有限元分析在金属塑性成形中的应用

有限元分析在金属塑性成形中的应用

近十年来，金元法在金属塑料薄膜加工中得到了广泛应用。因为数值模拟技术可以帮助人们预测锻压加工的结果,有助于提高生产率,降低成本。另外,目前还没有一种其他方法可以取代有限元法对金属塑性成形过程给出与实际比较吻合的数值解。在生产用于石油输送的管道,需要对碳钢平面板料的不同部位进行冲弯,以形成单缝管,最后进行焊接,使之成为完整的管道。传统上采用样品试制的方式进行折弯加工。由于这种办法需要对板料进行多次试验性加工以获取加工参数,一旦试制样品不合格,需要更换板料,重新加工,这样就导致了费用偏高,试制周期长等弊端,而且对于新产品的开发有很大的限制。现在,国外大多采用有限元分析的方法,对冲压时的应力场、应变场(包括弹性与塑性应变)、板料成形过程进行动态分析与优化设计,计算残余应力、残余应变,改变以往仅凭经验和试制的模式,为保证成形件的质量、选择成形设备、制定合理的成形工艺、改善模具受力和提高模具寿命提供可靠的依据。笔者应用有限元分析在平面应变条件下的板料折弯,并对利用有限元解决这个问题时需要注意的4个方面进行了阐述,经过与试验数据的比较,为以后分析板料在其他条件下的应力应变提供经验。1影响结果的关键因素ANSYS进行数值模拟的过程中,影响结果的4个关键因素是:几何模型的建立;变形过程中的非线性问题的处理;接触问题以及载荷等问题的处理。1.1弯力加载应用有限元进行数值模拟计算板料冲压过程,计算中建模的几何参数V、P1、P2与试验时的参数保持一致,计算中按照试验折弯力加载(见表1)。图1是采用有限元分析计算时的几何模型图,图2是一次计算后的计算结果的应变云图。对于同一个锻压大变形的实体,可以采用不同的几何模型进行描述,具有代表性的2种方法即2-D截面法和3-D实体模型法。这2种方法在理论上被证明是合理可行的。在建模的时候既要遵循尽量简化的原则,还要根据实际需要,适当考虑计算结果的精确性和仿真的准确性。1.2局部刚度向非局部刚度的转换由于一个结构的总刚度依赖于其组成部分的方向单元刚度,如果该单元的趋向改变,则它的局部刚度转化到全局部件的刚度。在文中的大应变分析中,考虑由单元趋向改变导致刚度改变,故在大变形应变分析中需要迭代求解得到正确的位移,在具体处理中采取了NLGEON,ON来激活大应变效应。1.3摩擦接触单元的确定当两个物体相接触时,为满足接触边界不互相过分渗透,要在垂直于目标面的方向施加一个适当的力,使渗透深度在规定的容差范围之内。当采用罚函数与拉格朗日乘子组合法时fn=min(0,Kng+λi+1)fn=min(0,Κng+λi+1)式中,Kn为接触刚度,即惩罚因子;g为渗透深度;λi+1为第i+1步迭代时的拉格朗日乘子;λi+1=λi+αKng|g|≥ελi+1=λi|g|<ε;ε为相容性容差;α为内部的计算因子(α<1)。在产生接触单元时,可以在单元属性中指定接触刚度及相容性差的大小,从而控制接触面之间的渗透深度。接触刚度的取值对计算影响很大,太小会使得接触边界过分渗透,造成计算结果失真,而太大则计算时收敛困难。为了满足力的相容性,必须在目标面的切向施加一个摩擦力。摩擦力的计算与选择的摩擦类型有关:fs<Ffs′为粘着摩擦,fs=fs′为滑动摩擦;fs′为库仑摩擦模型的粘滞极限值,fs′=-μfn;F为静/动态摩擦因子。摩擦系数可由接触体的材料属性来给定,而摩擦类型及静/动态摩擦因子可在产生接触单元时作为单元属性来指定。接触对中REALCONSTANT的9个实常数的设置很重要,应该从实际生产的过程中摸索出合适的定义值,限于经验与理论水平,操作过程采用的参数结合了一些理论文献,并进行了筛选比较。1.4以适应载荷步为条件修改刚度矩阵载荷处理中需要定义分析类型和选项,指定载荷步选项,在非线性分析中需要设定多个载荷增量,而且需要进行多次平衡迭代,以适应载荷步的方式修改刚度矩阵,应在牛顿-拉费逊选项中选择NROPT,ANTO将自动激活自适应下降而确保迭代保持稳定,提高程序获得收敛解的能力。以上4个方面在进行有限元分析计算时应该注意。当然还有其他一些方面,例如单元的选择、网格的细化等等,就不赘言了。经过对冲压过程的6次有限元计算,得到计算结果如表1所示。2记录和分析方法试验采用龙门式压力校平机,试验用16Mn,60mm×700mm×1000mm板材。其试验装置如图3所示。将板料放置于模具上,分别测量和记录折弯角为170°、155°、140°附近时板料内半径。记录得到数据如表2所示(实验数据在黄石锻压机床厂试验获取,V、P1、P2数据已知,其余为记录所得)。为了与试验数据进行比较和寻找一般性的规律,将试验数据和计算数据绘制成关系曲线图的形式。弯曲半径R与折弯角度α的关系曲线如图4所示,折弯力P与折弯角度α的关系如图5所示。受到试验条件及测量方法的限制,试验所得数据值存在一定误差,但是仍然在允许范围之内,因此能起验证有限元计算数据的作用。3有一定差距的其他体因素从关系曲线图上比较计算结果和试验结果,可以看到:1)在大部分区域,特别是折弯角比较大的区域,它们比较吻合。2)在局部区域上,尤其是折弯角较小的区域,存在一定的差距,即计算折弯角明显偏小,折弯半径明显偏大。3)计算折弯角小于试验值,计算半径大于试验值。这是由于材料在理论计算和实际加工过程中一些具体因素有一定差距,例如摩擦,回弹等。通过上面结果比较,仔细分析计算过程,发现能够做到计算结果与试验结果一定程度的一致,关键是较好的处理了几个方面:1)将应用这2种方法所得的计算值与实践生产中的经验值相对照,发现3-D实体模型与实际更吻合。2)文中的大应变分析中考虑由单元趋向改变导致刚度改变,故在大应变分析中需要迭代求解来得到正确位移,具体处理采用了NLGEON,ON命令来激活大应变。3)ANSYS给出接触刚度的选择范围是:Kn=0.01～100EL,E、L为接触材料的弹性模量和特征长度。尽管ANSYS给出的推荐值范围很大,由于收敛性及计算精度对选值十分敏感,计算中进行了认真比较选取。4)进行计算的过程中,注意到了载荷步的修改,以步长低于5%的加载方式进行累加。比较后可以看出取得了较好的效果,获得了较好的收敛解。上述算例是以ANSYS软件为工作平台,对折弯过程进行了建模和分析。将计算值与实际试验结果比较发现,合理处理前面所述的4个方面,可以有效的提高计算精确程度,提高分析计算效率。4有限元模型分析的可行性有限元分析计算能够在一定程度上替代折弯试验,提供有效的参考数据。虽