（机械设计及理论专业论文）钢管热挤压（胀缩）力能参数的有限元分析.pdf

鞍山科技大学硕士论文 摘 要 摘要 全世界每年钢管制品的消耗量近 5亿吨，钢管生产新技术的发展始终是世界 钢铁行业所关注的焦点问题之一。 钢管热挤压扩管和缩管是生产多种规格钢管特 别是大口径钢管的重要方法。钢管热挤压扩管和缩管过程中金属变形非常复杂， 金属流动规律难以掌握，在缺乏系统精确分析的条件下，实际生产中生产设备的 力能参数难以确定。因此，系统地研究钢管热挤压过程中的金属变形规律、应力 分布和力能参数，具有重要的现实意义和理论价值。 木文首先综述国内外有关热挤压理论和热挤压过程数值模拟的研究进展。基 于弹塑性热力祸合有限元法基本理论，应用ma r c软件对钢管热挤压扩管和缩管 过程进行了 数值模拟分析。针对钢管热挤压过程的特点，建立了钢管热挤压过程 的热力祸合模型，实现了钢管热挤压过程模拟分析。通过研究钢管热挤压三维变 形规律，得出钢管热挤压过程中应力的分布规律，挤压力一 行程曲线。在进行系统 的理论分析的同时，本文还对热挤压过程中的力能参数进行了实验研究，并与理 论分析结果进行对比，验证了理论分析的正确性。研究结果可以作为钢管热挤压 扩管和缩管设备的设计依据，研究方法对同类产品热挤压过程的研究具有重要的 借鉴价值。 关键词:钢管热挤压， 有限元， 热力藕合. 数值模拟 鞍山 科技大学 硕士 论文 a bst r act ab s t r a c t a p p r o x im a t e l y 5 0 m i l l i o n t o n s o f s t e e l t u b e a n d p i p e p r o d u c t s a r e c o n s u m e d i n t h e w o r l d a n n u a l l y . d e v e l o p m e n t o f t h e i n n o v a t i v e t u b e p r o d u c i n g t e c h n o l o g y h as a l w a y s b e e n o n e o f t h e k e y f o c u s e s i n t h e s t e e l i n d u s t ry i n t h e w o r l d . t h e h o t e x t r u s i o n e x p a n d in g a n d r e d u c i n g t u b e a r e im p o r t a n t m e t h o d s o f p r o d u c i n g m a n y k i n d s o f s p e c i f i c a t i o n s t e e l t u b e s , e s p e c i a l l y t h e h e a v y - c a l i b r e s t e e l t u b e . d u e t o t h e c o m p l e x o f m e t a l fl o w d u r i n g e x p a n d i n g a n d r e d u c i n g p r o c e s s , i t s d i f fi c u l t t o c o n t r o l t h e p ro c e s s o f m e t a l fl o w i n a p r e c i s e f as h i o n . wi t h o u t a c c u r a t e a n d s y s t e m a ti c s t u d i e s , i t s d i ff i c u l t t o g e t t h e f o r c e p a r a m e t e r s o f p r o d u c t i o n e q u i p m e n t . i t s h o w s t h e i m p o r t a n t s i g n i fi c a n c e b o t h in d e v e l o p i n g t h e o ry a n d i n i m p r o v i n g p r a c t i c a l o p e r a t i o n t o s t u d y d e f o r m a t i o n m e c h a n i s m , d is t r i b u t i o n o f s t r e s s a n d f o r c e p a r a m e t e r s d u r in g h o t e x t r u s i o n e x p a n d i n g a n d r e d u c i n g t u b e p r o c e s s s y s t e m a t i c a l l y . f i r s t o f a l l , t h i s p a p e r i n t r o d u c e s d o m e s t i c a n d i n t e rn a t i o n a l r e l e v a n t th e o ry o f t h e h o t e x t r u s io n t e c h n i q u e a n d n u m e r ic a l s i m u l a t i o n o f h o t e x t r u s i o n f o r m i n g p ro c e s s . t h e n , b as e d o n t h e t h e o ry o f e l a s t i c - p l a s t i c t h e r m o d y n a m i c c o u p l e f e m, t h e h o t e x t r u s i o n e x p a n d i n g a n d r e d u c in g t u b e p ro c e s s i s s i m u l a t e d a n d a n a l y z e d w i t h m a r c . t h e c o u p l e d t h e r m a l - m e c h a n i c a l m o d e l s f o r t h e h o t e x t r u s i o n e x p a n d i n g a n d r e d u c 吨 t u b e p r o c e s s w e re e s t a b l i s h e d , a n d t h e t h e r m a l - m e c h a n ic a l c o u p l e d s i m u l a t i o n o f t h e p r o c e s s w e re c a r r i e d o u t . wit h t h e s t u d y o n 3 d t r a n s f o r m r e g u l a ti o n o f t h e t u b e , t h e d i s t r i b u t i o n o f s t res s , s t r a i n a n d t h e c u r v e b e t we e n t h e f o r c e o f e x t r u s i o n a n d t h e d i s t a n c e w e r e o b t a i n e d - wh i l e c a r ry i n g o n t h e o r e t i c a l a n a l y s i s s y s t e m a t ic a l l y , t h e f o r c e p a r a m e t e r s o f t h e h o t e x t r u s i o n e x p a n d i n g t u b e a n d r e d u c i n g t u b e p r o c e s s a re m e a s u r e d in e x p e r i m e n t . t h e e x p e r i m e n t a l a n a l y s i s r e s u l t s h a v e p r o v e d t h e c o r r e c t n e s s o f t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s m o d e l . t h e r e s u l t o f s t u d y c a n b e re g a r d e d as d e s i g n c o n s i d e r a ti o n s o f t h e h o t e x tr u s i o n e x p a n d i n g a n d r e d u c i n g t u b e p r o d u c t i o n e q u i p m e n t . a n d t h e m e t h o d h as t h e r e f e r e n c e v a l u e t o s t u d y t h e h o t e x t r u s i o n o f o t h e r p r o d u c t . ke y w o r d s : h o t e x t r u s i o n o f t u b e , f i n i t e e l e me n t me t h o d , t h e r m o d y n a mi c c o u p l e , n u me r i c a l s i mu l a t i o n 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的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己经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为 获得鞍山科技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。 签名 : 冬 b j , 日期 :, v of . 3 , y 关于论文使用授权的说明 本人完全了解鞍山科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即: 学校有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅: 学校 可以公布论文的全部或部分内容， 可以 采用影印、 缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 :杏 7 东导师签名 尴事 - 日 期: 鞍山科技大学硕士论文第一章 绪 论 第一章 绪论 1 . 1 挤压技术概况 1 . 1 . 1 挤压技术的发展 挤压是有色金属材料、钢铁材料生产与零件加工成形的主要方法之一，也是 各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加工的重要方法。挤压作为一种生产 效率高、制件质量好、材料消耗少的少无切削加工工艺，在金属材料的塑性加工 中获得了迅速发展。目前，在机械、汽车、轻工、仪表、民用、军工、电器等工 业以及在以粉末、颗粒料为原料的复合材料直接固化成形中，现代挤压技求得到 了) 一 泛的应用。挤压技术属压力加工技术范畴，是金属塑性成形的一种重要方式， 其实质是用施加外力的方式使处于耐压容器中承受三向压应力状态的金属产生塑 性变形，并从一个特设的孔 ( 或间隙)中被挤出而得到一定截面形状制品的成形 过程。挤压技术是伴随着挤压设备、挤压工艺和挤压材料的开发而发展起来的。 专家调查断言挤压和热精锻、冷温锻将会成为新世纪的技术热点，二十一世纪塑 性加工新的热点产品将是挤压杆类和筒类锻件。随着计算机和新材料的迅速发展、 数控机床的大量涌现，许多人担心塑性加工会成为 “ 夕阳工业”而被淘汰。但国 际上一些著名专家，如德国的郎格，日 本的工腾，美国的阿尔坦等都认为塑性成 形加工仍有着良 好的发展前景。近十 多年来的发展事实也表明，塑性成形技术仍 在不断向前发展， 随着传统塑性加工技术与现代信息技术的全方位结合， c a d / c a m / c a e / c a p p / c a q技术在塑性加工中的应用日 益普遍，实现塑性加工智能化、集 成化将是当今塑性加工技术发展的一个最明显的趋势。2 1世纪精密成形技术的发 展特点是塑性加工范围不断扩大，工件精度不断提高，将达到净形或近似净形加 工。 挤压作为精密成形技术的一种必将有着很好的发展前景d 1 挤压技术的发展可分为以下几个过程: 1 7 9 7 年英国 人s 布朗 曼 ( s . b r a m a h ) 设计了世界上第一台用于铅挤压的机 械式挤压机，这被认为是挤压加工生产的开端; 1 8 2 0 年英国 人t 布恩 ( t . b u r n ) 研制成功了 第一台液压式挤压机， 标志着 挤压技术己进入实用阶段; 1 8 3 0 年法国人利用液压挤压机制造了 铅管和锡管，标志着冷挤压技术开始全 面发展; 1 8 4 1 年玻璃润滑剂问世使热挤压成为可能; 1 8 6 7 年法国人哈蒙 ( h a m m o m ) 研制出 用煤气加热的挤压筒; 1 8 7 0 年英国人h a i n e s 发明了铅管反向挤压法: 鞍山 科技大学硕士论文 第一章 绪 论 1 8 9 4 年英国人a ， 迪克 ( g . a . d i c k ) 研制出第一台用于挤压高熔点金属的 6 兆牛卧式挤压机，黄铜及其它铜合金挤压制品开始出现。 1 9 1 7 年钢挤压机研制成功， 1 9 2 1 年德国人制造出冷挤压钢管专用压力机， 1 9 3 1 年冷挤压钢管在实验室里试制成功，但由于热粘模现象严重，找不到用于生产的 模具材料和表面润滑剂而不能投入生产。 1 9 3 4 年，德国人采用了1 9 0 6 年英国人t w 科斯莱特 ( t . w . c o s l e t t ) 发 现的用磷酸盐对钢件进行表面处理的方法，解决了钢挤压表面处理及润滑问题后， 钢的挤压才得以实现。在第二 1 次世界大战期间，德国因利用钢的挤压技术，制造 大批钢炮弹及其它武器，使其在军事领域及工业领域处于领先地位。第二次世界 大战后，钢挤压技术传到美国，并得到迅速发展。1 9 4 7年钢的冷挤压正式用于民 用工业。 1 9 5 7 年，日 本开始在精密仪器和仪表中采用冷挤压技术，并很快用于制造汽 车和电器制件。 1 9 7 1 年，日 本石川岛播磨重工业公司 ( 工 h i )，根据西德施劳曼公司的设计， 制造出了油泵直接传动的 9 5 兆牛管材卧式挤压机，大型挤压设备开始不断产生。 韩国一家公司采用的格兰何一克拉克加热炉/ 剪切系统可将 6 m以下任意长 度的铸 块送到挤压机中。该挤压系统有一台5 0 吨的单人/ 无人拉伸机，用垂直运动的机 械手可自 动地装料、 拉伸、 卸料。 汉城金属公司2 2 0 0 吨挤压机， 可挤压直径 1 7 . 7 8 - 2 7 . 9 4 c m ，长度为1 1 5 0 m m 的铸锭， 是目 前2 2 0 0 吨挤压机上 使用的最大铸锭。该挤 压机前挤出口 的设计能满足用户的各种需要，可生产特殊尺寸的型材。目 前，挤 压机的挤压力己达到2 0 0. 2 5 0 兆牛级， 3 5 0 6 0 0 兆牛的超大型挤压机己开始着手 研制，在挤压工业领域己完全实现了机械化。 2 0 世纪7 0 年代末， 各种金属及其合金的挤压技术更趋于完善， 挤压设备及辅 助设备向大型化、专业化方向发展迅速，温挤压技术也开始成熟。同一时期美国 贝特尔一哥伦布实验室的a l t a u等首先开发了轴对称锻件锻模 c a d系统。随后又 研究了有限元、 切块法、 上限法等在塑性模拟中的应用，开发出了挤压c a d / c a m , 用于铝型材挤压。英国的b n f 金属技术中心于1 9 7 6 年报道了用于有色金属 ( a 1 , c u )的挤压模具c a d / c a m 系统2 1 我国挤压技术的发展比较落后。 建国后， 冷挤压技术得到了发展， 2 0 世纪5 0 年代开始了铝、 铜及其合金的冷挤压; 2 0 世纪6 0 年代黑色金属冷挤压开始应用于 生产;1 9 7 8年以后冷挤压技术得到了迅速发展。目 前，我国已能对铅、铝、镁、 锌、锡、铜、镍、钦、铝、铀等金属及其合金、低碳钢、中碳钢、工具钢、低合 金与不锈钢、铸铁、灰口铁等金属进行挤压，甚至对轴承钢、高碳高铬合金钢、 鞍山 科技大学硕士论文第一章 绪 论 工具钢、高速钢等也可以进行一定变形程度的冷挤压。挤压制品在规格、品种、 质量上都有巨大发展，己从管材、棒材等简单截面制品的生产，发展到各种复杂 截面刑材 ( 实心或空心)挤压制品的生产。冷挤压件最重可达3 0 公斤，最轻只有 1 克;实心件最大直径达 1 6 0 m m ，长达 1 5 0 0 m m ，空心件的最小壁厚为0 . 5 m m ，个别 情况可达0 . l m m 。 用冷挤压方法可以生产易熔金属及合金的薄壁软管或复杂截面的 型材。用热挤压方法可生产直径3 m m 至2 5 0 m m的棒材;直径2 0 m m( 壁厚 1 . 5 m m ) 到5 6 0 m m( 壁厚1 5 m m )的管材; 宽度达2 m ，长度可达1 5 m 或更长的大型筋板。 目前，挤压技术的应用以采用先进的生产设备及工艺为原则。计算机辅助设 计及制造技术 (c a d / c a m )已开始向挤压工业渗透，挤压工业正朝智能化、大型 化、自 动化方向发展。挤压工艺参数的选择和模具结构设计，初步采用了优化设 计及计算机辅助设计即c a d ，模具结构更合理，挤压工艺参数更接近实际。同时， 挤压技术也从追求等速挤压 ( 挤压速度恒定)，转向等温挤压、静液挤压及水封 挤压、 c o n f o r m连续挤压、粉末挤压、半固态金属挤压。这些先进挤压技术目前 还处于起步阶段， 相信不久的将来，便能有重大突破3 1 . 1 . 2挤压技术的分类 挤压加工方法主要可分为以下几种: 冷挤压、 温热挤压、热挤压和静液挤压。 冷挤压是在常温下将金属坯料放入模具的模腔内，在压力机的压力和一定的 速度作用下，使坯料受压产生塑性流动，使金属从凹模孔或凸模、凹模的缝隙中 挤出，从而获得所需制件的加五 方法。 温热挤压是将毛坯加热至低于结晶温度进行挤压，以降低挤压力，可采用较 大的变形程度，且可成形一些非轴对称的异形件。 热挤压是将毛坯加热至高于结晶温度进行挤压。热挤压具有最佳的变形应力 状态在挤压过程中阻止了缺陷的产生，还可以消除管坯中的一些小缺陷以降低挤 压力，可采用较大的变形程度。 静液挤压是凸模施压于液体，压力通过液体传给坯料，使之产生塑性变形， 消除了摩擦力对金属变形的有害影响，挤压力大为减小，可挤压复杂形状的零件， 挤压件质量较高。 根据挤压时金属流动方向和凸模的运动方向之间的关系，挤压常用的方法可 分为轴向和径向挤压两大类: 1 . 轴向挤压 1 ) 正挤压 正挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相同。 加工时先将毛坯 放在凹模内，凹模底上有一个大小与所制零件外径相当的孔，然后用凸模加压去 鞍山 科技大学硕士论文 第一章 绪 论 挤压毛坯。凸模的压力使金属进入塑性状态，并强迫金属从凹模的小孔流出，从 而制成所需的工件。一 般来说，正挤压可以制造各种形状的实心零件 ( 采用实心 毛坏)，也可以制造各种空心零件 ( 采用空心毛坯或杯形毛坯)。 2 ) 反挤压 反挤压时金属的流动方向与凸模的运动方向相反。 加工时把扁平 的毛坯放在凸模上 ( 凹模与凸模在半径方向上的间隙等于杯形零件的壁厚)，当 凸模向毛坯施加压力时，金属便沿凸模与凹模之间的间隙向上流动，从而制成所 需的空心杯形零件。 3 ) 复合挤压 挤压时毛坯上一部分金属的流动方向与凸模的运动方向相同， 而 另一部分金属的流动方向与凸模的运动相反的挤压法。复合挤压可以制造各类复 杂形状的空心件。 2 . 径向挤压 挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直的挤压法。金属在凸模的 压力作用下沿径向向外流动的，成为离心挤压:与此相反的成为向心挤压。径向 挤压可以 制 造带有法兰或凸台 类的 轴对 称零件p 1 . 2 钢管的热挤压加工概况 1 . 2 . 1国内国外钢管的生产情况及生产现状 钢管生产在国民经济中占有重要的位置， 它是经济建设中重要的原材料之一。 钢管作为输送管广泛用于输送油、气、水等各种流体，化工部门一般用管道化方 式生产与运输各种化工产品。钢管还可作为结构管大量用于机械制造业和建筑工 业及作为中空的零件毛坯用于制造滚动轴承、液压支柱、空心轴等。钢管又是国 防工业中的重要材料，如用于制造枪管、炮筒及其它武器。随着航空、航天、原 子能与宇宙空间技术等高技术的发展，精密、薄壁、高强度等钢管的需求量正迅 速增长。正因为如此，世界各国都十分重视钢管生产技术的发展， 钢管生产的增 长速度往往超过粗钢生产的增长速度。从1 9 7 4 年世界钢管总产量达到6 0 6 0 万吨之 后的2 0 年间，世界钢管总产量一 直保持在6 0 0 0 7 0 0 0 万吨。随着钢管生产技术的 不断发展，其品种规格在不断增加，消耗不断降低，质量也不断提高。不同的国 家中钢管占钢材生产总量的比例也有所不同，据1 9 9 6 年的统计数字，我国钢管产 量约占全国钢材产量的9 % ， 其中无缝钢管产量约占我国钢管产量的4 % 。工业发达 国家的钢管产量占 钢材总产量的1 0 % 以上，其中原联邦德国、意大利、原苏联等国 达到1 4 - - - 1 6 % ，且其无缝钢管约占钢管总产量的5 0 % 0 近儿年，大多数世界发达国家的钢管产量占 钢材产量的9 % - 1 2 % ，日 本最高， 达到1 2 . 6 % ; 发达国家的钢管消耗量占钢材消耗量的9 % 一1 2 . 8 % ，而我国钢管产量约 鞍山科技大学硕士论文第一章 绪 论 占钢材产量的8 . 5 % , 钢管消耗量占钢材消耗量的9 % -1 0 % 。与国外先进国家相比， 我国在不锈钢、无缝不锈钢管生产方面也存在较大的差距。随着我国电力、化学 等工业的发展，对无缝不锈钢管的需求量将越来越大，而目前所需的无缝不锈钢 管绝大部分还依靠进口。近年来，我国平均每年进口无缝钢管1 0 0 多万吨( 多数是 石油用管、 高压锅炉用管， 化工用管等) ， 有时进口 量超过当年国内的生产量l4 15 1 1 . 2 . 2钢管生产加工方法 按照钢管加工温度不同可以为分冷加工和热加工两种。钢管的主要加工方法 有: 热轧:加热穿孔后的金属坯料通过旋转轧辊的间隙 ( 各种形状)，因受轧辊 的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产 方式。 冷拔:是已经轧制的金属坯料 ( 型、管、制品等)通过模孔拉拨成截面减小 长度增加的加工方法，大多用作冷加工。由于加工硬化，变形后钢管的强度极限 提高了。 冷轧:穿孔后的金属坯料通过旋转轧辊的间隙 ( 各种形状)，因受轧辊的压 缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法。 挤压:是将金属放在密闭的挤压筒内，一端施加压力，使金属从规定的模孔 中挤出而得到有同类形状和尺寸的成品的加工方法。 其中可使用局部加热大口径 钢管，对加热部分进行连续热挤压扩管和缩管来生产非标准规格的大口 径钢管。 旋转辗轧:是把空心管坯套在芯棒上，由轧机的主轴带动心轴和管坯一起转 动，并送进由几个锥形轧辊组成的变形区内，将管坯辗轧成所需形状和尺寸的加 z 方 法 6 l 1 . 2 . 3钢管生产热挤压技术的发展 随着热挤压技术的开发成功( 特别是玻璃润滑剂的应用) ，1 9 4 9 年之后， 美国、 英国、瑞典、日 本、德国、前苏联等国家开始广泛采用热挤压法生产无缝不锈钢 管。因热挤压法的变形应力状态( 三向压应力) 最佳和挤压机及其辅助设备的结构 不断改进，以及挤压工具设计和挤压工艺的日 趋完善，热挤压工艺成为生产无缝 不锈钢管的主要工艺。除用挤压法生产管坯外，也有用锥型穿孔机或三辊穿孔机 来穿制毛管，周期式轧管机或连轧管机、三辊轧管机延伸，定( 减) 径机定径的工 艺生产无缝不锈钢管。采用后者工艺的一般不是专业生产无缝不锈钢管的工厂， 而是生产包括各种无缝钢管在内的工厂，无缝不锈钢管仅是其产品的一部分。这 鞍山 科技大学硕士论文 第一章 绪 论 类工厂一般选用通用型的穿孔机。与二辊斜轧穿孔机相比，锥型和三辊穿孔机的 变形应力状态有利于难变形和变形抗力大的材料，同时可以避免和减小穿孔过程 中钢管的内外表面缺陷。现在国外很少采用二辊斜轧穿孔机生产不锈钢无缝不锈 钢管。为了经济的生产高质量的无缝不锈钢管，除在热挤压工序采用上述各种先 进技术外， 还在炼钢、热处理、 精整 矫直、 喷丸、抛光) ， 冷轧冷拔( 润滑、脱脂、 打头) 、无损探伤等方面开发和应用了很多新技术与新工艺。 由于热挤压法具有最佳的变形应力状态( 三向压应力) ，所以在挤压过程中防 止了缺陷的产生，同时挤压时单位压力大，还可以消除管坯中的一些小缺陷。下 述是热挤压法的一些特征: 1 . 挤压在极短的时间内进行，因此锭坯在挤压过程中温度降低很少，沿挤压 材料全长方向，金属组织、表面质量和尺寸精度均较稳定。也可以对加工温度范 围比较窄的材料进行挤压。 2由于是在很高的压缩力下进行挤压，对材料的加工性能没有较大的限制。 因此，对于用轧制或锻造等加工方法很难加工的合金钢和钦合金等材料，也能进 行加工。 3虽然模具、芯轴等工具费用比较高，但制造比较简单，而月 _工具更换也比 轧制等加工方法容易，所以适合于小批量多品种生产。 4对用其它方法不能制造的外形复杂和尺寸长的空心材，也可以用挤压加工 成形。 5由 于挤压比 较小型的坯锭时只能断续作业以及受挤压周期的时间限制， 所 以在提高效率和成材率方面是有困难的。 随着挤压机及其辅助设备结构的不断改进，以及挤压工具设计和挤压工艺的 日 趋完善，热挤压工艺己 成为生产无缝不锈钢管的主要工艺之一7 1 鞍山 科技大学硕士论文第一章 绪 论 . 3 国内外的研究和发展情况 3 . 1 分析金属挤压过程的主要理论方法 2 0 世纪初期， 人们就开始对金属塑性加工过程进行分析， 并提出了各种理论 和分析方法， 解决了一 些实际问题， 但真f 取得突破性进展的还是近2 0 年的研究。 随着数学分析方法的发展和计算机的广泛应用，金属塑性加工的理论分析方法不 断向更深、更广的方向发展。目前，用于分析金属挤压加工成形的理论方法有以 下几种: 1 . 工程近似法 ( 主应力法) 工程近似法是借助于塑性方程求解平均主应力平衡方程式。主要代表公式有 别尔林公式和布古金公式等。虽然这些公式在工程中仍有应用;但它们只能得到 近似的挤压力，而不能求出变形区的参数，也不能求出挤压过程中的速度场、温 度场，而且其精度必须取决于假设条件。因此，只对简单的问题有较好的计算结 果。 2 . 滑移线法 滑移线法是利用滑移线求解平衡方程式。 滑移线法以汉基 ( h a n c h k y ) 应力方 程为基础，以体积不变条件沿最大剪应力方向构造滑移线，从而得到一个速度许 可场。滑移线法在数学上较为严谨，理论上也较为完善，尽管受到自 身假设条件 的限制，但在计算上模具局部应力与变形、死区范围、形状以及自由表面轮廓形 状的变化等方面仍能给出非常精确和详细的数据，而且还可求出变形金属在平面 各点的应力状态及金属流动的趋势。其主要的困难是必须首先构造变形体内的滑 移线场，显得很不方便。 3 . 上限法 上限法的原理是刚塑性材料设定的速度场只满足运动许可条件和塑性条件 ( 满足位移或速度边界条件和体积不变条件，不一定满足平衡方程和应力边界条 件)，所确定的功率是实际功率的上限。由此上限功率求出的变形力是该变形力 的上限值。上限法本质上己包含了多余功，用形式简单的上限法能很快估算出近 似的挤压力。但由于速度场采用刚性块组成的不连续速度场，所以只能求出挤压 力的上限和大致的变形，不能求出应力应变的分布规律，所得结果为平均值，因 而限制了它的应用。 4变分法 变分法将整个变形区表示为一个速度函数 ( 或位移函数)，建立能量泛函， 通过变分求解最小值而得其解。该方法可考虑加工硬化，一次求解可得到多项工 鞍山 科技大学硕士论文第一章 绪 论 艺参数的详细资料，其中包含应变、变形速率和温度对材料局部性能的影响。如 果求解复杂变形的力能参数，或对变形仅作一次大致的计算，该方法最为有效。 2 0 世纪8 0 年代以来， 许多学者对此法进了大量的研究， 随着计算机和相关科学的 发展，变分法的计算成果将对挤压模具和大型挤压筒的设计产生积极的效果。 5 . 数值模拟法 数值模拟法中 最具代表性的是有限 元法 ( f e m - f i n i t e e l e m e n t m e t h o d )。 1 9 6 。 年， c l o u g h 首先引用了“ 有限 单元” 这一术语。 有限 元最初用于结构分析， 其本质思想是:当在全域内模拟力学场的微分方程的原函数困难时，则用有限个 单元将求解域离散化:在单元内假设满足边界条件的原函数，并考虑单元之间的 联系，最终求得全域的解。目前，有限元法己高度形式化和系统化，且单元类型 十分丰富，能有效地分析二维和三维工程问题。但是它的计算量大，其应用受到 计算机性能的限制。有限元法用于金属塑性成形分析，具有以下优点: 1 ) 适用于多种类型的金属塑性成形过程的分析，不受具体成形问题的限制; 2 ) 能提供丰富的单元类型，从而具有很高的边界拟合精度，同时，也使复杂 成形过程分析成为可能; 3 ) 能够较全面地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、变形速度以及模具的几何形状等; 4 ) 能够在假设条件较少的前提下提供详尽的变形力学信息，如应力、应变、 速度和温度场等的分布，金属的塑性流动规律，成形载荷等力能参数，这些信息 可供进行工艺过程的优化与控制。 其它数值模拟法有边界元法 ( b e m -b o u n d a r y e l e m e n t m e t h o d )、有限体积 法 ( f v m一 f i n i t e v o l u m e m e t h o d )等。边界元法所分析的大变形区往往远离边 界，因此在金属塑性成形过程中很少有实际的应用，有限体积法则多用于流体分 析。 6 . 模拟实验法 模拟实验法有密栅云纹法、光弹光塑法和软材料事物模拟法等，属于物理模 拟方法。一种发展方向是模拟的材料尽可能接近实际的金属材料，以解决他们间 的相似性问题，如日本仙台东北大学教授岛田平八采用云纹法测定高温下材料的 性能和断裂，进行应力应变分析。另一种发展方向是用氯化银、有机玻璃、塑泥 和蜡泥等软材料作为模拟材料进行变形实验，用光弹光塑实验来观察、分析和研 究挤压工模具的结构设计、应力应变分布等对金属流动力学的影响。后者制作简 单但测量精度低，不能直接用于实物模拟和高温条件，而前者能克服上述问题， 可避免模拟过程中的失真，具有较大的优越性。应用密栅云纹法、光弹光塑法等 鞍山 科技大学硕士论文第一章 绪 论 物理模拟实验方法能提供挤压过程中模具的局部应力应变及其它参数的详细数 据，但没有数值模拟方法提供的 那么精确8 - 1 1 1 . 3 . 2 国内外弹塑性有限元模拟的研究和发展情况 近年来，随着计算机技术及数值计算方法的飞速发展，数值模拟技术越来越 成为金属塑性加工过程解析的强有力工具，与传统的解析或经验方法相比，其优 点是: 1 . 能提供整个计算领域内所有有关变量完整详尽的数据; 2 . 它不仅能预测出某特定工艺所能得到的最终结果，而且能模拟并显示出工 艺过程中的变化情况，使人们对工艺过程变化规律能有深入了解; 3 . 配合某些必要的物理模型实验验证，能方便地在计算机上进行工艺方案和 工艺参数的优化选择，因而可避免直接采用实物原型的试验，从而大大地缩短了 试制周期和减少了费用; 4 . 在测量方法有困难的情况下 在过程的数值模拟分析技术中 数值模拟是最佳的研究方法。 尤以有限元分析技术为学术界、工业界所注 目，特别是在日本、美国和欧洲的一些发达国家，这一研究特别活跃，目前，二 维体积成形模拟已经得到学术界以及工业界的广泛接受，三维模拟在逐步增加， 然而由于目前硬件的限制，这些应用仍然相当少。 我国8 0年代初开展压力加工过程的数值模拟研究，约晚工业发达国家 1 0 - 1 5年， 但由 于其优越性和客观的迫切需要，进展较快。不过在实际应用方面，我 国与发达国家相比仍有较大差距，日本、美国、德国等冶金企业及冶金设备制造 企业都有庞大的机构和良 好的基地从事这方面工作， 使工艺制定和设备制造建立 在科学的基础上。而我国的研究工作大多数停留在高等院校和科研机构中，缺少 与 i 业部门的密切合作。因此，掌握金属的变形规律，提高孔型设计的科学性和 可靠性，提高产品的质量，降低材料和能源消耗已是当今挤压技术的发展的必然 趋势，也成为金属塑性成形理论必须研究的重要问题。 自 从 1 9 7 3 年 l e e 和 k o b a y a s h i 首 次提出刚塑性有限元以来，极大地推动了 有限元数值模拟技术在金属塑性成形过程中的应用。 k o b a y a s h i 与他的合作者及学 生们先后成功地利用刚塑性、刚粘塑性有限元分析了锻造、挤压、轧制等体积成 形问题和拉伸、弯曲、冲孔、锁口 等板料成形问题。1 9 7 2 年 z i e n k i e w i c z 提出了 刚粘塑性材料的有限元公式并导出了刚粘塑性有限元中的罚函数法，同时与他的 合作者分析了拉拔、轧制、挤压等工艺过程，而且对稳态流动的热力祸合计算提 出了藕合方法求解。在此基础上，a l t a n 和 w u等人在 b e r k e l e y实验室开发了大 鞍山科技大学硕士论文第一章 绪 论 型的 通用化数值模拟软 件 a l p i d(a n a l y s i s o f l a r g e p l a s t i c i n c r e m e n t a l d e f o r m a t i o n )。 m o r i 和 o s a k a d a 提出了刚塑性有限元的材料可压缩方法，并成 功地对各类轧制和挤压等工艺以及疏松材料、 粉末成形工艺进行模拟。 h a r t l e y 和 s t u r g e s s对塑性有限元中的摩擦问题进行了研究，并分析了挤压、轧制等成形问 题。 2 0 世纪 8 0 年代中期，一些学者开始对三维问题的刚塑性、刚粘塑性有限元 进 行了 研究， 并 取 得很 大的 进展 d 2 -16 ) 在国内，自2 0 世纪 8 0 年代初开始，不少学者也对刚塑性、刚粘塑性有限元 模拟塑性成形问题作了大量的研究工作，并对锻造、轧制、挤压、粉末成形、双 金属成形等工艺过程进行了数值模拟，对成形过程的缺陷预测技术进行了研究， 取 得了 丰 硕的 科 研 成 果 17 -2 s ) 目前，金属塑性成形有限元模拟技术也日 趋完善，出现了不少商品化的金属 体积成形有限 元仿真软件， 其中 最具代表性的有: 美国 s f t c 公司的d e f o r m 2 d , d e f o r m 3 d ; 美国m s c 公司的m s c / m a r c . m s c / a u t o f o r g e ; 法国的f o r g e 2 , f o r g e 3 d等。这些商品化软件在全世界的金属塑性加工工业得到了较为广泛的应 用，为行业企业带来了可观的经济效益。 在国内， 上海交通大学模具 c a d 国家工程研究中心开发了相应的 s - f o r m 2 d, s - f o r m 3 d 。北京机电 研究所和郑州机电研究所也开发了二维的金属体积成形有限 元仿真软件。相对而言，国内的这些仿真软件的商品化程度还比较低，功能模块 上与国外专业的商品化软件还存在较大的差距。近几年来，国内外部分学者采用 有限元分析软件对铝型材挤压成形过程进行了一些研究，这些研究集中在几个方 面: 对平模铝型材挤压的金属流动过程进行仿真; 对分流模铝型材挤压的 金属流动过程进行仿真; 对制品前端的流速进行分析; 对工作带的长度设 计 进 行 研 究 2 6 ) 鞍山 科技大学硕士论文第一章 绪 论 1 . 4 课题研究内容及方法 挤压是有色金属材料、钢铁材料生产与零件加工成形的主要方法之一，也是 各种复合材料、粉末材料等先进材料制备与加_ 的重要方法。其作为一种生产效 率高、制件质量好、材料消耗少的少无切削加工工艺，在金属材料的塑性加工中 获得了迅速发展。目前，在机械、汽车、轻工、仪表、民用、军工、电器等j 一 业 以及在以粉末、颗粒料为原料的复合材料直接固化成形中，现代挤压技求得到了 广泛的应用。专家断言 挤压和热精锻、冷温锻将会成为新世纪的技术热点，二十 一世纪塑性加工新的热点产品将是挤压杆类和筒类锻件。 对于一般挤压零件 ( 尺寸较小)用压力机挤压，挤压机的挤压力往往远远超 出一般零件所需的挤压力。而对于特殊零件如大口 径钢管常通过热挤压 ( 扩管或 缩管) 来生产非标准规格的钢管的情况，常规的挤压机已 无能为力，必须设计制 造专用的热挤压设备，其设计所需主要参数为力能参数。力能参数是管材挤压成 形重要工艺参数之一， 由于在达到热挤压温度时挤压零件仍然具有一定的抗拉强 度和屈服强度， 因此在确定挤压工艺参数时必须首先估算挤压力。 挤压力是选择挤 压机吨位的重要数据，如果压力机吨位低于实际挤压时所需要的挤压力，将无法 生产出合格的产品;相反压力机吨位过大将造成资源的浪费。挤压力的大小又是 合理选择模具材料、进行模具设计以及安排变形工序的重要依据。因此预先计算 挤压力是合理进行挤压工艺设计的先决条件。另外挤压生产中， 坯料温度、模具预 热温度、润滑方式、挤压速度、挤压比及模具结构等也都是重要的工艺参数。 国内外许多学者对冷挤压和温挤压力能参数的计算进行了广泛研究，用各种 方法推导出多种公式或图表来确定挤压力。由于影响热挤压力能参数的因素繁多， 无法完全考虑，很难准确计算挤压力。所以对于热挤压力能参数，现在仍无法用 公式和实验找到有效的求解方法。因此，寻找一种接近实际生产的热挤压力能参 数的计算方法用以指导设计、生产是很必要而实用的。运用有限元模拟挤压过程 可以验证零件加工的可行性，能够比较全面地考虑多种因素对成形过程的影响， 获得比较可靠的力能参数。本文运用塑性成形大变形理论及热力祸合弹塑性有限 元法对钢管热挤压扩管和缩管进行模拟分析，以找到获得比较准确的热挤压力能 参数的方法。 鞍山 科技大学硕士论文第二章热挤压的有限元分析 第二章 热挤压的有限元分析 2 . 1 大型非线性分析软件 m a r c 简介 m a r c a n a l y s i s r e s e a r c h c o r p o r a t i o n( 简称 m a r c ) 创立于 1 9 6 3 年， 创始 人为美国著名的布朗大学应用力学系教授 p e d r o m a r c a l 。作为全球第一家非线性 有限元公司， m a r c 是当今世界上功能最全、 最先进的非线性结构分析有限元软件。 m a r c是基于位移法的有限元程序，对非线性问 题采用增量解法， 在各增量步中对 非线性代数方程组进行迭代以 满足收敛判定条件。根据具体问题可采取不同的分 析方法，如对于弹塑性分析和大位移分析可采用切线刚度法，对蠕变分析或热应 力分析可采用初应力法。单元刚度矩阵采用数值积分法生成，连续体单元及梁、 板、壳单元的面内区域采用高斯积分法，而梁、板、壳单元的厚度方向则采用任 意奇数个点的s i m p s o n 积分法。应变一 位移函数根据高斯点来评价。程序计算、 存 储单元所有积分点或单元中心点的应力、应变、温度等。总刚矩阵，总质量矩阵 采用轮廓存储法存储。 m e n t a t 是m a r c 的前后处理图形对话界面。 两者严密整合的m s c . m a r c / m e n t a t 成为解决复杂工程问 题，完成学术研究的高级通用有限元软件。 m e n t a t是新 一 代 非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，与m a r c 求解器无缝连接。它具有以 a c t s为内 核的一流实体造型功能;全自 动二维三角形和四边形、三维四面体和六 面体网格自 动划分建模能力;直观灵活的多种材料模型定义和边界条件的定义功 能;分析过程控制定义和递交分析、自 动检查分析模型完整性的功能:实时监控 分析功能;方便的可视化处理计算结果能力;先进的光照、 渲染、动画和电影制 作等图形功能。并可直接访问常用的c a d / c a e 系统，如:a c i s , a u t o c a d , i g e s , m s c . n a s t r a n , m s c . p a r t r a n , u n i g r a p h i c , c a t i a , s o l i d w o r k s , s o l i d e d g e , i d e a s , v d a f s , p r o / e n g i n e e r , a b a q u s , a n s y s , p s t e p 等等。 m a r c是功能齐全的高级非线性有限元软件的求解器，体现了3 0年来有限元 分析的理论方法和软件实践的完美结合。它具有极强的结构分析能力。可以处理 各种线性和非线性结构分析包括:线性、线性静力分析、模态分析、简谐响应分 析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静 / 动力接触、屈曲/ 失 稳、失效和破坏分析等。同时还包括十分强大的功能库、分析库和材料库。能解 决如下问题:线性分析、弹塑性分析、蠕变分析、热应力分析、粘弹性分析、大 变形分析、有限塑性应变分析、刚塑性分析、有限应变弹性分析、断裂分析、裂 纹扩展、动力分析