矿用汽车转向节成型过程模拟分析

1、矿用汽车转向节成型过程模拟分析郑运廷1马宇2姬振华3（1平顶山职业技术学院 机电工程系，河南平顶山，467000；2 郑州轻工业学院 机电工程学院 ，河南郑州，450002；3 河南工业大学 土木建筑学院， 河南郑州，450002）摘要：本文应用DEFORM软件对矿用转向节的预成型过程进行模拟，得到金属塑性变形过程的金属流动、应力应变和变形力等规律,这对模具变形力分析,预测出可能的缺陷及失效形式提供理论指导。关键词：转向节 塑性变形 应力 变形力1引言转向节的成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程,模具形状、毛坯形状、材料性能、温度及工艺参数等均对其质量有影响1, 转向节的成形工艺传统的研究方法

2、主要采用“经验法”,这种基于经验的设计方法往往经历反复修正的过程,从而造成了大量的人力、物力及时间浪费。伴随传统的塑性加工技术和现代计算机技术全方位的密切结合,传统的经验设计方法已逐渐被模拟式设计所代替。作为一种有效的数值计算方法, 国内外已开发了许多商用软件,如常见的、等,这些软件多适用于分析解决二维或三维的金属塑性成形问题,本文应用软件对矿用汽车转向节进行预锻成型分析,可得到金属塑性变形过程的金属流动、应力应变等规律,进行模具变形力分析,预测出可能的缺陷及失效形式。为转向节设计提供理论依据。2塑性本构关系本构关系通常是指材料变形中应力与应变满足的关系。本文模拟选用Mises屈服条件，它的表

3、达式为 （1）为应力偏量Sij的第二变量，为平均应力，为函数。对材料进入塑性后的变形需要加载和卸载。对强化材料的加载和卸载准则为; （2）对体积成形材料假定是等向强化的，并且满足Mises屈服条件，即屈服面有下面形式： （3）式中：为等效应力，取为单向拉伸曲线中给定塑性应变对应的屈服应力。当略去弹性变形，对塑性材料由相关流动法则， 得到Levy-Mises塑性本构关系： （4）郑运廷，男，1955年，副教授，主要从事机电一体化及材料成型研究。式中为有效应变率，为应变率偏量的第二不变量，为平均正应变率。由于略去弹性变形，且假定材料是不可压缩的，则塑性应变率与应变率和应变率偏量是相等的，用代表。取

4、的形式不同，可以得到不同形式的塑性强化材料。刚性塑性本构关系为： （5）3. 刚塑性有限元单元列式单元计算包括以下步骤：A把坐标、速度等变量通过形函数用单元节点量表示。 B计算单元的总体坐标和自然坐标的转换矩阵J（雅可比矩阵）。 C把应变率表示为LV=LNa=Ba,L为微分算子，N为形函数，a为单元节点速度。D把上数结果代如单元的平衡方程，此时关于单元的的计算是在自然坐标下的计算。由于单元总体坐标和自然坐标是一一对应关系，J1存在，流动方程为 （6）由于a的任意性，则有 （7）式中 （8），SF表示单元的区域和指定外力边界。K称为单元刚度矩阵。把B写为节点的分量形式，由于转向节为轴对称问题，此

5、时此时4. 转向节的预成型过程模拟取转向节相对模具的切向速度为，常用的摩擦模型有库伦摩擦、常因子摩擦和粘性摩擦三种，对于准静态塑性成形一般采用常摩擦因子模型，它表示接触面之间是属于塑性滑移。有些情况如工件刚性区与模具之间的滑移，采用常摩擦因子有时会使摩擦力计算结果过大。 (9)对于具有接触非线性问题，应考虑低松弛，即取。工程上最佳松弛因子的选择往往通过试算来解决。最大松弛因子的选取对m<0.2,为0.61.0；,取0.40.6；，取0.3左右，当模腔形状比较简单和成形金属流向变化不大，可取大一些。模拟结果如图1所示。 （a）网格 （b）第17步金属流动图 （c）第28步金属流动图图1 转

6、向节成型过程网格及金属流动过程 Fig1 the mesh and metal flow state of the steering jiont 图2 变形力曲线 Fig 2 the compreesoin force curve5.结论本文采用转向节模具杆部斜度5°，杆部与镦头过渡圆角半径为10mm模拟其成型过程，从图1看出，金属流动较为流畅，容易充满整个型腔。从图2看出，随着冲模的下行，变形力逐渐加大，当坯料即将填满型腔时，变形力突然变大，这与实际情况吻合，最大变形力为3000吨。参考文献：1 王红卫，韩国立，转向节成型变形力的计算J，郑州轻工业学院学报，2006 ,Vol.21

7、.（1）：p3739.2 俞汉清，陈金德，金属塑性成型原理M，北京：机械工业出版社，1999.p15100.3 张德春，孙吉宝，STEYR转向节模锻成型工艺研究J，锻压技术，2004,Vol.29.（1）:p78.The Forgong Process Simulation of Steering Joint in MiningZhengyunting1 Mayu2 Jizhenhuan3(1 Mechanical Department in PingDingShan profession polytechnical institute2 Mechanical and electronical

8、 college in Zhengzhou light industry of technology3 Cival architecture college in Henan industry university )Abstract: In this paper, the forging process of steering joint specialized in mining is conducted by using DEFORM software, the flowing rule, stress and strain distribution rule and deforming force etc in metal plastic deformation have been abtained, it