的分布并不对称，偏心度越大这种不对称更加显著。在接近裂纹的一侧，材料外层的应力集中很突出，可见偏近裂纹的盘条表面受到磨损较严重，而且偏心度越大，外层材料的应力集中越严重，其物理意义即盘条表层受到磨损越严重。由此可见，当偏心度大到一定程度，表层材料在偏近缺陷与远离缺陷的两侧受力严重不均，就可能导致钢丝突发性被拉断，即发生脆断。对不同的裂纹偏心度进行的j 积分数值计算和分析研究表明：对应同一偏心度同样尺寸的裂纹，环绕裂纹前端三个不同方位的j 积分值有很大的差异，在9 0 。面上的j 积分数值较大，表明裂纹更容易在此方位发生扩展：随偏心度的增加，j 积分有减小趋势，说明缺陷接近中心轴危害更大，但随着偏心度的增加，由于缺陷有不同部位的组合，可能引发不同的断裂机制，造成不同的断口形态。最后，将有限元分析研究的结果进一步应用于拉丝生产工艺的优化，为改进工艺、降低断丝率提出了指导性建议。关键词：拉拔；钢丝；人字形裂纹；临界尺寸；j 积分；有限元东南大学硕士学位论文m o d e l i n go fd e f o r m a t i o na n df a i l u r ei nw i r ed r a w i n ga n di t sa p p l i c a t i o ng r a d u a t es t u d e n t ：x ug u i es u p e n r i s o r ：l iz h a o x i aa b s t r a c ta sa nl m p o r t a l l ts t r u c t u r a lm a t e 矗a l ，p cs 舰n d sh a v ew i d e l yu s e di nm o d e mc o n s 扛1 j c t i o n ，l i k es k y s c r a p e r ，b r i d g e ，a 1 1 ds oo n h i 曲p e r f o n i l a n c ea 1 1 dl o wb r o k e n 丘e q u e n c yi nd r a w i n g ( b f d ) a r eb a s i cr e q u i r e m e n to fh i 曲- c a r b o nw i r ef o rp cs 缸a n dt oe n s u r et h eu n i n t e m l p t e da n dh i g h l ye 伍c i e n tp r o d u c i n gp r o c e s s h i g h - c a r b o ns t e e lw i r ed e p e n d e do ni m p o r t i l l gb e c a u s eo fh o m e m a d ew i r ew i t l lah i g hb f d t h e r e f o r e ，m ed r a w i n gp r o c e s si si n v e s t i g a t e di nd e t a i l si nt l l i sm e s i s ，a n dt 1 1 ei n i t i a t i o na n dp r o p a g a t i o no fn a w sd u r i n gw i r ed r a w i n gi sm o d e l e da j l dn u m e r i c a l l ya n a l y z e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n tm e t l l o da 1 1 dm e o d ，o ff i a c t l l r em e c h a n i c s b a s e do nt h ei n f o r r n a t i o no ns t a t u sa i l df a i l u r ei i lw i r ed r a w i n gc 0 1 l e c t e d 丘o mm ep r o d u c tl i n e ，t h ea s s u m p t i o no fs i n g l ec m c ki nm ec e n t e ro fw i r e so rw i t l le c c e n t r i c i t yi sm a d e ，a 1 1 dt w om o d e so ff i n i t ee l e m e n tm o d e l sa r ep r o p o s e di nt h em e s i s ，m a ti s ，c e n 仃a 1n a wm o d e la n de c c e n t r i c i t ) rn a wm o d e l t h en u m 西c a la n a l y s i si sc a r r i e do u t 舶mt w os i d e so fm e c h a n i c a l b e h a v i o ri nw i r ed r a w i n g f i r s t l y t l l es t i e s sf i e l di nf o n n a t i o nz o n ea n ds 仃e s ss i n g u l 撕t ) ，o nt 1 1 et i po ra r o u n dt h ef r o n to ft h ec r a c kc a nb ed i s p l a y e dw i t hs 仃e s sc o n t o u rd i r e c t l ya n ds h o wm ep o s s i b l e 缸n do fc r a c kp r 叩a g a t i o n s e c o n d l y ，q u a j l t i t a t i v ea n a l y s i s0 nt h ed e f o n n a t i o na 1 1 df a i l u r eo fd r a w m gp r o c e s si nc a r r i e do u t ，i n 计l i c hf r a c t u r ep a r 锄e t e rj i n t e g r a l i su s e da j l dm e r e f o r em ej i n t e g r a lc r i t e r i o ni si n t r o d u c e d a na x l s y m m e t n c a ln u m e n c a lm o d e ll sp r o p o s e do nt 1 1 eb a s l so f 。m ea s s u m p t l o no ft 1 1 ec e n 仃a la x i s y n 蛐e t r i c a 】n a w ，a n dt 1 1 ee f r e c t so fp a r a m e t e r s ( d i ea n 9 1 ea 1 1 d 伍c t i o nc o e 伍c i e n te t c ) o nt h es 眈s s6 e l dn e a rt h ec r a c kt i pd u r i n gt h ew i r ed r a w i n ga r ea n a l y z e dw i t ht h ed e v e l o p e da x i s y n 吼e t r i c a lf i n i t ee l e m e n tm o d e l i tc a l lb ec o n c l u d e dt h a tm ea l l g l eb e 觚e e nt 1 1 es 仃e s ss i n g u l 撕t yz o n en e a rt h ec r a c kt i pa n dm ea x e so ft 1 1 es t e e l ( i e a 铲e a t e rg r a d i e n to fm en i b b e dp e n c i l 丘a c t u r e 趾dal o n g e rn e b ) i sd e c r e a s e dw i mt l l ei n c r e a s eo fm ea i l g l eo fd r a w i n gd i ea i l dm ed e c r e a s eo fm em c t i o nc o e m c i e n tb e t 、e e nd r a w i n gd i ea i l dw i r e f i n a l l y ，t h eq u a i l t i t a t i v ea i l a l y s i so ft h ee 脏c t so fd i ea n 9 1 e ，衔c t i o nc o e 伍c i e n ta 1 1 dt h es i z eo ft 1 1 en a wo nt 1 1 ev a l u eo fj i n t e g r a li sc a i e do u tb ym ec a l c u l a t i o nw i ma n s y s i ti ss h o w nt h a t ：m ev a l u eo fj i n t e 铲a li n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n go fm ea 1 1 9 l eo fd r a w i n gd i e ，m e 衔c t i o nc o e m c i e n tb e 似e e nd r a w i n gd i ea 1 1 dw i r ea 1 1 dt h ei i l i t i a ld i m e n s i o no fm en a w w h e n 伍c t i o nc o e m c i e n te q u a l so 1 ，j i n t e g r a lv a l u er o u n dt h ec r a c kt i pw i mm es 锄en a wd e c r e a s e 谢md e c r e a s i n go fm ea 1 1 9 l eo fm ed i e j i n t e g r a lv a l u ec h a i l g e ss l i g h t l ya n dt e n d st ob eac o n s t a i l tv a l u ew h e nm ea j l g l er e a c h e dt o8 。t h en o n e v e ns 缸e s sf i e l di ss t i l lm ep r i m a d rc h a r a c t e rd u r i n gw i r ed r a w i n gw i t ha ne c c e n t r i c i t yn a w丘o mc e n t e r l i n ea n ds 仃e s ss i i l g u l 撕t ) ，o c c u r sa r o u l l dt h e 丘o n to fm ec r a c k t h o u 曲t 1 1 ec r a c ki sa ) 【i s ) ，l t u t l e t r i c ，s t r e s sf i e l da l o n gm ec r a c k 硒n ti su 1 1 e v e na n dt l l i sp h e n o m e n o ni sm o r ep r o i l l i n e n tw i mi n c r e a s i n ge x c u r s i o nr a t i o n s 订e s sc o n c e n 仃a t i o no c c l l r so nw i r es u r f a c en e a rt 1 1 ec r a c ko b v i o u s l ya i l da g g r a v a t ew i t l li n c r e a s i n ge x c u r s i o nr a t i o n ，w h i c hs u g g e s t sa b r a s i o no nt l i ss i d ei sm o r es e o u s i ti ss h o w nt 1 1 a ts t e e ls u r f a c ee n d u r e sn o n e v e ns 仃i e s so nm es i d en e a r 1 ec r a c ka 1 1 dm eo p p o s i t i o ns i d e ，w h i c hi lm a yc a u s e so u t b u r s to fm es t e e lb 虬m a ti s ，b r i t t l e 缸c t u r e ，w r h e ne x c u r s i o nr a t i o ni se n o u 曲h i 曲t 1 1 er e s u l t so f q u a j l t i t a t i v ea i l a l y s i so nt h ee 疏c t so f e c c e n t r i c 时ra t i oo f c r a c k i n go nt h ev a l u eo fj i n t e g r a ls h o wt l l a t ，w i mt h es 锄en a w j i n t e g r a lv a l u e sa r ed i 位r e n ta l o n gt h f e eg i v e np l a n e sa j l d1 sl a r g e ro n9 0 。p l a n et h a no nt h eo t l l e rt w op l a n e s ，w h i c hs u g g e s t sc r a c kp r 叩a g a t l o nm a yl n c l d e n to nt n l sp o i n t j i n t e g r a lv a l u e sd e c r e a s e sw i t l l 1 ei n c r e a s eo fe x c u r s l o nr a t l o n ，h o w e v e rm l sd e c r e a s el ss 1 1 9 n t e ra n dsl i g h t er wi t hin c r e a s i n gex c u r s i o nra t i o n ，th ere l a t i v esp a c eofth ef l a wch a n g e s ，ca u s i n gdi 丘e r e n t丘a c t u r em o d e t h es 仃e s ss t a t eo ff o m a t i o na 1 1 d 觎c t u r em o r p h o l o g ya l s oa r ed i 疏r e n t t 1 1 ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r e 廿1 e na p p l i e dt oi h l p r o v em eo p t i m i z a t i o no ft h et e c h n o l o g yf o rw i r ed r a w i n g k e yw o r d s ：d m w i n g ；s t e e lw i r e ；c h e w o nf l a w ；c r i t i c a ls i z eo fc r a c k ；j i n t e g r a lv a l u e ；n n i t ee l e m e n tm o d e li i i东南大学硕士学位论文东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：i 垂盏。逝日期：旦乡东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。研究生签名：刍苤叁兰参导师签名：日期：刀f ? ，第一章绪论1 1 问题的提出1 1 1 工程背景第一章绪论伴随我国经济的快速发展和西部大开发的进行，中国钢铁工业的发展及对世界钢铁工业的影响举世瞩目。自1 9 9 6 年我国粗钢产量首次突破1 亿吨以来，连续七年位居世界钢产量第一，2 0 0 4 年粗钢产量更是达到27 2 亿吨，钢材的表观消费量超过3 亿吨，成为当之无愧的钢铁大国；而与此同时，进口高档钢材达近3 0 0 0 万吨，是世界上最大的钢材进口国。据估计，我国2 0 0 5 年钢产量将突破3 亿吨，但仍需进口高性能钢材3 0 0 0 万吨以上”。在高性能钢丝生产方面，目前的现状是，用于钢丝拉拔的原材盘条质量不过关，同时针对现有盘条质量的拉丝工艺参数设置不够完善。近十年来我国冶金行业进口了大量先进的生产设备，目前国内钢厂的实际硬件装各己达到国际九十年代先进水平；但在软件方面，却未能很好地形成与之相应的生产控制技术，一直缺乏在现代化生产线条件下生产优质钢材的系统理论研究，对于优特钢新材料的现代化工业生产也缺少必要的理论指导。因此，如何利用现代化的先进装备和严格的丁艺控制来保证高性能、低成本、质量稳定的钢材是近年来我国钢铁工业发展的重点方向之一。因此，先进设各的消化吸收、形成配套的高附加值优特钢生产技术是我国冶金行业急待解决的难题。1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线是目前己商用的钢绞线中用量最大、强度级别最高的品种，长期以来依赖进口。针对国内市场和钢铁行业发展的需求，1 9 9 6 年起，国内开始就1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线国产化进行研究。通过引进先进的生产设备和对先进设备的消化吸收，并进口其原材料热轧高碳盘条进行试生产。经过几年的努力，1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线已基本实现了国产化，但对于热轧高碳盘条仍主要依赖进口。由于热轧高碳盘条迟迟不能实现国产化，导致1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线的价格居高不下，成为高强度p c 钢绞线生产和大规模应用的瓶颈。随着我国基础设施建设和西部大开发的顺利进行，这个矛盾显得越来越突出。基于以上市场和工程背景，江苏沙钢集团有限公司、全国最大的钢丝绳生产企业法尔胜集团有限公司和东南大学产学研合作，连接提出“稀土预应力钢绞线用盘条”和“高性能铁基金属丝材的形变机理与超细微结构研究”的研究课题，结合我国铁基金属丝材制品研究现状，从高性能钢丝绳拉拔过程入手，深入系统地探索其形变机理和微观组织结构的控制，旨在为我国新一代高性能超级金属丝材的开发提供理论支撑，并对全国整个金属丝材制品行业提高产品质量、增加经济效益和增强国际竞争力起到实质性的推动作用；在满足现代化拉丝生产线对原材料性能要求的前提下，进一步降低成本，提高钢绞线用热轧盘条的性能价格比，替代进口。课题得到江苏省“十五”重大科技攻关计划( 编号b g 2 0 0 0 0 1 1 2 ) 和江苏省自然科学基金( 编号b k 2 0 0 1 2 1 5 ) 的资助，咀小方坯连铸连轧生产1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧盘条的生产、拉丝过程为对象，在线研究了钢铁的冶炼、连铸、轧制，以及随后的拉丝生产全过程，从中抽象出组织控制、笔尖状断口的形成等理论问题，并通过材料分析、力学计算等手段加以研究，以期提高1 8 6 0 m p a 级p c 钢绞线用热轧盘条的质量。在上述研究内容中，关于实现钢丝超细微结构的最睦工艺控制参数主要是通过钢丝的拉拔性能和过程的研究来实现的，其研究的主要内容就是本文所涉及的钢丝拉拔过程和缺陷演化的计算机模拟与仿真分析。东南大学硕士学位论文1 1 2 提出的力学问题上述课题确立了关于钢丝拉拔性能的研究内容和目标，这是材料学与力学的交界点，也是本文研究的切入点。为了保证生产效率和产品质量，对钢丝拉拔性能好坏的评价标准之一就是低的拉拔断丝率，这个指标是p c 钢绞线生产厂家根据其生产连续性所提出的新要求，这一指标十分重要但目前却又无法通过对盘条的抽检来完成的，而只能靠后继拉丝生产线上的实物生产去评判。国产热轧高碳盘条与国际先进水平的主要差距就表现在高的拉拔断丝率上，这也是相关产业链生产水平提高以后，对钢铁材料提出高性能化的一个具体实例。盘条质量的影响是拉拔性能研究必须面对的问题。拉拔过程中，盘条在模具的约束下，在高温环境中发生高速的塑性大变形( 塑性流动) ，截面大比例收缩，单道次面缩率最高可达6 3 。在这样的大变形拉拔过程中，由于材料内部的变形不渗透，表层金属的变形比中心大，使得钢丝在轴向，表层金属产生压应力，中心产生拉应力，逐步在中心线上形成速度不连续点。同时，由于拉拔时金属秒流量相等，出口速度珞应大于进线速度，从而引起内部金属的相互牵制，并在中心轴上产生很大的拉应力，最后以裂纹的产生来满足速度、应力的变化。若材料含有缺陷，则问题就更加复杂。缺陷是材料本身可能存在的，在数学上是不连续点，力学上是应力集中的敏感区，裂纹有可能由缺陷处扩展来满足速度、应力的变化。若缺陷位于材料中心线上，缺陷将扩展成人字形裂纹甚至最终导致笔尖状断口的形成；若缺陷稍微偏离中心线，仍可能扩展并形成断口，此时断口的形貌是不规则的。若缺陷偏离中心线较远乃至处于材料表面，若缺陷对拉拔的影响够大，这时更可能导致脆性断裂，而不是需经历一段稳定扩展阶段的延性断裂；若缺陷对拉拔的影响较小，裂纹主要受工艺参数的影响而导致笔尖状断口的形成，断口形成的特点与无缺陷拉丝情形下的类似。钢丝在拉拔时的断裂的原因是很多的，往往由多种因素共同作用的结果，本文仅从钢丝拉拔断裂的断口这个方面作初步的探讨。造成钢丝延性断裂和脆性断裂的因素是由于盘条材料缺陷和加工不当造成的，其中盘条的固有缺陷在钢丝的断裂过程中起着主导作用。由于缺陷有不同部位的组合，引发了不同的断裂机制，造成了不同的断口形态。其它影响钢丝拉拔时断裂的因素还有盘条的组织、拉丝工艺参数( 拉拔的冷却、润滑) 等方面，对钢丝拉拔断裂有着不同程度、不同方面的影响，这些影响较为复杂。由此衍生的力学问题包括拉拔工艺过程的力学评价、盘条的缺陷演化及其安全等。在上述关于钢丝拉拔过程的初步分析中，可以看出：其中已经包含了很多有待研究的力学问题，这类力学问题的研究源于生产工艺过程，其问题的解决将有效地促进拉丝生产工艺的发展，我们暂且称之为工艺的力学，这也是现今力学发展的一种重要趋势2 1 。由于条件和时间所限，本文的研究不可能涉及上述生产工艺中提出的所有力学问题，而只能解决一到两个主要的问题。在钢丝拉拔过程中，控制断丝率的主要因素是盘条中存在的先天缺陷或夹杂。在盘条变形过程中，这些夹杂在高温、高压、大变形的环境下经历了微观裂纹的萌生和演化、宏观裂纹的出现，以及裂纹扩展直到破坏的全过程，是钢丝出现人字形裂纹经扩展形成笔尖状断口 3 4 】的过程。除笔尖状断口形成过程外，由于拉拔盘条本身存在各种缺陷，如方坯连铸连轧中发生成分偏析、夹杂，拉拔前磷化处理不均等，这些缺陷的存在也可能成为断口形成的起源点。因此，考虑这些缺陷的存在，模拟计算和分析钢丝拉拔过程是本文要解决的主要问题。为降低研究的复杂度，将所有缺陷视为具有一定尺寸的裂纹，本文所研究即为含裂纹钢丝拉拔工艺过程的力学评价、钢丝的缺陷演化及缺陷的尺寸与拉拔断丝之间的关系，即，临界缺陷尺寸的计算。1 1 3 涉及的研究领域含缺陷的钢丝拉拔是一个大变形过程，涉及到多个研究领域：含缺陷材料和结构的变形过程分析、塑性大变形、损伤力学和断裂力学的应用。如果将缺陷简化为裂纹来分析，那么，含裂纹的钢丝拉拔是一个复杂应力状态问题，目前其精确或近似的解析解尚无法求得，数值方法之一的有限元2第一章绪论法就成为当前求解这类复杂工程问题的重要途径，因此，本课题将涉及到缺陷材料和构件在复杂条件下的有限元模拟和计算分析。金属塑性加工的各种工艺可分为两类，一类是通过材料的塑性变形来获得工件最终的形状，如拉深、挤压、轧制和锻造工艺等。材料的断裂是成形过程中需要避免的主要缺陷之一，设计人员在设计这些工艺时必须避免出现断裂现象。另一类是通过塑性变形和断裂过程结合来实现的成形，例如冲裁、切料、剪切以及切削工艺。这类工艺涉及到材料的分离，断裂往往是不可避免的，设计人员正是合理地利用材料中产生的断裂，才实现这些工艺过程。金属加工过程中的断裂问题的研究是一个多尺度、跨学科的领域，一直是学术界和工程界关注的热点之一，它涉及到力学、材料科学、物理学和化学等领域【5 j 。可以讲，断裂力学是一个比较新的学科，在过去的5 0 年中，它在工程结构设计和材料力学行为的研究中，发挥了重要的作用，改变了许多传统的设计观念，提出了许多设计方法。但对断裂力学的研究大都是线弹性断裂力学和小变形的弹塑性断裂力学。与工程结构设计中的断裂现象研究对比，影响金属塑性加工过程中的断裂的因素更多个复杂，例如工件的变形历史、材料性质( 组成元素、微观组织、夹杂、表面条件以及均匀性) 和工艺参数( 温度、变形速度、摩擦与润滑等) 。材料大变形过程中的断裂问题还有待于深入研究。超塑性材料具很高的延伸率和很低的流动应力，这些性质使得这类材料在工业中具有广阔的应用价值。但是它在超塑性变形时常常伴随着材料的空洞化。可以说，空洞是超塑性变形过程中普遍存在的组织变化，在超塑性变形到达一定变形程度，就会出现空洞的形核，然后随着变形增加，空洞长大，继而发生空洞的聚合或连接，最终导致材料断裂。在原空洞长大的过程中，还不断有新的空洞形核和长大。严重的空洞化，不但限制超塑性变形的极限应变，而且使超塑成形后的产品零件机械化性能恶化，特别是使断裂韧性下降。因此人们不但需要减小超塑变形过程中的材料空洞化，而且需要有正确的理论，即考虑空洞演化效应的应变理论来制定超塑成形工艺并估计成形后材料的机械性能和空洞体积分数大小及其分布。经典破坏力学的理论课题是由变形直至破坏的这种起点一终点式的研究；盘条缺陷的存在，提出由宏观裂纹扩展至破坏的过程，起点于宏观裂纹及其扩展分析：相应地，把盘条从变形至破坏视为一个过程，它是一个包括变形、损伤的萌生和演化、宏观裂纹的出现，以及裂纹扩展直到破坏的全过程。其相应的力学模型也发生了变化，即前者，经典变形体力学，视材料为均匀连续的；后者，断裂力学，认为除了位移间断的裂纹外，其余介质是均质连续的。金属材料在伴有拉伸应力的塑性变形过程中，会有损伤劣化。从物理学观点来讲，损伤可看作是由微空洞和微裂纹的形成和发展，最后成为宏观裂纹。从力学观点来讲，损伤可看作是影响材料强度的状态变量；材料强度是指在有效应力意义下的变形强度和破坏强度，状态变量就是损伤的损伤变量。1 2 研究目的和意义在断裂力学中，裂纹尖端的应力场、应变场以及表示裂纹尖端的应力场强弱程度的应力强度因子的求解都是重要的研究内容。但是，只有极少数简单、特殊的断裂力学问题存在解析解，绝大多数工程问题中所遇到的断裂力学研究都要借助于数值分析的方法才能得到解决。事实上，数值计算已经和理论、实验一起成为科学研究的三大支柱6 1 。本文以实际拉丝生产中提出的力学问题作为研究对象，以有限元模拟和计算分析为手段，基于断裂力学理论进行研究，对于生产问题的特别是金属塑性成形是又一次新的尝试，为今后工程问题的研究方法是一种启发。针对有限元软件在处理断裂问题时尚不能模拟金属材料裂纹动态扩展过程的局限，提出缺陷存在求解某时刻裂纹尖端( 前端) 应力场的静态中研究动态问题的方法，在对拉丝断裂的研究中是一种新的尝试。3东南大学硕士学位论文从工程应用的角度讲，在实际生产中，缺陷的存在是不可避免的。在方坯铸轧生产中，完全消除这些缺陷是非常困难的。由于缺陷尺寸、存在的位置不同，对拉拔断丝的影响也是不同的，导致拉拔断丝的缺陷临界尺寸为多少，咀及如何消除缺陷或将缺陷控制在允许的范围，目前均不清楚。在不同的拉拔工艺控制参数下，由于模具、摩擦、面积压缩率及加工硬化等的不同，裂纹所允许的尺寸也不同。以有限元模型为工具，从断裂力学角度研究如何控制工艺参数以获得高性能、高质量的产品，突破传统高碳钢原料生产的禁区，为解决各类超高性能金属丝材超细微结构控制奠定理论基础，为实现其c a d 辅助设计和虚拟制造提供理论平台。1 3 国内外研究现状关于拉丝过程材料形变的研究国内外己进行了大量的工作，z l m e n m n 和a v i t z u r u 9 采用上界定理对中心裂纹扩展的临界条件进行了理论推导，余万华等9 1 在此基础上计算了防止中心裂纹产生的安全区图，l u k s z a 、c k n 、k 一”、k d m o n 等也对拉丝过程材料形变状态进行了数值模拟分析。r j e d e l 等【1 4 1 建立相关数学模型，采用有限元法计算了存在非金属夹杂物的盘条的拉丝成形过程，并开展了相关试验来进行验证，取得了较好的结果。但目前还没有更深入的针对裂纹萌生后的材料形变状态所进行的研究。出现这种状况，一方面是由于随着计算精度要求的提高，有限元网格的划分十分困难，计算工作量十分庞大，在输入数据的准备上很费事。另一方面，在断裂问题的数值分析中有限元法求解裂纹扩展的局限是要么预先知道裂纹的扩展路径，要么必须重新划分网格，这给求解造成了很大的困难。近几年来，关于塑性大变形，断裂力学应用及有限元等方面都有了显著的成果，这些进展和成果可为本文的研究创造条件或提供参考。1 3 1 塑性大变形金属体积成形是国家生产材料加工的重要构成，其过程是一个复杂的塑性问题，对其进行分析的目的是确定工件在塑性成形的各变形阶段所需的变形功和加工力，内部的应力、应变、温度分布和金属流动规律，模具的应力、应变、温度分布、合理形状及材料，工件的尺寸精度、残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布并为模具设计提供可靠的依据。由于材料塑性成形是一个非常复杂的过程，同时也受到现时数学上处理问题的限制，获得塑性加工问题的精确解是非常困难的，因此，为了得到对工程设计和实际生产有指导意义的解，对材料塑性成形的力学行为的研究往往与数值方法结台在一起。国内外学者对一些简化模型或特定的体积成形过程进行了有限元分析：y 舳g 等l l “对大量的三维挤压、锻造过程进行了计算；m a m a l l s 【叫采用隐式有限元软件m a r c 和显式有限元软件d y n a 3 d分别计算了一个三维斜齿轮的精锻过程，并给出了对比结果；上海交通大学的陈军对连杆毛坯滚挤、径向挤压、方坯反挤压等成形过程进行了模拟【17 】：孔凡忠【l ”等利用有限元商用软件m s c ，m a r c 和边界元程序对比计算分析了含有两个非常接近椭圆夹杂板材，模拟了含随机分布椭圆形夹杂固体的等效力学- 眭能。华中科技大学的樊建平【1 卅等在导出损伤演化规律后，将此理论方法用于圆盘的深拉延数值分析，给出由损伤的材料性能退化对冲头力的影响。斑d h a 口叫利用a b q u s s t a n d a r d 有限元的片j户子程序u m a t 【2 u 用于模拟钣金切材过程，利用弹塑性本构关系包含损伤和裂纹扩展作用，研究了不同工艺参数对剪切边几何的影响及力一冲头渗透的演变。1 3 2 损伤力学和断裂力学及应用损伤力学和断裂力学是固体力学在上世纪后期发展起来的新分支，以控制和防止结构物体的断裂破坏为目的，研究工程结构上裂纹尖端的应力场和应变场，并由此分析裂纹扩展的条件和规律，4第一章绪论在结构、机械、岩土、抗震等工程领域中已得到越来越广泛的应用【2 2 2 ”。虽然断裂问题在金属塑性加工中是一种常见的现象，但是在早期的金属塑性加工数值模拟中却很少涉及到断裂问题的模拟。对工件断裂的判断往往停留在强度理论上，以等效应力或等效应变作为是否出现断裂的判据，这显然是继承了结构设计中的思想，实际上并不能满足加工工艺研究的需要。于是许多学者提出了各种延性断裂破坏的判断方法，这些方法分为两类，一类称为基于试验的准则( e m p l n c “c n t e n a ) 法，主要是通过标准的常规试验来获取材料的试验数据，然后用于材料成形过程中的延性断裂的判断上，它还分三种，即应力、应变和应变能准则，这类准则的代表是c o c k r o r l a m a m 准则。从所分析的尺度和方法上讲，它属于宏观断裂力学的范畴。这种方法的缺陷是简单的力学试验条件和金属成彤过程的条件相差甚远，由简单试验得出的经验值应用到复杂的成形分析中，是有很大的近似，很显然不能将镦粗试验的破坏值应用到板料成形的断裂分析中。另外，这些准则不能判断工件内部裂纹。另一类方法是基于微观组织的组织( m i c r o s t r l i c t l l r eb a s e dc n t e n a ) 。这种方法可以将空洞的几何参数在材料的本构方程中加以描述，可以分析断裂过程中裂纹形成、发展的微观组织变化。这种准则的描述更为具体，它考虑到了空洞的几何尺寸对断裂的影响，将各种影响断裂的因素考虑到材料的本构关系中。根据它分析的空间尺度和对象，属于连续损伤力学范畴，它旨在利用连续介质力学的方法研究具有细观结构固体变形及破坏行为。具有代表意义的模型有g u r s o n 模型、l e m a l t r e 模型以及r o u s s e l l e r 模型等。目前，损伤力学的研究还很少深入到对材料在大变形中的内部损伤中，还没有考虑到材料断裂损伤与材料流动过程的相互影响，以及空洞的凝聚、移动等对材料断裂和流动的影响上。如何建立断裂准则的及将其在连续介质大变形的数值模拟( 例如有限元) 中的应用还有待于进一步研究。国内外对金属塑性加工材料断裂判据的研究已经有大量的成果。o y a n e 口1 等描述了无孔和多孔两种材料的断裂判据，给出判据中材料常数估算的一种方法，并将判据应用于金属加工过程中裂纹应变的预测。n a r a y a n a 口鄙等提出几种通常的用于金属成形过程延性断裂预测的准则，延性断裂判据以应力积分函数表达，考虑了张应力比和三维的影响。并提供一个简单可行的估算判据中材料常数的程序。b e h r e n s 和j u s t 【2 6 】通过试验测试和有限元模拟论证了冷型和热型铸造中胁c h a l l o v 和l e 埘仃e提出的等效应力损伤模型。o z t u r k 和l e e 旧将延性断裂判据应用于板金成形的界限图( f l d ) 预测，通过将由有限元模拟获得的应力、应变值延性断裂判据而得到成形安全区图的应变界限。h a n 和k m 【”姬过一个半球形冲床伸展得到各种金属薄板的颈缩变形界限曲线( f l c n ) 和断裂变形界限曲线( f l c f ) ，基于平面应力条件和b a d a l 的非二次各向异性屈服准则提出各种延性断裂判据，通过一个数值程序确定判据中常数，通过c o c h o n l a l l l 锄延断裂判据与最大剪应力判据的结合提出了一个新的基于试验的延断裂判据。宫能平、夏源明口引利用自行研制的间接杆一杆型冲击拉伸试验装置对周边切口的短圆柱试件实施基于一维试验原理的弹塑性材料动态断裂试验，在数值计算的基础上提出一个弹塑性材料动态起裂韧度的，表征和测试方法。邢修三p 州在提出了固体断裂非平衡统计理论，在此基础上给出了实际金属材料微细宏观多层次结合的断裂理论方块图，描述了各层次及有关的表达式在脆性和疲劳断裂过程中的作用和相互联系及从微细观结构过渡到宏观力学量的途径。1 3 3 数值仿真分析方法及软件应用研究复杂结构和系统的复杂发展过程是当前现代计算力学的主要特征之一。例如在固体力学中的材料大变形的损伤起始与演化问题，复合材料等新型材料中的裂纹传播问题，相变过程中的边界移动问题等，都要经历一个很长的过程，而在此变形过程中，有可能随机性地出现新的裂纹、损伤甚至新的材料相等。目前已有各种相应的本构理论来描述这些现象，却给数值计算和模拟带来了新的问题。有限元方法仍然是有希望解决这些问题的强有力的工具。有限元法对于各种问题的适应性强，应用范围广，它能详细给出各种数值结果，通过图像显示还可以形象地描述力学过程。它能多次重复进行数值模拟，比实验又省时又经济。由于裂纹尖端附近的应力场存在奇异性，以致直接应用常规数东南大学硕士学位论文值方法分析断裂力学问题的效果往往较差，因此需要结合断裂力学的特点发展更有效的数值计算方法。随着断裂力学研究的日益深入，需要求解的问题日趋复杂化和多样化，使得如何建立高效、高精度的计算方法成为学者们研究的热点。由于计算机科学、计算数学和力学等学科的不断发展，用于解决断裂力学问题的数值计算方法不断涌现，从早期的有限差分法、有限元法、边界元法到现在的无网格法、数值流形法、小波数值法、非连续变形分析等，它们正成为推动断裂力学研究不断发展的重要工具眇”。有限元法实现了统一的计算模型、离散方法、数值求解和程序设计方法，从而能广泛地适应求解复杂结构的力学问题。所以，该方法自问世至今已得到了迅猛发展，从最初的用于结构和固体力学的计算分析不断向其他领域扩展，也成为分析断裂力学问题的首选数值方法。由于裂纹尖端的奇异性”，用普通单元求解应力强度因子往往需要过多的自由度，而自由度数要受计算机的限制，同时解的收敛性也没有保证。为此，学者们提出在裂纹尖端采用特殊的有限单元日7 3 ”，使其位移模式反映奇异性，这样就不需要细分网格，解的精度也得到了保证。这种用于裂纹奇异性模拟的有限单元称为奇异单元，其中典型的两种是奇应变单元和等参数单元。a n s y s p 刈是目前广泛使用的一个通用有限元分析软件，它为用户提供了l o o 多种单元，具有完善的前后处理功能，可以方便地进行网格划分和后处理的等值线、色块图显示。a n s y s 提供的a p d l语言是一个类似f o r l r a n 的、解释性的编程环境，使用a p d l 可以把前后处理的很多命令组合起来，将诸如零件尺寸、相互关系等进行参数处理，从而可以方便地通过调整参数来改变计算方案，进行优化分析。囡此使用a n s y s 可以解决有限元分析中的很多问题。但就金属成形分析来说a n s y s缺乏前处理网格形成的控制、求解过程的进程干预、网格畸变或边界干涉的判断、网格调整或网格重划、工艺变量的计算以及热力耦台问题等诸多方面的功能，对金属塑性成形模拟问题无能为力。为弥补这个缺陷，利用a n s y s 提供的二次开发接口，将网格畸变判据、网格交互式修改、网格自适应重划、新旧网格的信息传递、金属变形时的塑性功转化成的热与变形力的热力耦合分析等功能做成模块加入到a n s y s 中，并对a n s y s 原有相关单元进行了修改和补充，使其满足网格重划的需要，从而使a n s y s 具有了用大变形弹塑性理论分析金属变形整个过程的能力。1 4 本文的研究内容和研究方法1 4 1 研究内容拉丝过程是非常复杂的材料形交过程，影响因素众多，不仅有材料的组织变化( 包括组织变形、织构的形成等) ，还包括拉丝过程中盘条的温度、表面状态的变化等。在拉丝过程中，材料的形变主要受模具模角、材料与模具问的摩擦系数、面积收缩率、硬化系数四个因素的影响1 7 。”。这些因素配置的合理与否直接影响到拉丝的质量，通常不合理的工艺参数配置使得钢丝在拉拔过程中形成中心裂纹甚至断丝。拉拔中高的断丝率一直是生产实际十分关注的问题，是制约我国钢丝生产的一个主要方面，其表现在于一是严重影响生产效率，二是钢丝质量受到限制：拉拔引起的内裂纹作为损伤存在，降低钢丝的承载力；超高强钢丝生产找不到突破口。拉丝材料在模具中变形过程中，其受力状态为轴向受拉和侧向受压，即材料在轴线方向，表层产生压应力，中心产生拉应力，逐步在中心轴上形成速度不连续点。材料内部各部分由于受力不均相互牵制，并在中心轴上产生很大的拉应力，使得中心易成为材料失效点，产生中心裂纹。在一定的工艺