（材料加工工程专业论文）汽车零件锻造成形机理数值模拟与工艺模具开发研究.pdf

山东大学硕士学位论文 汽车零件锻造成形机理数值模拟与工艺模具开发研究 摘要 随着汽车工业的迅猛发展，汽车性能不断提高，汽车零部件中对高精度、 形状复杂锻件的需求量越来越大，对于汽车制造业来说，未来的竞争核心将是 新产品的竞争，如何实现高质量、低成本、短周期的汽车零件的开发，是赢得 汽车市场的关键。在这种情况下，锻造新工艺、省材节能工艺等的开发对于新 型汽车零件的生产尤为重要，而先进工艺模具设计方法将对提高汽车零件设计 水平、缩短零件研制周期和降低成本起着举足轻重的作用，从而大大提高汽车 市场的竞争力。 本文首先对d f l 3 5 0 型活塞头和c a 6 d l 型活塞进行工艺分析，然后建立 d f l 3 5 0 型活塞头和c a 6 d l 型活塞的温挤压成形过程的三维有限元模型，运用 三维有限元数值模拟软件d e f o r m 3 d a * l 对零件的温挤压成形工艺进行数值模 拟分析，选择成形温度、摩擦因子、拔模斜度等工艺参数。根据模拟结果对比 分析以上诸参数对成形工艺的影响，同时获得变形全过程的材料塑性变形行为， 流动规律，材料内部应力、应变分布等，从而为活塞温挤压成形工艺与模具优 化设计提供理论指导，在此基础上设计活塞温挤压成形工艺和模具结构。 其次运用三维有限元数值模拟软件d e f o r m - 3 d t m 对e q l 5 3 转向节热模锻 成形工艺进行系统分析，模拟原工艺方案及优化后工艺方案成形过程中的制坯、 预锻及其终锻过程，得到成形过程中金属的流动规律，等效应力、应变分布情 况及行程一载荷曲线。通过对原工艺方案模拟结果的分析，发现存在的缺陷和 不足，并在对模拟结果分析的基础上，对原成形工艺制坯工步进行优化设计， 提高材料利用率。 关键词：汽车零件，活塞，转向节，有限元，数值模拟 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff o r g i n gm e c h a n i s ma n dp r o c e s sa n dd i e d e s i g no f a u t o m o b i l ep a n s a b s t r a c t w i t l lt h eh i 曲d e v e l o p m e n to ft h em o o ri n d u s t r y , m o t o rp e r f o r m a n c ea d v a n c e s c o n t i n u a l l y t h e r ei sag r e a td e m a n df o rp r e c i s ea n dc o m p l e xa u t op a r t s f o rt h e m o t o rm a n u f a c t u r i n g ，t h en e w p r o d u c t sw i l lb et h ec o m p e t i t i v ec o r ci nt h ef u t u r e t h e h i g l lq u a l i t y , l o wc o s ta n ds h o r tp e r i o do ft h ea u t op a r t sd e v e l o p m e n ta r et h ek e y f a c t o r si nw i n i n gt h ea u t om a r k e t i ns u c hc a s e s ，n e wf o r g i n gp r o c e s s ，m a t e r i a la n d e n e r g ys a v i n gp r o c e s s e sa r ev e r yi m p o r t a n tt ot h ep r o d u c t i o no fn e wt y p eo fa u t o p a r t s a n dt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g yo fd i ed e s i g nw i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei n i m p r o v i n ga u t op a r t sd e s i g n , s h o r t e n i n gd e v e l o p m e n tp e r i o da n dl o w i n gp r o d u c t i o n c o s t i nt h i sp a p e r , t h ep r o c e s s e sf o rb o t hd f l 3 5 0p i s t o nh e a da n dc a 6 d l p i s t o na r e a n a l y z e df i r s t t h e nt h et h r e e d i m e n s i o n a lf e mm o d e l so ft h ew a r me x t r u s i o n p r o c e s s o fd f l 3 5 0p i s t o nh e a da n dc a 6 d lp i s t o na r ee s t a b l i s h e d n 圮 t h r e e - d i m e n s i o n a lf e as o f t w a r ed e f o r mi su s e df o rh u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e w a r me x t r u s i o np r o c e s s e s 1 1 1 ep a r a m e t e r ss u c ha sf o r m i n gt e m p e r a t u r e f r i c t i o n f a c t o ra n dd r a f ta n g l ea r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ef e ms i m u l a t i o nr e s u l t s t h e i n f l u e n c eo ft h e s ep a r a m e t e r so nf o r m i n gp r o c e s si sa n a l y z e da c c o r d i n gt o t h e s i m u l a t i o nr e s u l 招a n dt h ef o r m i n gl a w s t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sa n ds t g a i no f t h ew o r k p i e c ea r eo b t a i n e d n l ec o n c l u s i o no f f e r sat h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rt h ew a r m e x t r u s i o np r o c e s sd e s i g no f p i s t o na n dt h eo p t i m i z a t i o no f d i ed e s i g n o nt h eb a s i so f t h ea b o v ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n ，t h ew a l me x t r u s i o n p r o c e s s e sa n dt h ed i es t r u c t u r e d e s i g n so f t h ep i s t o na n dp i s t o nh e a da r ed e s i g n e d n l et h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ed e f o r a m i su s e dt op e r f o r mt h e h o td i ef o r g i n go ft h ee q l 5 3s t e e r i n gk n u c k l e 1 1 圮f o r m i n gp r o c e d u r eo ft h e p r e f o r m i n g ，p r e f o r g i n ga n df i n i s h - f o r g i n g ，b o t hf o rm eo r i g i n a la n dm o d i f i e dp r o c e s s ， a r ep e r f o r m e d t h em a t e r i a ld e f o r m a t i o nl a w sa n dl o a d - s t r o k ec n r v ea r ep r e d i c t e d 山东大学硕士学位论文 t h ed i s t r i b u t i o no ft h es t r e s sa n dm a i ni nw o r k p i e c ea r eo b t a i n e d t h ed i s a d v a n t a g e o ft h eo r i g i n a lp r o c e s sa n dd i ed e s i g ni sa n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i s ，t h e o r i g i n a lp r e f o r m i n gp r o c e s sa n dd i ed e s i g na r eo p t i m i z e da n dt h eu t i l i t yr a t i oo f m a t e r i a li si m p r o v e d k e yw o r d s ：a u t op a r t s ，p i s t o n , s t e e r i n gk n u c k l e ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l l 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：5 遂五日期：2 翌堡垒：芏：上l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：趔新签名弛 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近年来，汽车制造业得到了迅猛发展，汽车性能不断提高。锻造工艺作为 机械制造技术之一，对汽车工业具有重要作用，是生产受力部件的重要工艺。 随着汽车工业的发展，汽车零部件中对高精度，形状复杂锻件的需求量越来越 大，传统的加工工艺已经不能满足汽车零件产品需求。对于汽车制造业来说， 未来的竞争核心将是新产品的竞争，如何实现高质量、低成本、短周期的汽车 零件的开发，是赢得汽车市场的关键。在这种情况下，锻造新工艺、省材节能 工艺等的开发对于新型汽车零件的生产尤为重要，而先进工艺模具设计方法将 对提高汽车零件设计水平，缩短零件研制周期和降低成本起着举足轻重的作用， 从而大大提高汽车市场的竞争力。 当前，以净成形和近净成形为目标的加工技术，已经在工业发达国家得到 迅速发展并发挥着重要作用。精锻成形技术已在较大程度上实现了近净成形， 即制造接近零件形状的工件毛坯，较传统成形技术减少了后续工序的切削量， 减少了材料、能源的消耗。其发展趋势是实现净成形，即直接制成符合形状要 求的工件。精密塑性成形己成为提高产品性能与质量，提高市场竞争力的关键 技术与重要途径。这是因为精密塑性成形不但可以节材、节能、缩短产品生产 周期，降低生产成本，而且可以使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的 材料组织结构与性能。 近年来，随着计算机软硬件技术、金属塑性流动理论和计算机图形学等交 叉学科的迅猛发展，有限元数值模拟技术得到了快速发展，以数值模拟等先进 方法解决工业生产中的实际问题已成为金属成形技术的发展方向。采用有限元 数值模拟方法，可实现体积成形过程的模拟分析，获得零件的成形规律、以较 小的代价，在较短的时间内找到最优的和可行的设计方案，为同类零件成形工 艺的研究开发和应用提供技术依据和理论指导“捌。 1 2 汽车零件生产工艺现状 通常情况下，一辆汽车由几万个零件组装而成，使用的材料上千种。在零 第一章绪论 件生产方面，除传统的铸造、锻造以及冲压等加工工艺以外1 ，近年来随着汽 车工业的飞速发展，还出现了多种新型零件成形工艺，主要有以下几种： 1 精冲 精冲是在专用压力机上，借助于特殊结构的精冲模具，在强力作用下，使 金属材料产生塑一剪变形。它具有优质、高效、节能和降低生产成本、提高安 全性和环保性等特点。据不完全统计，在一辆汽车整车零件中，精冲件约占冲 压件的2 5 ，包括刹车蹄片、凸轮轴齿轮、棘轮、扇形齿轮、座椅调角器、轮 毂及拨叉等】。 2 精密锻造 精密锻造( 净成形或近净成形) 是指零件锻造成形后，仅需少量加工就可 达到设计要求的成形技术。精密锻造概念的引入，使得以有限元为基础的数值 模拟技术显得越来越重要，数值模拟技术的推广和应用使得锻造过程可控。 目前汽车精锻主要有轴类件、花键类零件、行星齿轮、半轴齿轮、直齿圆 柱齿轮、等速万向节内、外圈、十字轴、同步器齿环、变档传动齿轮结合齿、 交流发电机极爪、精密管类零件、整体桥壳等“”。 3 挤压铸造 挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺，该 工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内，通过冲头以一定的压力 作用于液态或半凝固的金属上，使之充填、成型和结晶凝固，并在结晶过程中 产生一定量的塑性变形，从而获得零件毛坯的一种金属成形方法。 挤压铸造在汽车工业中的应用实例包括发动机活塞、铝合金轮毂、铜合金 拨叉、制动泵泵体、发动机主轴承盖、减速器涡轮等“4 删。 4 粉末注射成形 粉末注射成形技术是将现代塑料成形技术引入粉末冶金领域而形成的- - l - j 新型近净成形技术。粉末注射成形就是将金属( 金属氧化物或陶瓷) 固体粉末 与粘结剂在加热状态下用注射机注入模具腔内，经冷却定型得到一定形状尺寸 的预制件，然后利用化学或热分解的方法将预制件中的粘结剂脱除，最后经烧 结致密化得到满足力学物理性能要求的最终产品。粉末注射成形具有工件质量 精确，材料利用率高，可以高效率直接成形各种成分的复杂形状零件等优点。 2 山东大学硕士学位论文 目前，粉末注射成形技术己用于制造汽车齿轮、安全气囊零件、磁性零件 等，而且正处于迅速发展之中“”。 5 板料无模多点成形 板料无模多点成形技术的基本原理是利用一系列规则排列的、高度可调的 基本冲头，通过对各成形部位的实时控制，构造出所需的形状，取代传统的模 具来实现板材的三维曲面快速无模成形。主要用于汽车覆盖件的制作。 6 塑料增强反应注射成形 其方法是将两组添加了玻璃纤维增强材料的液体树脂进行计量混合并注入 模具腔内。在模具腔内，两组液体发生化学反应并固化成一定形状的塑料制品。 塑料增强反应注射成形主要用于保险杠、仪表板、前照灯玻璃罩及塑料覆盖件 等汽车塑料零件的制作“。 7 旋压成形 目前汽车上所使用的旋压零件主要有：各种排气歧管、离合器、变速箱齿 轮、气瓶、消音器、传动轴、催化器外壳、减震管、电池盒、驱动盘、各种皮 带轮及轮毂、车轮等嘲。 1 3 精密塑性体积成形技术研究现状 精密塑性体积成形技术是在传统成形工艺的基础上逐渐完善和发展起来 的。是建立在新材料、新能源、信息技术，自动化技术等多学科高技术成果的 基础上，改造了传统的毛坯成形技术，使之从粗糙变形变为优质、高效、高精 度、轻量化、低成本、无公害的精密塑性成形。它可使成形的机械构件具有准 确的外形、较高的尺寸精度和形位精度、较好的表面粗糙度。精密塑性成形技 术具有以下特点： ( 1 ) 节材、节能，可缩短产品制造周期、降低生产成本。 ( 2 ) 可生产复杂结构零件，为新产品开发提供有力技术支持。 ( 3 ) 使金属流线沿零件轮廓合理分布，获得更好的材料组织结构与性能， 从而可以减轻制件的质量，提高产品的安全性、可靠性和使用寿命。 ( 4 ) 同传统成形工艺相比，可改善生产条件并减少对环境的污染，成为一 种清洁生产技术，为可持续发展创造有利条件。 3 第一章绪论 按照成形方法的不同，精密体积成形可分为模锻、挤压、闭塞式锻造、多 向模锻、径向锻造、精压、摆动辗压、精密辗压、特种轧制、变薄拉深、强力 旋压和粉末成形等m 】。 精密塑性成形作为一种先进制造技术，近年来得到了迅速发展，并在工业 中获得广泛应用。制造业特别是机械制造业的发展，要求生产过程节约能源、 节约材料、提高资源利用率，这已成为参与国际市场竞争的重要因素。发展应 用精密塑性成形技术就是一个有效途径。近几年来，我国在锻压方面已基本掌 握了精锻、精冲、冷温挤等少无切削锻压工艺嘲。 1 4 有限元模拟在金属塑性成形中的应用 1 4 1 金属塑性成形过程研究方法 金属塑性成形过程是一个非常复杂的变形过程，材料特性、温度条件、摩 擦条件、润滑情况、坯料形状及尺寸和模具形状等因素对变形过程都有一定的 影响。这些因素及其作用是塑性加工研究的主要对象。金属塑性成形过程研究 的主要任务是结合金属材料的特征，分析金属塑性成形过程中的应力、应变场 以及变形条件等因素对变形的影响，在此基础上充分了解和掌握成形规律，从 而为解决塑性加工中出现的各种实际问题，确定最佳工艺参数，高效低耗地获 得优质产品提供科学依据。金属塑性成形过程的分析方法大致可分为三类： 第一，基于经典塑性理论的解析方法，其中包括联立求解塑性理论基本方 程的数学解析法、将平衡方程和塑性条件简化后联立求解的主应力法、针对平 面问题提出的滑移线法、基于能量守恒原理的能量法和上限法等。解析方法只 能预测金属变形中的部分特性，其解决问题的范围、复杂程度和精度都受到了 很大的限制；而且需要做出较多的简化和假设，才能使问题能够求解，所得结 果与实际情况相差较大，无法满足理论分析和工程的实际需要。 第二，以实测数据为分析基础的实验力学方法，如视塑性法、网格法、密 栅云纹法等。实验力学方法所得的结果直接或间接来自于实测数据，减少或回 避了对变形条件及材料性能等方面的许多假设，其突出优点是结果可靠。因此， 实验力学方法长期以来直是一种用于金属塑性成形过程的不可替代的研究方 法。但是，此类方法的缺点是：难以简单、直接地给出各种影响因素在金属塑 4 山东大学硕士学位论文 性成形过程中相互之间的关系，因而不便于进一步进行成形极限分析以及工艺 参数的优化；此外，实验力学方法往往由于耗资大、周期长、局限大等原因， 有时因为大型问题或系统状态的复杂性，无法或不能进行实验，故难以满足研 究和分析的需要。 第三，随着塑性理论的发展和计算机应用的普及，由传统方法演化出来的 数值分析方法，其中包括从上限法发展而来的上限元法( u b e t ) 、从滑移线法 发展而来的矩阵算子法等，与此同时还出现了一些新的数值分析方法，如有限 差分法( f d m ) 、加权余数法( w r m ) 、边界元法( b e m ) 和有限元法( f e m ) 等。 数值分析方法中应用最广泛的是有限元法，它是一种有效的离散数值计算 的方法。有限元法在金属塑性加工领域的应用始于2 0 世纪7 0 年代。近年来， 随着计算机技术和塑性力学理论的发展，塑性有限元法已成为模拟分析金属塑 性成形过程的强有力工具。与金属塑性成形问题的其它分析方法相比，大量分 析研究表明，塑性有限元法功能更强、精度最高、解决问题的范围最广，其主 要优点有： ( 1 ) 适合于分析各类金属塑性成形过程，不受具体成形问题的限制； ( 2 ) 能够较全面考虑多种因素对成形过程的影响，如温度、摩擦润滑条件、 材料特性、变形速度以及模具几何形状等； ( 3 ) 能够获得有关成形过程的多方面信息，如成形力、应力、应变和温度 场的分布，金属的塑性流动规律等，这些信息为加工工艺过程的优化和控制提 供了参考： ( 4 ) 在计算机上模拟成形的全过程，并可反复演示、计算和优化，在开模 之前就能够预测成形过程中可能出现的缺陷，并通过对各影响参数的修改，消 除可能出现的缺陷，从而节约昂贵的试模、修模费用，在保证工件质量、减少 材料消耗、提高生产率以及缩短生产周期等方面具有显著的优越性。 国外许多大型汽车厂家的研究表明，成功引入数值模拟技术，能使产品设 计、模具设计、调试直至投产的产品换代周期缩短1 ，2 ，模具制造成本降低l 3 ， 经济效益和战略效益巨大。因此，金属成形过程数值模拟和工艺优化技术将成 为新工艺开发的重要手段4 删。 第一章绪论 1 4 2 有限元模拟技术发展概况 金属塑性成形过程是一个非常复杂的塑性大变形过程，存在几何非线性、 物理非线性和边界条件的非线性。所以对塑性成形问题进行精确求解非常困难。 过去应用更多的是近似方法，研究过程都需要做较多的简化和假设，从而导致 所得结果和实际情况相去甚远，甚至无法满足理论分析和工程实际的需要。目 前，塑性有限元法已成为模拟分析塑性成形过程的有力工具，也是应用最为广 泛的数值分析方法“”。 塑性有限元法可以分为两大类流动型塑性有限元( 包括刚塑性有限元和刚 粘塑性有限元) 和固体型塑性有限元( 包括小变形弹塑性有限元和大变形弹塑 性有限元) 两大类。 弹塑性有限元法是1 9 6 7 年f l ：i m a r c a l 和k i n g 首先提出的，1 9 6 8 年山田嘉昭根据 屈服准则的微分形和法向流动法则，推导出弹塑性应力一应变矩阵。弹塑性有 限元法分析过程中同时考虑弹性变形和塑性变形，弹性区采用虎克定律，塑性 区采用普朗特一劳斯方程和密塞斯屈服准则。对于小塑性变形所求的未知量是 单元节点位移，适用于分析结构失稳，屈服等工程问题。对于大塑性变形，采 用增量法分析。这类有限元法的优点是考虑弹性区与塑性区的相互关系，不仅 可以计算工件的变形、应力和应变分布以及变形力等信息，而且可以有效的处 理卸载问题，计算残余应力、残余应变和回弹。其缺点是计算工作量繁重，对 非线性硬化材料计算复杂。近年来随着计算机硬件技术的发展，这种方法正朝 着更广的应用范围扩展。 刚粘塑性有限元法与刚塑性有限元法的区别仅在于它们所采用的本构关系 不同。热加工及超塑性成形中，材料不仅表现有塑性，同时也表现有粘性，而 且某些对应变速率敏感的材料，即使在常温下也可表现出粘性。粘性对材料塑 性变形规律有较大影响，在有限元模拟中必须加以考虑。 刚塑性有限元法是采用刚塑性材料模型，忽略了材料的弹性变形部分。对 于大多数体积成形问题，弹性变形量较小，可以忽略，即可将材料视为刚塑性 体。为了克服弹塑性有限元方法不足，l e e 和k o b a y a s h i 3 于1 9 7 3 年首次提出了刚 塑性有限元法。用l a g r a n g e 乘予施加体积不变条件，由于这种方法不象弹塑性有 限元法那样用应力应变增量进行求解，因此计算时增量步可取得较大些，但对 于每次增量变形来说，材料仍处于小变形状态，下一步计算是在材料以前的累 6 山东大学硕士学位论文 加变形几何形状和硬化特性基础上进行的，所以可以用小变形的计算方法来处 理大变形工步分析。1 9 7 9 年，z i e n k i e w i c z 呻j 等又给出了罚函数法的体积不可压缩 的刚塑性有限元法。 刚塑性有限元法通常只用于一些金属的冷加工问题，而对热加工( 再结晶温 度以上) 应变硬化效应不显著，材料对变形速度具有较大的敏感性的情况不太适 用。因此，在研究热加工问题时要采用粘塑性本构关系。p e t z y n a 娜1 对粘塑性的 屈服准则和本构关系进行了系统的总结。刚粘塑性有限元法将变形体视为非牛 顿流体，适用于分析热态及对速度敏感的金属材料的塑性成形问题。许多学者 采用刚粘塑性有限元法对各种塑性成形问题进行了分析，取得了许多成果。r e b l o 等人进行了稳态过程的热力耦合计算分析。o h “”等在刚粘塑性材料变分原理的 基础上，也导出了类似的刚粘塑性有限元求解列式。目前，刚粘性有限元法是 国内外公认的分析塑性成形问题最先进的方法之一。 1 4 3 有限元模拟技术在金属塑性成形中的应用 长期以来，在塑性成形领域的工艺设计和产品生产都一直采用试锻一修正 一再试锻的循环迭代的试错方法和经验判断的方式进行。这种传统的方法迄今 积累了许多宝贵的经验数据和公式。但是，随着信息化时代的迫近，制造全球 化与贸易自由化进程的加快，激烈的市场竞争使得产品的更新更加频繁，开发 的周期越来越短，使用的新材料更加难以加工，而用于进行实验研究的时间被 大大缩短。如果采用传统的设计方法，工艺和模具设计的质量和周期很难保证， 因此需要采用有效的研究方法和手段对上述问题进行系统、精确的分析。 近几十年来，随着计算机技术的迅速发展和数值计算方法的日益完善，尤 其是随着有限元技术的不断完善和发展，有限元数值模拟技术在塑性加工中的 应用蓬勃发展，应用范围也越来越广。从板料成形到体积成形，从正向模拟对 成形结果的预测到反向模拟对预成形件的设计，从同时考虑变形和热传导的热 力耦合分析到对工件微观组织的预测，都显示了该技术在塑性加工领域中的重 要地位和作用。从塑性有限元模拟技术的发展看，它已经走出了单纯为理论分 析而进行模拟的探索阶段，已广泛应用于工业生产中。 在板材塑性成形方面，采用增量分析的大变形弹塑性有限元技术已广泛应 用于加载过程和卸载过程的分析、残余应力和回弹的计算中。m a k i n o u c h i 嘲采用 修正的l a g r a n g e 描述弹塑性有限元法模拟了平面应变拉弯变形过程，并给出了接 7 第一章绪论 触边界条件。w a n g 年1 1 t a n g “”提出了基于厚壳理论的全量l a g r a n g e 描述有限元列 式，并模拟了拉深成形过程。董湘怀采用全量l a g r a n g e 描述的弹塑性有限元法， 并考虑了板料的各向异性，对三维板料成形过程进行了有限元模拟。邢会林。” 采用刚粘塑性有限元法，对板材超塑性胀形过程中的壁厚分布进行了数值模拟， 同时分析了空洞的长大及其分布规律。柳玉起”1 采用基于虚功率原理和m i n d l i n 壳单元的弹塑性大变形有限元，成功地模拟了方盒与圆筒拉深成形中的凸缘起 皱现象及圆锥件拉深成形侧壁起皱现象。曾元松呻1 采用l s d y n a 3 d 软件对单曲 率壳体胀形时赤道的起皱和椭圆封头成对液胀时壳体周边的起皱进行了模拟， 得出了起皱的临界压力和起皱形态，与实验结果吻合较好。杨光1 针对板材三 维冲压成形的切边回弹问题，提出了基于大变形弹塑性有限元数值模拟理论的 切边处理的a i a 方法。 在锻造方面，k o b a y a s h i 嘟1 首先采用刚塑性有限元法对轴对称闭式模锻过程 进行了数值模拟，模拟结果与实验结果吻合较好。1 9 8 2 年，0 h 9 1 提出了处理任 意形状模具边界条件的方法，对刚塑性有限元法做了进一步的完善，并与w u 和a l t a n 等学者一起成功地开发了二维模锻过程的刚塑性bz i 粘塑性有限元程序 a l p i d ，并用于各种锻件锻造过程模拟分析。在国内，赵国群卿”1 、卫原平嘲 等在二维模锻过程的刚塑性b u 粘塑性有限元模拟方面也做了系统的研究工作。 p a r k 和k o b a y a s h i 较早地进行了三维成形问题的模拟研究，分析了矩形块体、 楔形块体的镦粗过程，考察了摩擦条件对变形体构形和变形力的影响。y o o n 和 y a n g “”模拟7 - - = 维齿轮的精锻过程。在国内，王忠金针对复杂形状的模具型 腔曲面和锻件提出了基于b 样条方法的曲面描述技术及样条曲面插值六面体网 格生成方法，据此进行了连杆终锻成形过程的三维刚粘塑性有限元模拟。蒋浩 民采用基于映射法的六面体网格划分技术和基于边界构形的网格重划分技 术，对未经简化的铝合金支座轴超塑性模锻过程进行了三维有限元模拟，计算 结果与实验结果吻合较好。左旭叫对汽车零件十字轴和曲轴的多工位模锻成形 的全过程进行了三维有限元模拟，并开发了三维有限元模拟软件f o r m i n 9 3 。曹 飞利用d e f o r m 软件对曲轴锻造成形过程进行了有限元模拟。 在挤压方面，1 w a t a 等删采用弹塑性有限元法分析了轴对称和平面应变静液 挤压问题，预测出了静液挤压过程中塑性变形区的发展情况及静液压力随坯料 位移的变化情况。谢水生等州也对轴对称静液挤压进行了弹塑性有限元模拟， 分析了不同模角、不同型线凹模及不同挤压比对挤压力的影响。为了克服用小 变形弹塑性有限元法分析挤压问题时存在较大累积误差的不足，l e e 等用弹塑 8 山东大学硕士学位论文 性有限变形理论对曲线模平面挤压过程进行了分析。s h a h 和k o b a y a s h i 采用刚 塑性有限元法，分析了轴对称状态下无摩擦的锥模挤压。g u o 等洲采用刚塑性有 限元技术，对复合挤压过程进行了数值模拟。阮雪榆等“”对双层金属的正反向 挤压工艺进行了有限元分析。l o n g 等盯2 1 采用热力耦合弹塑性有限元法分析了弹 性和热效应对挤压件成形精度的影响。徐虹等m 基于弹塑性有限元数值模拟技 术，使用m s c s u p e r f o r m 软件对传动轴渐开线花键冷挤压成形过程进行了数值模 拟。 成形过程的热力耦合分析将考虑温度分布的塑性变形问题与考虑塑性变形 功和接触界面摩擦功的传热学问题同时进行求解，从而提高了数值模拟的精确 性。o d e n m l 采用弹塑性有限元法首次对棒材料的塑性变形与热交换进行了热力 耦合分析。z i e n k i e w i c z c ”j 进行了稳态流动的热力耦合计算，分析了轧制、挤压、 拉拔等成形过程。r e b e l o 首先采用刚粘塑性有限元，对圆柱和圆环镦粗过程 进行了热力耦合分析。s o y f i s m l 采用三维粘塑性有限元对汽车摇臂的锻造过程进 行了模拟分析，计算了毛坯内的温度场和锻件内部的残余应力。s h a m a s u n d a r t 7 8 1 对多次连续锻造过程中的温度分布情况进行了分析。詹艳然利用计算变形时 的速度约束代码来生成传热边界的控制代码，用以表示该边界边上的传热方式， 实现了传热边界条件的动态处理。王华君等，对钟形罩反挤压成形过程进行了 热力耦合数值模拟，给出了金属塑性流动模式和应变及温度分布，并分析了成形 物理场分布与变形外部条件之间的关系。成形实验显示模拟计算与实验结果相 当一致。 。 近年来，塑性有限元模拟技术在塑性加工领域中的应用正朝着扩大适应性， 提高实用性和精确性的方向发展。尽管塑性有限元法有了很大的发展，但由于 塑性成形过程均为三维大塑性非稳态变形过程，且零件的复杂几何形状具有明 显的三维特征，因此对其进行接近实际的真三维的模拟是今后模拟技术发展的 主要方向叫。 1 5 本文主要研究内容 d f l 3 5 0 型活塞头和c a 6 d l 型活塞均为山东滨州活塞股份有限公司生产的 活塞零件，采用铸造工艺。随着汽车工业的发展，铸造活塞已不能满足汽车性 能不断提高的要求。因此。本文主要研究d f l 3 5 0 型活塞头和c a 6 d l 型活塞的 温挤压成形工艺，改善活塞零件的机械性能，同时也为其它活塞的铸改锻工艺 9 第一章绪论 提供参考。e q l 5 3 转向节为山东光岳集团采用热模锻工艺生产，材料利用率为 7 8 ，本文主要针对e q l 5 3 转向节的制坯工步进行模拟优化，通过优化工艺方 案，将材料利用率提高5 ，为企业降低生产成本。 以下是本文各章主要内容： 第一章：概述汽车零件的生产工艺，全面综述有限元模拟在金属塑性成形 中的应用。 第二章：介绍刚塑性，刚粘塑性有限元基本理论及其求解过程，分析有限元 模拟系统的现状，为数值模拟奠定理论基础。并对本文采用的三维有限元模拟 软件d e f o r m t m 进行介绍。 第三章：概述活塞研究现状，对d f l 3 5 0 型活塞头进行成形工艺分析，建 立三维有限元模型，采用三维刚粘塑性有限元方法分析d f l 3 5 0 型活塞头温挤 压成形工艺，比较分析成形温度、摩擦系数及其拔模斜度对成形过程和成形载 荷的影响，从而确定d f l 3 5 0 型活塞头温挤压工艺的合适参数。在此基础上设 计d f l 3 5 0 型活塞头温挤压成形模具。为其它活塞的温挤压成形工艺提供理论 依据。 第四章：在第三章对d f l 3 5 0 型活塞头研究的基础上，选取合适的模拟参 数，对c a 6 d l 型活塞进行有限元模拟，分析成形过程中几个关键阶段的模具 充填情况及其载荷变化情况，给出相应的等效应力、应变分布。在数值模拟的 基础上，设计c a 6 d l 型活塞的温挤压模具。 第五章：对e q l 5 3 转向节热模锻工艺进行模拟优化，主要针对影响劈料体 积分配的制坯模具进行优化设计，给出制坯、预锻及其终锻工步的坯料流动、 等效应力、应变分布及行程载荷曲线。优化后材料利用率为8 3 ，相比原成形 工艺方案，材料利用率提高5 。从终锻件模拟结果分析，模具充填情况较好， 飞边分布较原方案更为合理。 第六章：本文结论。 1 0 山东大学硕士学位论文 第二章三维刚塑性刚粘塑性有限元基本理论及方法 2 1 引言 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是随着计算机技术的发展而出现的一种 有效的离散数值计算的方法。目前已在很多领域得到了广泛的应用，从力学领 域发展到电磁学、热传导、流体力学和材料科学等领域。在金属塑性加工领域 的应用也得到迅速而深入的发展。 根据变形特征，金属塑性成形可以分为体积成形和板料成形工艺。体积成 形中，如锻造、挤压、轧制等，金属材料产生较大塑性变形，弹性变形相对较 少，可忽略不计。而在板料成形中，如冷冲压、冷轧等，弹性变形部分所占比 例并非太小，此时必须与塑性变形同时考虑。正因为如此形成了两种典型的材 料模型，即刚塑性材料模型和弹塑性材料模型，与之相对应的有限元法也分为 刚塑性有限元法和弹塑性有限元法。 金属塑性成形数值模拟过程最常用的有限元法为刚塑性有限元法和刚粘塑 性有限元法。刚塑性有限元法适于冷加工，刚粘塑性有限元法适于热加工及应 变速率敏感性材料的塑性变形过程。在实际的金属塑性变形中，弹性变形部分 远小于塑性变形部分，尤其对于体积成形来说，可以忽略弹性变形的影响，采 用刚塑性或者刚粘塑性材料模型进行求解，不仅能够得到令人满意的精度，还 可以大大简化有限元列式和求解过程。同时，与弹塑性有限元法相比较，可采 用较大的时间增量步长。在保证足够的工程精度的前提下，可提高计算效率。 此外由于刚塑性刚粘塑性有限元法采用率方程表示，这样材料变形后的构形可 通过在离散空间对速度的积分而获得，从而避开了应变与位移之间的几何非线 性问题。所以刚塑性n 粘塑性有限元法自2 0 世纪7 0 年代提出之后发展迅速， 尤其在塑性加工领域的应用更是如此。目前它已成为对金属塑性成形过程进行 数值模拟的重要手段”。 2 2 刚塑性刚粘塑性有限元基本方程 2 2 1 刚塑性刚粘塑性材料基本假设 金属塑性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂，为此必须作出 第二章三维刚塑性刚粘塑性有限元基本理论及方法 一些假设，即把变形中某些过程理想化，以便于从数学上进行处理。对刚塑性 刚粘塑性材料的基本假设如下： ( 1 ) 忽略变形材料的弹性变形： ( 2 ) 材料均质，各向同性； ( 3 ) 材料体积不变； ( 4 ) 不计体力和惯性力； ( 5 ) 材料的变形流动服从l e v y m i s e s 流动法则。 2 2 2 塑性力学基本方程 1 2 h 4 塑性剐粘塑性材料发生望性变形时，应满足下列基本方程组： ( 1 ) 平衡微分方程( 运动方程) o q j 2 0 ( 2 ) 速度一应变速率关系方程( 几何方程，协调方程) 毛= 圭( + ( 3 ) l e v y - m i s e s 应力应变率关系方程( 本构关系) 气= 互盯； j3 手 l = 一一 热扛厮为等效应变裤彳= 荔为等效眈 “) m i s e s 屈服准则 j 1 吒吒= r 2 式中，r = ，对于理想刚塑性材料，r 为常数。 吖j ( 5 ) 体积不可压缩条件 e 严口6 h = 0 ( 6 ) 边界条件 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 山东大学硕士学位论文 边界条件分为力面边界条件和速度边界条件，分别为： 在力面s ，上，一= e ( 2 7 ) 在速度面品上，甜，= 瓦( 2 - 8 ) 对于理想刚粘塑性材料，除了屈服条件中材料模型外，其它方程和条件都 相同。 2 3 刚塑性n 粘塑性有限元变分原理 设变形体的体积为矿，表面积为s ，在品上给定面力f ，在s ，上给定速 度瓦，在满足几何条件式( 2 - 2 ) ，体积不变条件式( 2 - 6 ) 和边界条件式( 2 8 ) 的一 切动可容速度场中，真实速度场使泛函 万= l 辱秒一【f 勰 ( 2 - 9 ) 取极小值，上述原理称为m a r k o v 变分原理。 利用m a r k o v 变分原理对变形体进行数值求解，欲求既满足速度边界条件， 又能满足体积不可压缩条件的速度场比较困难，而仅满足边界条件的速度场则 比较容易找到。因此，在实际求解时，往往采用l a g r a n g i a n 乘子法或罚函数法 将体积不可压缩条件引入泛函( 式2 - 9 ) 中，得到新泛函。 采用l a g r a n g i a n 乘子法构成的泛函为： 庐护动y 一| 。只虬嬲+ j ，名气磊d 矿 ( 2 - 1 0 ) 式中，五为l a g r a n g i a n 乘子。 采用罚函数构成的泛函为： i f = i 厅- g d v f ，f 虬d s + 等f ( 乞磊) 2 d 矿( 2 - 1 1 ) 式中，盯为惩罚因子。 罚函数法不需额外增加求解未知数和半带宽，可以省内存和计算时间，而 且收敛速度快。罚函数法着眼于数学角度来处理体积不变条件，不像l a g r a n g i a n 乘子法中的 具有明确的物理意义。一般多采用罚函数法。 l a g r a n g i a n 乘子a 具有明确的物理意义：名= o r m ( 静水压力) ，这在分析应 第二章三维刚塑性刚粘翅性有限元基本理论及方法 力场时尤为重要。而罚函数法只能求出应力偏量，无法求得平均应力，但可以 证明平均应力盯。= 西，。 而对于刚粘塑性材料，h i l l 提出了刚粘塑性变分原理。即对于刚粘塑性边 值问题，在满足几何方程、条体积不可压缩条件及位移速度边界条件的一切容 许速度场中，其真实解使下列泛函 庐p ( 叠。) d 矿一l ，e 川舔 ( 2 1 2 ) 取驻值，即一阶变分为零。 6 矗2 【d 匹( 毛) 峨j 矿一l 只国，d s ( 2 1 3 ) 式中，e ( 毛) 表示塑性变形功率函数，是凸函数。实际推导公式时，涉及到e ( 屯) 的具体表示，它与材料模型公式密切相关。 设刚粘塑性材料模型公式为 万三孑( 孛，瓦丁)( 2 1 4 ) 则对应的功函数可以表示为 e 嬉。) = 謦o ；d e 口= l 蔬( 2 - 1 5 ) 这样，若刚粘塑性材料模型公式( 2 - 1 4 ) 一旦给定，则可以由上式积分得到对 应的功函数。 将式( 2 1 5 ) 代入式( 2 1 3 ) ，得 巧刀2 l 瑟( 毛) 峨d 矿一l ，f 面。d s2 0(2-16) 上述变分原理与m a r k o v 变分原理一样，可以用l a g r a n g i a n 乘子法和罚函 数法引入体积不可压缩条件。 2 4 刚塑陛刚粘塑性有限元求解过程 刚塑性b j i j 粘塑性有限元的求解过程与一般有限元一样，不同的是刚塑性 刚粘塑性有限元法组装成的总体方程组为非线性方程组，还需要进行线性化处 理和采用n e w t o n - r a p h s o n 迭代法进行速度场迭代求解。 变形体经离散化后，能量泛函就成为各节点速度的函数，能量泛函取驻值 1 4 山东大学硕士学位论文 的条件是： 毒5 莩印，。 p 忉 式中，o ) 表示第j 个单元，j 为节点编号。 为了求解上述非线性方程，采用n e w t o n - r a p h s o n 方法进行迭代，把式( 2 1 7 ) 用t a y l o r 级数在v = ( 初始值) 展开，忽略二阶以上的高阶微量，保留线性 部分得： 吲，+ 矧，。吩。 其中，巧是对速度的一阶修正。式( 2 - 1 8 ) 又可以写成如下形式： k a v = f( 2 1 9 ) 当速度的修正值a v 求得后，就可用k + a v 对进行修正，其中是一 个介于0 l 之间的数，称为衰减因子。如此迭代下去，直到速度修正量小到可 以忽略。初始假设的速度值应接近于真实解，否则会出现迭代不收敛。常用直 接迭代法求解初始速度场。 判断迭代收敛的常用方法有两种准则。一种准则是速度的相对误差范数 | j y m 旷j i 埘， 中c o n s t 为一非常小的正数；另一种准则是节点力不平衡量 小于某一正常数。 刚塑性刚粘塑性有限元求解过程如下： ( 1 ) 生产初始速度场； ( 2 ) 计算单元刚度矩阵和节点力向量； ( 3 ) 组装成总体刚度