钢丝拉拔过程有限元分析毕业论文

1、湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计 论 文 题目钢丝拉拔过程有限元分析作者杨 学院机电工程学院专业金属材料工程学号05指导教师李二一年六月八日摘 要冷拔是在外拉力作用下，迫使金属线材料通过模孔，以获得相应形状尺寸制品的塑性加工方法。本文针对实际生产中钢丝冷拔工艺过程中机加工对线材性能的影响与优化展开分析与研究。由于冷拔过程中金属流动规律复杂，是集几何非线性、材料非线性和边界非线性的相互耦合过程。目前对其变化仍然缺乏系统的研究，如拉拔速度快慢、摩擦系数、最正确模锥角等问题，采用二维及三维动态数值模拟可以更好地解决这一问题。本文主要工作为：利用ANSYS10.0软件分别建立了冷拔40Cr钢丝线材

2、的二维和三维有限元模型，并按实际情况进行边界处理和加载，动态模拟了钢丝的拉拔过程，使分析更全面；从钢丝轴向和周向的应力分布规律分析不同压缩率、拉拔速度以及模锥角对线材性能的影响，同时得到了任意时刻的场量分布，克服了许多学者将研究基于实验研究的缺乏，为更好地解决生产问题提供依据；工艺参数和拔制力的关系以前很少有报道，本文通过钢丝拉拔的数值模拟，得到了摩擦系数、模锥角和拉拔速度影响关系，所得结果可为冷拔工艺优化设计提供依据；制定了钢丝拔制适宜的模锥角配合方案，从不同配模钢丝定径带轴向最大拉应力分布、不同配模对拔制力的影响展开了讨论，得到了最正确模锥角配合参数，所得结果可为从事冷拔行业工艺设计提供可

3、靠的依据。关键词：非线性；有限元单元法；拔制力；配模锥角；数值模拟ABSTRACTCold drawing is a plastically processing method that the metal wire is forced to pass through the die hole with the aid of tension force to achieve the desired shape and size. In this thesis, the analysis and research are conducted on the influences of the me

4、chanical processing to the wires properties during the steel wire cold drawing process during the practical production. Due to the complicacy of metal flow law in the process of cold drawing, as a reciprocal coupling process which includes nonlinear problems of geometry, material and boundary, there

5、 are still many issues which has not been fully researched, such as the velocity of drawing, friction coefficient and optimum die angle etc. However, with numerical simulation of two-dimensional and three-dimensional dynamics those problems may be solved. The main works in this thesis includes: the

6、ANSYS10.0 software has been used to establish the two-dimensional and three-dimensional finite element model of the 40Cr steel wire. The treatment and application of the boundary are conducted under the practical conditions to simulate the drawing process of the steel wire dynamically; According to

7、the distribution law of stress in the axial and circumferential direction of the steel wire, the influences of the different compression ratio, drawing velocity and die angle on the properties of the wire are further analyzed; The simulated field distribution at any time is obtained, thus overcome t

8、he deficiency that many scholar perform the research on experiments and provide useful insight to better solve production problems; The relationship between the process parameter and drawing force was rarely reported. In this thesis, the relationship among the friction coefficient, die angle and dra

9、wing velocity is gained through the numerical simulation of the steel wire drawing. The results can supply the criteria with the optimum design of cold drawing process. Appropriate matching die angle in the steel wire drawing process is established. It is discussed from axial maximum tension stress

10、distribution of different matching steel wire and impact of drawing force by different matching module. The best coordinated parameter of matching die angle is obtained and may be the obtained results which can provide reliable foundation for the design of the cold drawing process.Key words: ANSYS;

11、nonlinear; finite element unit method; drawing force; matching module angle; numerical simulation目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232332887 第一章 前 言 PAGEREF _Toc232332887 h 1 HYPERLINK l _Toc232332888 1.1 选题的背景及研究意义 PAGEREF _Toc232332888 h 1 HYPERLINK l _Toc232332889 1.2 冷拔钢丝有限元分析国内外研究动态 PAGEREF _

12、Toc232332889 h 3 HYPERLINK l _Toc232332890 1.2.1 冷拔技术国内开展现状 PAGEREF _Toc232332890 h 3 HYPERLINK l _Toc232332891 1.2.2 冷拔有限元技术国外开展现状 PAGEREF _Toc232332891 h 5 HYPERLINK l _Toc232332892 1.3 本研究课题的来源及本文主要研究内容 PAGEREF _Toc232332892 h 5 HYPERLINK l _Toc232332893 1.3.1 课题研究来源 PAGEREF _Toc232332893 h 5 HYP

13、ERLINK l _Toc232332894 1.3.2 课题主要研究内容 PAGEREF _Toc232332894 h 6 HYPERLINK l _Toc232332895 第二章 拉拔过程的初步分析和研究根底 PAGEREF _Toc232332895 h 7 HYPERLINK l _Toc232332896 2.1 引言 PAGEREF _Toc232332896 h 7 HYPERLINK l _Toc232332897 2.2 拉拔过程的初步受力分析 PAGEREF _Toc232332897 h 7 HYPERLINK l _Toc232332898 2.2.1 简化力学分析

14、 PAGEREF _Toc232332898 h 7 HYPERLINK l _Toc232332899 2.3 有限单元法 PAGEREF _Toc232332899 h 8 HYPERLINK l _Toc232332900 2.3.1 有限单元法的开展 PAGEREF _Toc232332900 h 8 HYPERLINK l _Toc232332901 2.3.2 弹塑性大变形 PAGEREF _Toc232332901 h 9 HYPERLINK l _Toc232332902 2.3.3 几何非线性 PAGEREF _Toc232332902 h 10 HYPERLINK l _T

15、oc232332903 2.3.4 微分方程的等效积分方程 PAGEREF _Toc232332903 h 10 HYPERLINK l _Toc232332904 2.3.5 虚功原理及增广拉格朗日法(U.L法) PAGEREF _Toc232332904 h 12 HYPERLINK l _Toc232332905 2.3.6 边界非线性 PAGEREF _Toc232332905 h 12 HYPERLINK l _Toc232332906 2.3.7 本构关系 PAGEREF _Toc232332906 h 13 HYPERLINK l _Toc232332907 2.4 ANSYS软

16、件简介 PAGEREF _Toc232332907 h 14 HYPERLINK l _Toc232332908 2.5 小结 PAGEREF _Toc232332908 h 14 HYPERLINK l _Toc232332909 第三章 冷拔钢丝有限元模拟 PAGEREF _Toc232332909 h 15 HYPERLINK l _Toc232332910 3.1 引言 PAGEREF _Toc232332910 h 15 HYPERLINK l _Toc232332911 3.2 冷拔钢丝成型过程的数值模拟 PAGEREF _Toc232332911 h 15 HYPERLINK l

17、 _Toc232332912 3.2.1 冷拔钢丝成型过程模拟的理论与实施 PAGEREF _Toc232332912 h 15 HYPERLINK l _Toc232332913 3.2.2 冷拔钢丝成型过程有限元分析 PAGEREF _Toc232332913 h 16 HYPERLINK l _Toc232332914 3.2.3 设置相关参数与实例分析 PAGEREF _Toc232332914 h 21 HYPERLINK l _Toc232332915 3.3 钢丝拉拔模拟变形过程后处理分析 PAGEREF _Toc232332915 h 21 HYPERLINK l _Toc23

18、2332916 3.3.1 拉拔过程中的缩径现象 PAGEREF _Toc232332916 h 21 HYPERLINK l _Toc232332917 3.3.2 拔制过程中钢丝轴向位移分布 PAGEREF _Toc232332917 h 23 HYPERLINK l _Toc232332918 3.3.3 拔制过程中钢丝应力分布 PAGEREF _Toc232332918 h 24 HYPERLINK l _Toc232332919 3.3.4 MISE等效应力分布 PAGEREF _Toc232332919 h 27 HYPERLINK l _Toc232332920 3.3.5 拔制

19、过程中拔制力的变化情况 PAGEREF _Toc232332920 h 28 HYPERLINK l _Toc232332921 3.4 工艺参数对拔制力的影响分析 PAGEREF _Toc232332921 h 28 HYPERLINK l _Toc232332922 3.4.1 模锥角对拔制力的影响 PAGEREF _Toc232332922 h 28 HYPERLINK l _Toc232332923 3.4.2 摩擦系数对拔制力的影响 PAGEREF _Toc232332923 h 29 HYPERLINK l _Toc232332924 3.4.3 变形量对拔制力的影响 PAGERE

20、F _Toc232332924 h 31 HYPERLINK l _Toc232332925 3.4.4 拉拔速度对拔制力的影响 PAGEREF _Toc232332925 h 31 HYPERLINK l _Toc232332926 3.5 小结 PAGEREF _Toc232332926 h 32 HYPERLINK l _Toc232332927 第四章 三维冷拔钢丝成型过程的数值模拟 PAGEREF _Toc232332927 h 33 HYPERLINK l _Toc232332928 4.1 冷拔钢丝成型过程模拟的有限元实施 PAGEREF _Toc232332928 h 33 H

21、YPERLINK l _Toc232332929 4.2 计算结果及分析 PAGEREF _Toc232332929 h 33 HYPERLINK l _Toc232332930 4.3 小结 PAGEREF _Toc232332930 h 37 HYPERLINK l _Toc232332931 第五章 结论 PAGEREF _Toc232332931 h 38 HYPERLINK l _Toc232332932 5.1 全文工作总结 PAGEREF _Toc232332932 h 38 HYPERLINK l _Toc232332933 5.2 取得进展与创新之处 PAGEREF _Toc

22、232332933 h 39 HYPERLINK l _Toc232332934 5.3 工作展望 PAGEREF _Toc232332934 h 39 HYPERLINK l _Toc232332935 参考文献 PAGEREF _Toc232332935 h 40 HYPERLINK l _Toc232332936 致谢 PAGEREF _Toc232332936 h 43 HYPERLINK l _Toc232332937 附录 PAGEREF _Toc232332937 h 44第一章 前 言1.1 选题的背景及研究意义自我国参加WTO后，线材制品行业的企业结构和产品结构不断优化和调整

23、，技术进步继续创新，主要产品的生产能力和水平全面提高，产量持续增长，产品标准和实物质量进一步提高，品种结构调整工作取得新的成绩。2003年线材产量到达4020万吨；线材深加工量超过1000万吨，国内市场消费和市场满足率都有较大增长。总体开展趋势良好。线材一般指直径为中516mm的热轧圆钢或相当该断面的异型钢，因以盘条状态交货，统称为线材或盘条。线材通常分为热轧线材及铜、铝等冷轧有色金属线材。在国外工业兴旺国家，线材很少直接使用，70%以上的线材加工成制品以后使用，这样能发挥出钢材的潜能，到达节约钢材、降低能耗的目的。我国2002年的线材制品总量约700万吨，占当年线材表观消费量的29%，占钢材

24、总消费量的8.1%。虽然我国不是一个线材制品强国，且线材深加工比例较低，但是线材制品的总量在世界上名列前茅。同期美国的线材制品总量约680万吨，日本为525万吨。近年来，我国线材制品取得了飞速的开展，到2006年我国全行业出口以60%以上的速度大幅提高：仅线材制品出口就达555万吨，同比提高73.44%，净出口达485万吨；制品产品出口总量约占行业总产量的10%，并且品种、质量档次也有很大提高，缓解了业内产能过剩的矛盾。由此可见我国是世界线材制品产量第一大国。总而言之，我国线材制品行业有了长足的进步，创造了线材制品行业的辉煌。目前我国称得上是线材制品大国，但是还称不上是线材制品强国，因为还存在

25、着不少问题，亟待解决。线材制品广泛用于煤炭、矿山、冶金、机械、建筑、石油、化工、航空航天、电子、海运、通讯、农林畜牧、水产、铁路、交通、轻工等国民经济各个领域和国防军工部门，在国民经济中占有十分重要的地位1。同时，线材生产工艺相对较为简单，工厂在生产线材产品时要求有高的生产效率、较好的稳定性和高的成材率。为了到达以上目的，在生产实践中要求原材料具有较好的质量、选择好适宜的拉拔工艺及其合理的润滑和冷却条件。冷拔是在外加拉力作用下，迫使金属坯料通过模孔，以获得相应形状与尺寸制品的塑性加工方法1。用冷拔的方法可以生产直径为516mm线材。冷加工和相应的热处理相结合可使线材获得高的综合机械性能。近十多

26、年来，在研究许多新的拉拔方法的同时，展开了高速拉拔的研究，成功的制造了许多高速连续拉拔机、多线链式拉拔机。多线链式拉拔机一般可以自动供料、自动穿模、自动咬料和挂钩、线材自动下落以及自动调整中心。另外还有线材成品连续拉拔矫直机列，在该机列上实现了拉拔、矫直、抛光、切断、退火以及探伤等。由于计算机科学、计算数学和力学等学科的不断开展，用于解决力学问题的数值计算方法不断涌现，从早期的有限差分法、有限元法、边界元法到现在的无网格法、数值流形法、小波数值法、非连续变形分析等，它们正成为推动动力学研究不断开展的重要工具有限元法实现了统一的计算模型、离散方法、数值求解和程序设计方法，从而能广泛地适应求解复杂

27、结构的力学问题。所以，该方法自问世至今已得到了迅猛开展，从最初的用于结构和固体力学的计算分析不断向其他领域扩展，也成为分析动力学问题的首选数值方法。ANSYS是目前广泛使用的一个通用有限元分析软件，它为用户提供了100多种单元，具有完善的前后处理功能，可以方便地进行网格划分和后处理的等值线、色块图显示。ANSYS提供的APDL语言是一个类似FORTRAN的、解释性的编程环境,使用APDL可以把前后处理的很多命令组合起来,将诸如零件尺寸、相互关系等进行参数处理，从而可以方便地通过调整参数来改变计算方案,进行优化分析2。因此使用ANSYS可以解决有限元分析中的很多问题。但就金属成形分析来说，ANS

28、YS缺乏前处理网格形成的控制、求解过程的进程干预、网格畸变或边界干预的判断、网风格整或网格重划、工艺变量的计算以及热力耦合问题等诸多方面的功能，对金属塑性成形模拟问题无能为力。为弥补这个缺陷，利用ANSYS提供的二次开发接口，将网格畸变判据、网格交互式修改、网格自适应重划、新旧网格的信息传递、金属变形时的塑性功转化成的热与变形力的热力耦合分析等功能做成模块参加到ANSYS中，并对ANSYS原有相关单元进行了修改和补充,使其满足网格重划的需要,从而使ANSYS具有了用大变形弹塑性理论分析金属变形整个过程的能力。金属体积成形是国家生产材料加工的重要构成，其过程是一个复杂的塑性问题，对其进行分析的目

29、的是确定工件在塑性成形的各变形阶段所需的变形功和加工力，内部的应力、应变、温度分布和金属流动规律，模具的应力、应变、温度分布、合理形状及材料，工件的尺寸精度、剩余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布并为模具设计提供可靠的依据。由于材料塑性成形是一个非常复杂的过程，同时也受到现时数学上处理问题的限制，获得塑性加工问题的精确解是非常困难的，因此，为了得到对工程设计和实际生产有指导意义的解，对材料塑性成形的力学行为的研究往往与数值方法结合在一起。冷拔行业在国民经济中占据着重要的地位，多年来传统的工艺设计及研究方法已经极大地限制了冷拔钢丝的开展，因而改进其研究方法已成为当前线材冷拔行业的迫切需求。由于冷拔

30、具有诸如精度高、本钱低等优点，已经普遍应用于线材的加工中，钢丝拉拔质量的好坏直接取决于冷拔理论和设计技术，因此在这方面开展研究就很有必要。利用ANSYS软件进行有限元分析是现代科学研究已经在多数兴旺国家得到应用，用有限元分析代替试验可有效减少科研经费，另外很多工程由于试验环境难以到达要求，很难进行有效试验，通过ANSYS软件可以模拟各种应力场，磁场，热能场，虚拟化创造一个理想的试验环境到达有效试验的目的2。根据拉拔技术的开展现状，目前仍然要围绕以下问题展开研究：拉拔装备的自动化、连续化与高速化；扩大产品的品种、规格、提高产品的精度，减少制品缺陷；提高拉拔工具的寿命；新的润滑技术的研究；开展新的

31、拉拔技术与新的拉拔理论的研究，到达节能、节材、提高产品质量和生产率。由于受到认识水平和研究方法的局限性限制，长期以来，各个生产厂家大多采用积累的实际经验来确定工艺参数，而对冷拔过程中金属内部流动规律缺乏深入的认识，在具体的实际生产中存在着如平均延伸系数偏低，造成拉拔制道次多；钢丝拔断事故时有发生；钢丝容易发生横裂现象和纵裂现象；钢丝外表有时产生抖纹；模具发生局部裂纹及磨损过快等各种问题，要更好地解决这些问题，就需要研究工作者在钢丝冷拔领域做进一步的研究和探讨。利用大型有限元分析软件分析钢丝拉拔过程中机加工对线材性能的影响，采用有限单元法进行研究，需要建立有限单元模型，其中有三大问题需要解决，即

32、：接触、摩擦和强化模型。现有的研究对这三个问题的处理方法相同，即：接触使用面-面接触模型；摩擦采用库仑摩擦模型，即给出静摩擦系数；金属在加工过程中的强化使用多直线的强化模型，不考虑钢丝的初应力，即线材已经进行去应力处理。本文就是利用ANSYS软件对冷拔过程进行二维及三维有限元分析，贴近生产实际情况，从而得到了各种影响冷拔的显著因素，这些分析结果可为优化冷拔工艺设计提供依据，提高冷拔精度和质量，具有很高的实用价值。1.2 冷拔钢丝有限元分析国内外研究动态 冷拔技术国内开展现状1关于拉丝过程材料形变的研究国内外已进行了大量的工作，哈尔滨工业大学的谢涛3等学者对超声拉丝有限元仿真研究。他们为了更好的

33、了解超声波在拉丝加工的作用机理和塑性成形过程，以常用的铜丝为例，建立了拉丝加工的三维有限元模型，首次利用ANSYS软件对常规拉丝和超声拉丝进行了有限元仿真研究，分得到了径向的变形曲线，拉拔应力，接触应力和摩擦应力的分布曲线。2东南大学的徐贵娥4等学者在拉丝过程中的缺陷模拟及其在拉拔工艺优化中的应用进行研究。模拟了无缺陷时盘条在高形变区的应力场分布，说明了芯部人字形裂纹形成的机理。然后针对芯部圆盘状裂纹提出轴对称计算模型，基于此计算模型研究模具顶角、摩擦系数等工艺参数对形变区内裂纹尖端应力场分布的影响，得出随着拉丝模具顶角的增大和摩擦系数的减小，裂纹尖端应力集中区域与拉丝轴之间的夹角变小，即形成

34、笔尖状断口的斜角变大，笔尖变得更细长。最后定量研究了模具顶角、摩擦系数、裂纹尺寸对J积分的影响。结果说明：随着裂纹尺寸的增加、模具顶角的增大和摩擦系数的增大，J积分值随之增大；在摩擦系数为0.1时，对于相同尺寸的裂纹，J积分值随着模具顶角的减小而减小，当到达模具顶角8后，J积分值变化较小，趋于一定值。研究结果应用于拉丝工艺优化，为进一步改进工艺提出了指导性建议。3华南理工大学的刘明霞5等人对拉拔成形过程中的弹塑性进行有限元分析。应用有限变形弹塑性有限元法拉拔成形，提出了当采用修正牛顿法时可应用过量修正技术加速其收敛效果，为有限变形弹塑性有限元方法的应用提供了新的计算方法。实例计算在不同的拉拔工

35、况下工件内部应力分布的情况，并获得工件拉拔的最正确成形条件。4西安冶金建筑学院的雒建斌6等学者采用伽辽金法对钢丝拉拔过程变形区的温度场进行了有限元计算，从而得出了钢丝温度与有关参数之间的定量关系，以及钢丝外表与中心的温差程度，为解决高速拉丝中的温度问题提供了有效的途径和方向。5北京科技大学的苏岚7等学者用有限元法模拟金属塑性成型过程的难点之一接触边界条件的处理，着重介绍了处理金属塑性成型过程中接触问题的一般方法，包括接触边界的搜索、接触力的计算及接触热传导的计算三方面内容。运用ANSYS提供的接触单元，模拟了Y型三辊轧制过程及钢轨矫直过程的接触状态，结果与实际相符。 6通过借鉴管材拉拔方面的文

36、献也获得了很多的启发。天津理工学院叶金铎8等人采用弹塑性大变形与接触非线性有限元法，视模具为弹性体，真实地模拟了管材从锥模拔出的过程。通过数值计算给出了管材在不同的拉拔阶段的应变与应力分布，根据稳定拉拔阶段的轴向应力分布计算了拔制力，讨论了弹性恢复对管材直径的影响以及管材拔出锥模后的剩余应力分布。这样的设想考虑到钢丝拉拔的相似性，也同样采用了弹塑性大变形与接触非线性有限元法，视模具为弹性体，并计算出了钢丝拉拔稳定阶段的拔制力。7中国科学院金属研究所的黄成江9等采用三维弹塑性有限元法对多道次拉拔过程进行了比拟深入的分析，并且提出应用摩擦元刚度二元修正法建立新的摩擦模型来处理摩擦问题。他们用有限元

37、软件模拟了316L不锈钢管模拟了单道拉拔和多道拉拔过程，为优化空拔的生产工艺提供了依据。通过比拟单道拉拔与多道拉拔对剩余应力场的影响，发现在变形量相同的条件下单道拉拔引发的剩余拉应力较小且分布较均匀最后得出减少拉拔道次数能明显减少空拔管变形过程的不均匀性，并且能明显减小剩余应力而改善管材外表质量。8上海交通大学的杨晓静10等学者基于有限元模拟的空拔铜管拉拔参数的优化。运用非线性有限元分析软件对铜管空拔过程进行仿真，分析空拔过程中铜管与模具的轴向及径向应力分布规律，并以此阐述空拔铜管的缩径缺陷。利用正交实验法模拟研究拉拔参数(工作锥半角、过渡圆弧半径、定径带长度、摩擦因数、拉拔速度)对铜管空拔的

38、影响，并采用极差分析和方差分析对模拟结果进行分析，得到铜管在一定减面率条件下的最正确拉拔参数及各因素对分析指标的影响。在此根底上对优化方案进行数值模拟，模拟结果说明了正交实验对铜管空拔参数优化的有效性。9西华大学的赵志强11等学者利用APDL语言与宏技术组织管理ANSYS的有限元命令，改变模型中的某些参数值，实现了钢管拉拔的参数化建模，为利用ANSYS对钢管短芯棒拉拔进行分析和优化设计奠定了根底。10西安理工大学的薛隆泉12等人基于ANSYS/ LS-DYNA的空拔钢管有限元分析。应用三维非线性有限元分析技术，利用ANSYS软件的LS-DYNA模块动态模拟了空拔钢管的整个过程，得到了各场量的分

39、布，进而分析了产生横裂、纵裂等实际问题的机理，根据拔制力的变化规律，将拔制过程分为起始、流动、稳定三个阶段，并得出了工艺参数 (模锥角、摩擦系数、壁厚)与拔制力的关系，为优化模具结构和进行空拔钢管工艺设计提供了依据。11燕山大学的杜凤山13教授等提出在非轴对称变形条件下建立理论模型，而后，在理想状态下，给定均匀轴对称的母管和模具，建立包括各种因素在内的复合模型的方法。在具体的实践中，他们采用三维弹塑性有限元法建立三维拔制理论，并应用新的摩擦理论来研究非稳态和稳态变形。在模拟过程中，他们最终在实现了工件成形过程的动态图形显示的根底上，给出了有关场变量分布图，并且在计算机上以图形方式预报了在给定工

40、艺条件下的金属流动和断面变化规律。12常州工学院的俞庆14等借助ANSYS软件显式动力模块建立了空拔钢管和短芯棒拔制三维有限元模型，动态模拟了两种拔制方式的整个过程，从钢管定径和轴向、周向应力分布规律角度分析了实际生产中产生问题的不同机理,并就两种拔制方式中工艺参数对拔制力的影响进行了深入研究，所得结果可为选取冷拔方式提供参考，可为优化模具结构和工艺设计提供依据。 冷拔有限元技术国外开展现状1Rasty, J15用弹塑性有限元分析了固定楔型芯棒冷拔钢管的冷拔过程。建立了应力分布和剩余应力模型。2Pletrazyk, Maciej16使用刚塑性有限元模型分析了空拔钢管生产过程中壁厚的变化和应变分

41、布。3Nicolella Daniel P, Smith Marina Q17等采用多重线形动态硬化塑性模型将钢管的材料非线性行为引入有限元程序中，用有限元方法模拟了经受纵向弯曲、内压、轴向压缩等多向载荷的正在服役的大尺寸管线。用有限元模拟可以预测服役钢管在起皱时的挠度、曲率及位移等。4Sadok, Luc jan18采用刚塑性有限元模型和试验数据对空拔管过程的应变状态、应变分布和应力分析进行评价。5Furugen Munekatsu19等对钢管热挤压过程中的金属流动情况进行了定量的有限元分析，模拟了热挤压过程中承载部位金属的流动形态、应变和应力等。1.3 本研究课题的来源及本文主要研究内容

42、课题研究来源针对制丝厂生产情况，为退火线材热处理前半成品生产提供依据。另外有此工程采取利用ANSYS软件进行有限元分析与实际试验相结合的研究形式，可以有效降低试验本钱和试验条件苛刻带来的困难。 课题主要研究内容本文采用了ANSYS软件通过数值仿真动态模拟了冷拔过程中金属流动规律，得到了各场量的分布并得到各种影响拉拔的规律，为优化设计提供可靠的依据，研究主要内容为：模拟了冷拔钢丝的整个过程，得到了各场量的分布，进而分析了实际问题的机理，拉拔工艺参数对拉拔性能的影响，根据拔制力的变化规律，将拉拔过程分为起始、流动、稳定三个阶段，并得出了工艺参数(模锥角、摩擦系数)与拔制力的关系，为优化模具结构和进

43、行冷拔钢丝工艺设计提供了依据。 具体而言，本文的主要研究内容如下：1对拉丝过程进行受力分析，研究金属塑性流动原理；2跟踪冷拔钢丝的拉丝试生产过程，收集拉丝过程的现有的工艺参数；3研究拉丝工艺过程的影响因素，在此根底上建立拉丝有限元模型，并对模型的可靠性进行分析和验证；4通过对拉丝生产主要过程有限元模拟和计算分析，研究不同的模具工艺控制参数与拉丝件性能之间的关系；5根据有限元模拟和计算分析研究的结果，对冷拔钢丝的生产工艺控制提出建议，从而到达提高线材的生产质量、降低断丝率的目的。第二章 拉拔过程的初步分析和研究根底2.1 引言钢丝拉拔过程是一个塑性成形过程，塑性成形问题的求解，包括变形体内部的应

44、力分布、应变分布、应变速率分布、位移分布或位移速度分布。由变形体内部的应力分布可以计算出变形所需要的变形力、变形功以及变形功率，预测可能出现的缺陷，为成形设备的选择、工装模具设计以及工艺方案的优化奠定理论根底；由变形体内部的应变分布、位移速度分布可以确定变形体的外形尺寸和尺寸精度，并可以分析变形体内部的硬度分布、纤维组织的形成以及晶粒度的变化，由此可以到达优化毛坯形状，确定成形极限的目的，为提高产品的力学性能提供科学依据。但钢丝拉拔问题是一个非常复杂的力学问题，按实际的拉丝生产的力学过程进行过程分析目前尚不可能。本章通过对理想盘条的简化力学分析说明拉丝形变区内应力不均匀的特点，理想盘条反映的这

45、种拉拔成形特有的受力状态也是各种不同状况盘条如含不同缺陷在形变区内应力状态复杂的主要控制因素。本文的研究内容是从实际生产问题提出的，拉拔阶段的研究是在整个工程的一局部，本文研究拉拔过程的一般成形规律，又具体针对实际生产问题，因此数值分析需要的一切模型数据尽量来源于生产线，通过以前实验获取生产线提供的模型数据。2.2 拉拔过程的初步受力分析 简化力学分析由于拉拔成形是一个复杂力学过程，对实际生产进行力学研究以探讨拉拔断丝问题，目前求解尚不可能。为探讨拉拔成形中形变区的力学状态的特点，先对实际生产问题进行简化，主要是忽略实际盘条材质的质量影响。此时钢丝拉拔过程可认为是轴对称问题。钢丝拉拔过程沿横截

46、面材料发生不均匀变形，沿半径轴向应力和周向应力的分布显然也是变化的。在拉丝状态下，材料受到轴向的拉应力和另两向的压应力的作用，忽略拉拔过程中摩擦力的作用其受力状态见图2.1a。根据Tresca屈服条件，可求出在拉丝模内，应力r和的分布如图2.1a下半部所示。可以看到，在刚进入拉丝模时，材料主要受压应力的作用，=s，r=0；即将通过拉丝模时，材料的受力的情况为： =sInD12/D221，r =s InD12/D22。具体受力过程分析可参考相关文献。而应力沿着径向分布的规律为：在变形区，每个环形外外表上作用的应力1，内外表上作用的应力2，如图2.1b所示。径向应力总是试图减小其外外表的面积，因此

47、距中心越远，外外表的面积越大，所需的应力也越大。根据屈服判据r=s，越靠近材料的外表，压应力越大，那么拉应力r越小；而在拉丝试样的中心位，压应力较小，而拉应力较大。图2.1a 拉丝时轴向应力 图2.1b拉丝时径向应力图a中：s材料的屈服强度，r轴向应力，垂直于轴向的应力，图b中：1作用在环形外外表上的应力，2作用在环形内外表上的应力。由前述分析可知，在拉丝状态下，材料外表上在拉丝模入口处受到最大的压应力，钢丝的中心位在拉丝模具出口处受到最大拉应力和较小的压应力，裂纹就极易在此处产生，然后缓慢扩展。假设考虑钢丝与模具之间的摩擦力的作用，钢丝中的应力大小还与模具设计、拉丝过程中的润滑等因素有关。由

48、以上应力分析可知，钢丝中心和外表的受力状态不同，导致变形不均，有可能在中心出现缺陷。为此，需进一步的力学分析，根据钢丝内部的应力分布可以计算出变形所需要的变形力、变形功以及变形功率，预测可能出现的缺陷为成形设备的选择、工装模具设计以及工艺方案的优化奠定理论根底。2.3 有限单元法 有限单元法的开展许多工程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析，电磁学中的电磁场分析、振动特性分析，传热学中的温度场分析，流体力学中的流场分析等，都可以归结为在给定边界条件下求解其控制方程(常微分方程或者偏微分方程)的问题。但是，能够用解析方法求出精确解的只是方程性质比拟简单，且几何边界相当规那么的少数问题。对于

49、大多数的工程技术问题，由于研究对象的几何形状复杂或者它的某些特性是非线性的，那么很少有精确解。这类问题的解决通常有两种途径：其一，引入简化假设，将方程和边界简化为能够处理的问题，从而得到它在简化状态下的解。这种方法只是在非常有限的情况下可行，因为过多的简化将可能导致不正确的甚至错误的解。其二，数值模拟。目前，在工程技术领域内常用的数值模拟方法有：有限单元法、边界元法、离散单元法和有限差分法。但就其实用性和应用的广泛性而言，主要还是有限单元法。有限单元法的根本思想是：将问题的求解域划分为一系列单元，单元之间仅靠节点联结。单元内部点的待求量可由单元节点通过选定的函数关系插值得到。由于单元形状简单，

50、因此易于由平衡关系或者能量关系建立节点之间的方程式，然后将各个单元方程“组集在一起形成总体代数方程组，参加边界条件后即可对方程求解。单元划分越细，计算结果就越精确。有限单元法根本思想的提出，可以追溯到Courant在1943年的工作。他第一次尝试应用定义在三角形区域上的分片连续函数与最小位能原理相结合，来求解St. Venant扭转问题。直到1960年以后，随着电子计算机的开展和广泛应用，有限单元法的开展速度才显著加快。现代有限单元法第一个成功的尝试，是将钢架位移法推广应用于弹性力学平面问题。这是Turner，Clough等人在分析飞机结构时于1956年得到的成果。他们第一次给出了用三角形单元

51、求得平面应力问题的正确解答。三角形单元的单元特性是由弹性理论方程来确定的，采用的是直接刚度法。他们的研究工作翻开了利用电子计算机求解复杂平面弹性问题的新局面。1960年Clough进一步处理了平面弹性问题，并第一次提出了“有限单元法的名称，使人们开始认识了有限单元法的成效。40年来，有限单元法的应用己经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，由静力平衡问题扩展到稳态问题、动力问题和波动问题。分析的对象从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。在工程分析中的作用已经从分析和校核扩展到优化设计，并和计算机辅助设计技术相结合。可以预计，

52、随着现代力学、计算数学和计算机技术等学科的开展，有限单元法作为一个具有稳固理论根底和广泛应用效力的数值分析工具，必将在国民经济建设和科学技术开展中发挥更大作用。有限单元法理论非常丰富，这里仅仅介绍分析冷拔钢丝成型过程涉及到的几个理论。 弹塑性大变形钢丝在拉拔过程中由于受到模具内壁的压力和摩擦力作用，会发生弹塑性变形。分析这个过程会涉及到塑性理论的三个准那么。(1)屈服准那么与单向拉伸试验相似，到达屈服极限之前，钢丝发生弹性变形；在到达屈服极限时，钢丝开始发生塑性变形。根据钢丝拉拔缩径量的多少，钢丝可能发生大变形。一般都当作大变形问题来处理。本文使用最常用的Von Misses屈服准那么，即应力

53、偏量第二不变量等于某一定值时材料屈服。注意：本文模拟时使用的材料为各向同性材料。(2)强化理论拉拔过程中，由于钢丝发生塑性变形会导致金属强化，在塑性流动情况下，屈服条件在不断变化，其弹性极限增大。根据材料的应力-应变曲线，本文选择随动强化准那么。该准那么表示了材料塑性强化更一般的规律，加载曲面在所有方向上均发生移动但形状不变。(3)塑性流动理论到达强度极限以后，钢丝发生塑性变形。总应变是弹性应变和塑性应变之和。由于金属发生强化，通常以应变分量总增量来表示，即应变分量总增量是弹性应变分量的增量与塑性应变分量的增量之和。 几何非线性凡考虑位移与应变的非线性关系或者采用大应变理论都属于几何非线性问题

54、。拉拔过程中，钢丝发生大位移、大应变，因此涉及到几何非线性。处理几何非线性问题，需要描述物体在空间的运动并且建立相关方程。当前建立几何非线性方程时，选择的能量平衡方程大体有两类：一是从虚功原理出发，直接使用应力与共扼应变，二是由增量变形的变分原理出发，使用应力率与应变率。本文从虚功原理出发，采用增广拉格朗日列式法(U.L.)得到位移与应变运动方程。虚功原理包括虚应力原理和虚位移原理，而这两种形式都是平衡方程和边界条件的等效积分的“弱形式。下面简单介绍一下几何非线性涉及到的相关理论。 微分方程的等效积分方程工程或物理学中的许多问题，通常是以未知场函数应满足的微分方程和边界条件形式提出来的，一般表

55、示为未知函数u应满足微分方程组：A(u)=0 在内 2.1域可以使体积域、面积域等，如图2-1所示。同时未知函数u还应该满足边界条件B(u)=0 (在内) 2.2其中：是的边界；要求解的未知函数u可以使标量场例如温度场，也可以使几个变量组成的矢量场例如位移、应变、应力等；A、B是表示对于独立变量例如空间坐标、时间坐标等的微分算子。微分方程数应该和未知场函数的数目相对应。因此，上述微分方程可以是单个的方程，也可以使方程组。图2.2域和边界由于微分方程组式2.1在域中的每一点都必须为零，所以有 0 2.3其中：V= 2.4V是函数向量，它是一组和微分方程个数相等的任意函数。式2.3与式2.1是完全

56、相等的积分形式。可以断言，如果式(2.3)在边界上每一点都得到满足，式2.1也能得到满足。同理，假设式(2.2)也同时在边界上每一点都得到满足，对于一组任意函数下式应当成立 0 2.5因此，积分形式 +=0 2.6对于所有的V和都成立等效于满足式(2.1)和式(2.2)。式(2.6)称为微分方程的等效积分形式。式(2.6)经过分部积分得到另一种形式 +=0 2.7其中:C、D、E、F是微分算子，它们中所包含导数的阶数比式(2.1)中的A低。式(2.7)叫做等效积分的“弱形式。在求解域中，如果场函数u是精确解，那么在域中任一点都满足微分方程。同时，在边界上任一点都满足边界条件，此时等效积分形式必

57、然得到严格满足。但是对于复杂的实际问题，这样的精确解往往很难找到，因此人们需要设法找到具有一定精度的近似解。在很多情况下，采用伽辽金法求解方程得到的系数矩阵是对称的，这是在用加权余量法建立有限元格式时几乎毫无例外地采用伽辽金法的主要原因。而且当存在相应的泛函时，伽辽金法与变分法往往得到同样的结果。 虚功原理及增广拉格朗日法(U.L法)变形体的虚功原理可以表达为：变形体中满足平衡的力在任意满足协调条件的变形状态上作的虚功等于零，即体系外力的虚功与域内力的虚功之和等于零。虚功原理是虚位移原理和虚应力原理的总称。它们都可以认为是与某些控制方程相等效的“弱形式。虚位移原理是平衡方程和力的边界条件的等效

58、积分的“弱形式;虚应力原理是几何方程和位移边界条件的等效积分的“弱形式。本文采用虚位移原理。应该指出，无论是虚位移原理还是虚应力原理，它们所依赖的几何方程和平衡方程都是基于小变形理论的，所以，它们不能直接应用于基于大变形理论的力学问题。如果要使用，必须引入相关的非线性本构关系。 当使用相关描述法，参照最后一个平衡构形建立方程的方法称为增广拉格朗日列式法(Updated Lagrange formulation)，简称U.L.列式法。采用这种列式法，大应变时比拟容易引入非线性本构关系，因而适于非弹性大应变分析。 边界非线性接触是非常典型的边界条件非线性问题。它的特点在于：边界条件不是计算条件，而

59、是计算结果；两接触体之间接触面的面积与压力分布是随外部载荷变化而变化，并且与接触体的刚性有关。处理接触问题，必须解决四个方面的问题，即物理模型、几何运动规律、本构关系和建立方程并求解。下面结合冷拔钢丝过程做简单介绍。.1 物理模型物理模型用于描述两接触体之间的力的传递以及在不同载荷下的接触状态的变化。迄今为止共有两种物理模型：一是节点对模型，二是点面模型。点面模型的特点是：把两接触体人为分成主动体和被动体，主动体网格中一个节点与被动体外表上任意一点相接触。它的优点是两接触体可根据自身情况划分网格，而且经处理后，即使考虑摩擦滑移情况，最后控制方程也可为对称的。本文采用这种物理模型，这给处理钢丝和

60、模具之间的接触提供很大便利。现在大多数有限元分析在处理接触问题时采用这种模型。.2 几何运动规律几何运动规律主要用于判断两个接触体的接触状况，或者是接触边界条件。处理接触问题时，使用以下两个假设：1接触外表是连续的；2两接触体之间的摩擦使用库仑定律；在所作假设条件，使用如下接触准那么判断钢丝与模具之间的接触状况：1接触条件消失：原为接触，在拉拔过程中由于接触外表变化，钢丝和模具别离。 2.8式中：i+1FcZ第i+1步迭代时接触体C上的节点在Z方向的接触力； iFcZ 第i步迭代时接触体C上的节点在Z方向的接触力；iFcZ第i+1步迭代时接触体C上的节点在Z方向的接触力的变化量。 2建立新的接