金属塑性成形原理第十章__塑性成形过程的物理模拟.ppt

第十章塑性成形过程的物理模拟 主讲朱光明 第一节相似理论在塑性成形模拟实验中的应用 对塑性成形过程进行实验研究时 为节省实验费用和缩短实验周期 除个别零件尺寸较小可直接用实物外 通常需选择比例缩小的适当模型进行模拟实验 然后将实验结果推广到实际零件的成形过程 但要使模拟实验结果与实际零件的成形过程相一致或比较接近 就必须遵循几何的和物理方面的相似准则 主要包括以下条件 1 在模拟实验中 模型与实物应保持几何相似 2 对于模型与实物 工模具工作部分的形状在几何上应相似 而其对应的尺寸比应等于模拟比例n 3 在模拟实验中 模型与实物应保持物理方面的相似 4 对于模型与实物 工模具与变形金属接触表面上的摩擦条件 如摩擦性质 摩擦系数或摩擦因子等 应相同 第二节关于塑性变形的模拟材料 选择合适的模拟材料是模拟实验首先应当考虑的问题 模拟研究的内容不同 所选用的模拟材料一般也不同 对于塑性成形过程的物理化学方面的模拟研究 通常应选用同种的实物材料 而对于塑性成形过程的位移 应变和应力分布 以及金属流动规律方面的模拟研究 则一般选用非实物材料的模拟材料 此时 所选用的模拟材料除应满足第一节中所述的塑性模拟准则外 还应尽可能考虑如下要求 模拟实验时所 需载荷小 模拟材料易于得到 成本低 试件和试验工模具加工方便 实验时试件性能稳定 实验数据的测量计算方便可靠 能在室温下模拟高温塑性变形 这一点对于高温塑性成形的模拟研究特别有利 目前常用的塑性成形模拟材料 除实物材料外还有以下四类1 软金属材料铅 铝 铜 锡等都属于这类材料 其中铅的应用较为广泛 2 粘土类材料3 蜡蜡的种类很多 其中常用的是熔点为54的石蜡4 高分子材料 第三节模拟实验的基本方法 用于研究塑性成形过程中位移 应变以至应力分布的模拟实验方法有多种 如网格法 云纹法 偏振光法 点式传感器法 视塑性法等 其中网格法和云纹法应用较普遍 下面对其作简要介绍 一 网格法网格法是在试样的表面或剖分面上刻上坐标网格 变形后测量和分析坐标网格的变化 求得变形体的应变大小和分布 如果知道应力边界条件 利用数值积分法还可进一步求得应力的大小和分布 由于直接刻画坐标网格其精细程度较难保证 且破坏了试样表面的完整性 所以完善的作法是将试样表面抛光 再涂上感光膜 然后覆上精确的坐标网底片 经感光冲洗后 即可得到精细的坐标网 二 云纹法1 基本原理将一块密栅胶片 称为试件栅 粘贴在试件表面上 或直接在试件表面上刻制一组栅线 它将随着试件变形 即栅线的距离 称为节距 和方向发生变化 在试件栅上再重叠一块不变形的栅片 称为基准栅 它通常是刻印在玻璃板上 此时 由于光的几何干涉 会产生明暗相间的条纹 称为云纹 云纹的分布与试件的变形情况有着定量的关系 根据云纹图即可算出试件各处的位移和应变分布 再根据本构方程和应力边界条件 又可进一步推算出试件的应力分布 2 云纹法在塑性成形中的应用举例用云纹法研究塑性成形过程时 可以在模型或试件上进行 对于材料厚度远比其他尺寸小的平面应力状态问题 可以在模型或试件的自由表面上贴片 直接观察和拍摄加载过程的云纹固 并研究其变形的全过程 而对于平面应变问题或轴对称变形问题 则需用剖分式试件 井将试件栅粘贴在其对称平面 子午面或其他特征剖面上 由于加载过程无法直接观察到 所以只能在卸载后提取副分面的云纹图 考虑到这类问题的塑性变形量要比弹性变形量大得多 后者一般仅占5 左右 所以卸载后进行测试所造成的误差并不大 第四节成型极限图 FLD 及其在板料冲压生产或模拟实验中的应用 一 用网格技术制作成形极限图实际应用的成形极限图通常用刚性半球形凸模胀形试验来制作 试验前 在薄板试件表面上预先印制一定形式的密集网格 网格的基本形式有四种 如图所示 它们的共同特点是采用圆形网格 以便于根据变形后椭圆的长 短轴来确定主应变的大小和方向 小圆的直径依试件的 模拟实验时一般取或 而生产中常用 其中 图b和图d为叠合圆形式 它能增加裂纹通过网格中心的机会 对测量裂纹处的应变值有利 图c的邻接圆形式与图a的相比 可减少应变梯度的误差 但线条重叠 测量结果反而不易精确 对于测量不包含细颈 局部变薄 的椭圆的应变 采用图a所示的形式最方便 且可根据变形后方格线条的形状 判断材料的流动方向 印制网格的方法有晒相法 电化学浸蚀法和混合法等 不同材质的板料 所得的成形极限图亦不一样 试验表明 一般的塑性材料 如软钢铜 铝等 其简单加载时的典型成形极限图如图所示 二 成形极限图在板料成形中的应用成形极限图能全面 直观地反映不同应变状态下板料的成形性能 因而可用以判断复