基于VB和ANSYS的螺纹冷滚压成形有限元分析论文.pdf

第五届锻压装备与制造技术论坛九届二次学术交流会议论文集 基于V B 和A N S Y S 的螺纹冷滚压成形有限元分析 刘红梅 李永堂 齐会萍 贾月静 太原科技大学材料科学与工程学院 山西太原0 3 0 0 2 4 摘要 本文将V i s u a lB a s i c 及A N S Y S 二次开发工具A P D L 语言相结合 开发出直观便利的人机交 互界面 从而很好的实现了螺纹冷滚压成形有限元分析 获得了螺纹滚压成形过程中应力场应变场 滚压力分布情况以及螺纹牙型应力变化规律 为优化成形工艺参数提供详细而可靠的依据 关键词 V i s u a lB a s i C A N S Y S 二次开发 螺纹冷滚压 有限元分析 F i n i t eE l e m e n tA n a l y s i so fT h r e a dC o l dR o l l i n gb a s e do nV Ba n dA N S Y S L i uH o n g m e L L IY o n g t a n g Q IH u i p i n g J l aY u e j i n g T a i y 衄mU n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dT e c h n o l o g y S c h o o lo fM a t e r i a lS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g T a i y u a n S h a n x i0 3 0 0 2 4C h i n a A b s t r a c t T h ei n t u i t i v ea n dc o n v e n i e n tm a n m a c h i n ei n t e r f a c ei Sd e s i g n e db yu s i n gA n s y sP a r a m e t r i c D e s i g nL a n g u a g e A P D L a n dV i s u a lB a s i c F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h r e a dc o l dr o l l i n gi sa c h i e v e d d i s p o s i t i o no fs t r e s sf i e l d s t r a i nf i e l d r o U i n gf o r c ea n ds t r e s sc h a n g i n gr u l eo ft h r e a dt e e t ha r eo b t a i n e d d u r i n gt h r e a dr o l l i n g D e t a i l e da n dr e l i a b l eb a s i sa l ep r o v i d e df o ro p t i m i z a t i o nf o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s K e y w o r d s V i s u a lB a s i c A N S Y S s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t t h r e a dr o l l i n g f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 1 引言 螺纹冷滚压成形方法是一种生产效率高 成本 低的先进的无切屑加工方法 1 1 因此螺纹加工生 产中该方法已经广泛使用 随着有限元分析 F E A 技术的发展 人们广泛采用计算机有限元仿真分 析研究螺纹应力的分布特点和变化规律 但是螺 纹冷滚压加工是一个复杂的弹塑性大变形过程 该过程涉及到几何非线性 材料非线性 边界条 件非线性等一系列难题 2 影响成形的因素很 多 若工艺分析不完善 模具设计不合理或材料 选择不当 则会造成产品达不到质量要求 产生 大量的次品和废品 造成经济损失 本文选用目前最通用有限元软件A N S Y S 进 行数值模拟 该软件操作繁琐给用户带来极大不 便 考虑到这个原因 本文充分利用A N s Y S 自 身带有的参数化设计语言A P D L 来编写螺纹冷 滚压成形数值模拟全过程的命令代码 但由于 A N S Y S 本身功能有限 不能提供人机界面对话 V i s u a l B a s i c 6 0 做为现在开发人数最多的最通 作者简介 刘红梅 1 9 8 5 6 女 硕士 锻压设鲁理论与控制 电子邮箱ll i u h o n g m e i k y O s i n a C O m电话l1 3 9 9 4 2 7 4 0 6 2 通讯地址 太原市万柏林区 蕾流路 号太原科技大学6 7 0 信箱 一6 9 一 用的编程工具之一 正好解决了这个问题 本文 作者借助V i s u a l B a s i c 6 0 前台开发友好 方便 易用的人机交互界面 结合A P D L 语言 完成 螺纹冷滚压成型有限元 从而方便地实现了的参 数输入图形化界面 给实际生产带来很大的实际 意义 2 螺纹冷滚压成形工艺 螺纹滚压有三种方式 轴向送进式 切向滚 压式以及径向滚压 本课题选用径滚压 其滚压 原理如图4 2 所示 在滚压过程中左右两个滚丝 轮和工件要满足一定关系 两螺纹牙形的滚丝轮 安装在互相平行的轴上 工件放在两个滚丝轮轮 之间的支承板上 或者用两个顶尖顶住工件 左右两个滚丝轮做同向等速的转运动 且它们的 螺纹相互错开半个螺距 其中一个滚丝轮还向工 件作径向进给运动 工件自身不做任何运动 在 滚丝轮带动下做与其方向相反的旋转运动 最后 表面受径向挤压形成螺纹 第五届锻压装备与制造技术论坛九届二次学术交流会议论文集 舞曳Q 车 麓 一 i 之章 7 品 l 珊 L 3 螺纹冷滚压有限元模型的建立 本论文中是以加工 M 1 0 1 5 螺纹为例来 说明A N S Y S 二次开发的实用性 工件和滚丝轮的 材料属性和加工工艺参数具体见表1 表1 螺纹冷滚压模拟参数 T a b I S i m u l a t i n np a r a m e t e r so f t h r e a d e dc o l dr o l l i n g 在A N S Y S 中建立有限元模型时 材料模型 的定义是数值模拟中的一个重要环节 它直接影 响了数值模拟的精度和可靠性 3 1 在滚压过程 中 模具不发生塑性变形 同时也为了缩短模拟 有限元计算时间 所以滚丝轮采用刚体材料模 型 由于螺纹成形是金属塑性应变和弹性应变的 叠加 故工件采用弹塑性与应变率相关的多段线 性弹塑性材料模型 工件和滚丝轮都进行划分 且皆选择的是S O L I D l 6 4 单元 采用六面体扫略 网格划分形式 工件与滚丝轮定义为面与面接触 同时定义了它们之间静摩擦系数为0 4 5 动摩 擦系数为O 3 约束工件使其在滚丝轮旋转的带 动下只绕着中心轴旋转且具有滚丝轮进给方向 上的自由度 对左右滚丝轮施加方向和大小都相 同的转速 并对左滚丝轮施加一个向右的进给速 度 4 基于 的A N S Y S 二次开发 一7 0 4 1 A N S Y S 参数化设计语言A P D L A N S Y S 自身提供了二次开发参数化设计语 言A P D L A N S Y SP a r a m e t r i cD e s i g nL a n g u a g e 简称A P D L 它是一种类似F O R T R A N 的解析性 语言 提供一般程序语言的功能 如参数 宏 标量 向量及矩阵运算 分支 循环等 用户只 需对分析模型进行编程 就可以实现参数化建模 和有限元分析 4 J 这种通过A P D L 语言的编程 在A N S Y S 环境下对复杂的模型的建立是极大建 模效率 4 2V i s u a lB a s i c 调用A N S Y S A N S Y S 提供的A P D L 语言虽然功能强大 可是实现复杂模型的参数化建模 但是由于 A N S Y S 软件自己的局限性 造成人机交互性不 够流畅 V b 6 0 集程序的界面设计 代码编辑 编译 连接和调试功能与一体 为编程人员提供 了一个方便而又完整的开发界面和许多有效的 辅助开发软件工具 因此 本文利用V B 对 A N S Y S 进行封装 即通过V B 对A N S Y S 进行二 次开发 在V B 前台开发出方便 易用的人机交 互界面 对复杂有限元分析A P D L 命令进行后 台封装 这时 用户只需在V B 界面上输入必须 的滚压参数尺寸 系统就会自动调用后台的计算 程序进行计算 实现V B 调用A N S Y S 程序的参数 化有限元分析 实现上述过程的关键是V B 程序 对A N S Y S 的调用 实现两个软件的无缝连接 以下是V B 对A d q S Y S 调用的关键命令 S h e l l c k P r o g r a m F i l e s L m s y s I n c v 11 0 认N S Y S b i I l i n t e l a n s y s ll O e x o jk b pa n e 3 f l d s ic t g c a d m a c o c t g c a d o u t m a c v b H i d e 其中 c 为A N S Y S 安装路径 a n e 3 f l d s 为 A N S Y S 产品特征代码 ic t g c a d m a c 为用A P D L 语言编写的A N S Y S 输入文件 0 c t g c a do u t m a c 是输出文件 4 3 螺纹冷滚压参数化有限元分析程序开发 A P D L 建模方法是通过参数变量建立分析几 何模型的脚本 用户可以通过A P D L 语言所提供 的语言 如参数变量 宏 标量 向量及矩阵运 算 分支 循环 重复等 以及该语言的编写 规则 自己编写所需要的模型的程序 本文充分 利用这一点首建立一个文本文件 将螺纹冷滚压 成形数值模拟的全部过程用A P D L 编写 然后将 程序代码在v B 中按照p r i n t 语句输出 其中 螺纹滚压基本参数值通过v B 环境中的t e x t 控件 幔 鲁j M 造鞋术女k 二女学术i a 奇议论i 采 传递给A P D L 编写的宏命令文件 从而实现v B 和A P D L 语言的数据麸享 系统运行时 用户只 要在v B 界面的提示F 将参数输 相应文本框 中 如T e x t l IT e x t 命令即可执行 具体格 式如下 O p e n c t h r e a d n l a 矿F o r o u t p u t A s l P r k n t I F I N I P r i n t I I C L E l 定义模拟标题 P d n W l n 1 T L E t h r e a I ir o l l i gs i m u l a t i o n P r i n t 1 p r e p 7 P r i n t 1 P L O P T S i n f o 0 1 1 定义滚照轮宽度 P r i n t 1 S E T G S C T e x t l I T e x t 定义螺距 P r i n t I S E T L L T e x t l 4 1 h t 同上用p r i n t 语句输入相关命夸 P r i n t l D O j I N L P n n t l 定义生成图片 P r i n t l S H O W J P E G P r i n t l v p o t C l o s e 1 j 定义v b 对a n s y s 的调用 S h i l l c X P r o g r a m f i l e s L n s y s l n c W l l O X A N S Y S m i n i n t e I L x m y s l l 0 jk b pa n e 3 f l d s i c t g c a d m a c oc t g c a do u L m a c v b H i d e E n dS u b 图2 是螺纹玲壤压成型参数化有限元分析 界面 用户只需在v b 界面中输入滚压参数就可 以实现螺纹冷滚参数化有限元分析 为以后得有 限元模拟带来很大的方便 目2 制E m i 自 F i l o a m2P f m u m 目3 目 i i F p i t h n 十 i m k f f m 5 数值模拟结果及分析 在图2 前处理界面中按照表1 中的参数完成 螺纹参数化建模和滚压参数设置后 等待模扭结 束在图3 左边工具栏中点击 应力变化 等按钮 便可以实现相应的结果 点击 模拟动画演示 出现图4 界面 由圉可知该螺纹牙型清晰 成形 效果良好 通过此次模拟进一步证明 与普通的 自由网格划分相比 用六面体单元 S O U L I D l 6 4 进行扫略网格划分明显地缩短了模拟时问 同时 也提高了计算精度 目4 m 自i H m H i 啦 T h 劬I h U m a 删i d 5 1 螺纹成形过程应力场分析 为了更好的地观察螺纹在冷滚压成形过程 中应力变化规律 在图3 应力变化动画中显示区 巾选取滚压过程中不同阶段时的韵应力分布情 况 分别如图5 中 a b c 所示 由图 可知 由圈可知螺纹滚压的开始阶段的应力分布 比较简单 随着滚压的进行 应力也髓之增加 且应力慢慢向工件内部传递 从滚压过程任一阶 段来看 工件与滚丝轮接触的袭层位置应力值最 大 随着壤压的继续进行 当接触区的攘压力值 较大时 由于工件材料完全舸服 滚压力向工件 内部渗透 从而导致应力晟大区在一定区域内向 工件心部作扩敲 应力开始减小 因此 螺纹在 i j 簟 暮备与制琏枝 论坛 j 二女擘术i 漉鲁H 砖i 辜 滚压过程中 塑性变形在滚丝轮与工件接触表面 层最为剧烈 高工件中心距离越近变形越小 螺 纹冷滚压对工件是接触区的局部变形 这与实际 加工和理论分析相符合 要 i 巩n b 目5 r 口 F 雌5S 口雄缸唧m 自蜥 e f t h i 5 2 螺纹成形过程应变分析 点击图3 应变变化 在显示区出现螺纹 滚压过程应变场分布情况 同样 为了详细观察 滚压过程中不同阶段的应变分布情况 选取如图 6 a b c 三个阶段的变形情况 由图可 知 在滚压过程中 工件的变形主要发生在与禳 丝轮接触的表面区域 随着漠压时间的增加 接 触区逐渐向工件内部扩展 且应变增大 工件的 变形主要发生在与滚丝轮接齄的表面区域 工件 中心几乎没有发生应变 井且它的井表层应变变 形值最大 篆嚣 9 目6 H 镕 m m 女 H F E g 啊5 f i e l d d n h 如4 a f t h i e v e d M m l l i a g f a n e i a g 5 3 螺纹成形滚压力分析 在螺纹淮压过程中工件所受的滚压力是十 分重要的参数 是选择设备吨位的主要参考因鬃 也是校核其强度和刚度的主要依据之一 在图 53 中点击 滚压力 出现圈7 径向渡压力随时 问的变化曲线 由圈看出整个过程符合螺纹狰藏 压成形的四个阶段 第阶段 o 01s 开始一 段滚丝轮与工件没接触 滚压力为零 随着浚丝 轮压下量的增拥 燕压力快速L 升 第二阶段 01 加6 s 在此阶段由于攘丝轮压下量不变 但模具和工件的接触面仍增大 所以径向镶压力 磲 e 瓣 蠹戮 i 5 曩 蓑备与 t 技术谁 女学 鲁议论i 集 也在增大 且达到最大值约1 7 K N 第三个阶段 O6 s 一09 s 这个阶段滚丝轮进给速度为零 压下董也在减小直至为零 所以滚压力也在不断 减小 第四个阶段 O9 s 一1s 即精整阶段 此 阶段由于滚丝轮没有压下量和进给量 壤压力下 降 最后在报小范围内波动 目7E 自 5 m 一 目自目 F R D n b r c 一 5 4 螺纹牙型应力分布 螺纹牙型好坏直接影响了螺纹的质量 在 模拟动画演示 界面中点击相关按钮 任意选 取半个牙面上的五个单元 如图8 所示 图9 是这个五个单元的应力变化 用此分析螺纹牙型 在渡压中应力变化规律 从图9 中可以看出 螺纹滚压开始阶段的应 力分布比较偷单 五个单元的应力几乎相等 随 着壤压的进行 A 8 c 8 E 五个单元的应力 也随之增加 当到达大约03 s 的时候 牙底 与 攘丝轮最先接触区 单元 3 1 8 9 6 1 及其附近 的一个单元8 3 1 8 9 6 2 如图9 所示 的应力 值开始逐渐减小 这是因为接触区的溃压力较大 材料已经完全屈服 滚压力比较容易漓透到工件 内部 园此 螺纹在演压过程中 塑性变形在滚 丝轮与工件接触表面层最为剧烈 离接触点A 较远处的C 3 1 8 9 6 3 单元在O6 s 时应力才开始 下降 说明该区域的屈服要晚于A B 两个单元 靠近牙顶的两个单元D 3 1 8 9 6 4 E 3 1 8 9 6 5 在 O6 6 s 时应力才开始减小 此时离蕞压进培时间 即将结束 进给时间为97 3 2 s 而此妊的屈服 量明显要少于以上三个单元 从圈9 亦可发现 在滚压完成后 螺纹牙上的应力分布是沿着牙面 从牙底到牙项应力逐渐增大的 且在牙项应力变 化量相对牙 底较小 厂 t 日9t 十 i n 女 F i 9 9 蛐I es 口黜m n i b u d 叨o f t h e 6 e l t s 6 结论 I 本文利用A N S Y 参数设计化语言A P D L 和V B 可视化语言相结合 完成了对A N S Y S 的 二次开发 根好的实现了螺纹冷滚压成型参数化 有限元分析 从而提高了复杂模型的设计效率 2 由螺纹成形过程应力 应变场分布情况 可知 螺纹应力最大出现在藏压轮与工件接触的 两个位置 工件中心处基本不产生变形 3 由螺纹牙型应力分布可知 应力沿着牙 面从牙底到牙顶逐渐增大的 且在牙项应力变化 量相对牙底较小 参考文献 1 t m I n m n 挂工n 自 1 9 7 8 2 B i 自 l n a t m J W R 荸擐 22 3 目 t t y s I oo D 州 m E 女自 t 自叫 n 女 n 舡n m 0 71 0 m E 口i i 5 H 5 女f J H 匕4 I m 2 6 4 3 7 3 9 基于VB和ANSYS的螺纹冷滚压成形有限元分析基于