【《PC钢棒拉拔过程的有限元模拟分析案例》2800字】

PC钢棒拉拔过程的有限元模拟分析案例TOC\o"1-3"\h\u7532PC钢棒拉拔过程的有限元模拟分析案例326271.1PC钢棒拉拔时的基本理论16031.2COMSOL软件简介87931.3PC钢棒拉拔过程的数值模型222671.1.1PC钢棒拉拔的几何模型38641.1.2PC钢棒和模具材料参数211601.1.3拉拔的物理场设置及网格划分149611.1.4模拟结果分析187151.4PC钢棒实际测量与模拟结果分析1.1PC钢棒拉拔时的基本理论拉拔是机械加工的范围，它是指钢棒通过拉拔模具发生塑性变形，使钢棒直径减小的加工方法。拉拔的过程存在复杂的多重非线性耦合问题，包括接触、几何边界和材料非线性等。通常钢棒的拉拔过程都在常温下在模具进行，钢棒发生加工硬化，产生残余应力。拉拔过程中钢棒直径减小，总体积基本不变。因此，在模拟过程当中，可以认为钢棒的体积保持不变。在模拟过程中钢棒、拉拔模具和拉拔力为模拟的主要对象。本次拉拔采用的模具尺寸如图1.1所示，本课题研究选材为PC钢棒，进入模具前的直径为14mm，出模具后的直径为11.6mm。图1.1拉拔模具尺寸拉拔模具的重点分为入口锥区域、定径区域和出口锥区域。拉坯过程中钢棒的塑性变形在模具中进行，最终获得所需的钢棒形状和尺寸。拉拔过程中的应力会影响材料的特性和尺寸。诸如拉伸力的大小，拉拔模具的寿命和润滑膜的厚度等因素都会对应力产生影响[18]。入口锥区域是整个拉拔过程的关键区域。拉拔时钢棒的流动变形情况如图1.2所示。拉拔时主要还是外力的相互作用所造成的。图1.2拉拔过程中钢棒的流动变形情况1.2COMSOL软件简介COMSOLMultiphysics是最常用的计算机仿真软件。它被广泛应用于模拟科学和工程领域的各种物理过程。COMSOLMultiphysics有限元仿真可分为五个过程，即：建立几何模型、建立有限元分析模型、定义物理场、求解和后处理。COMSOL仿真软件拥有以下的特点：1.3PC钢棒拉拔过程的数值模型1.1.1PC钢棒拉拔的几何模型在COMSOLMultiphysics的几何模块中建立PC钢棒拉拔时的钢棒和模具的几何模型，由于钢棒拉拔模型属于轴对称结构，采用二维轴对称图形进行模拟，PC钢棒的直径为12.6mm，模具与钢棒之间的接触只有内模，模具外模不与钢棒接触，所以在创建模型时不予考虑。建立的几何模型如图1.3所示。图1.3几何模型1.1.2PC钢棒和模具材料参数本次模拟PC钢棒的材料是30MnSi合金，拉拔模具材料是YG8，通过查询文献及相关数据[19]，得到材料部分参数如下表1.1所示。表1.1钢棒和模具材料参数密度(kg/m3)杨氏模量(Pa)泊松比(1)导热系数(J/(kg/K))恒压热容(W/m*K)30MnSi7370200e90.3127639YG814500720e90.375.44631.1.3拉拔的物理场设置及网格划分由于真实钢棒材料的塑性变形过程十分复杂，所以，本次模拟适宜COMSOL仿真软件的自带的固体力学模块。因此，本次钢棒拉拔过程模拟采用刚粘塑性有限元理论[20]，认为钢棒材料均质体积不变。定义拉拔模具均为刚性体，PC钢棒为弹塑性体，将拉拔模具作为固定约束，对PC钢棒设置直线运动，设置运动为40m/min，设置边界载荷为20MPa，进行均匀的网格划分，为了准确地模拟出钢板拉拔过程的应力，对已经建好的二维轴对称图形进行网格划分，本次模拟使用四面体网格单元对模具和钢棒进行划分，设置网格大小为细化，由于钢棒与模具接触部分是拉拔模拟的最大应力产生区域，将在这个区域部分进行细化网格，设置更小地网格，目的是让模拟结果更加精确。模拟的网格划分结果如图1.4所示。划分网格后完整网格包含1135个域单元和204个边界单元。图1.4网格划分1.1.4模拟结果分析本次模拟结果分析是模拟PC钢棒拉拔过程中PC钢棒运行速度改变和PC钢棒与模具接触的摩擦系数改变对应力的影响。（1）PC钢棒运行速度改变对模具应力的影响；本次模拟采用对比分析，不设置模具接触的摩擦系数，不考虑温度变化，研究在PC钢棒直线拉拔运行速度改变对模具应力的影响，PC钢棒直线运行速度选择V=40、45、50m/min三个不同速度，得出的模拟Mises应力结果如图1.5、1.6和1.7所示。图1.5V=40m/min钢棒拉拔模拟图1.6V=45m/min钢棒拉拔模拟图1.7V=45m/min钢棒拉拔模拟从上图可以得出结论，在拉拔过程中PC钢棒依次通过模具的圆弧区、入口锥区、定径区和出口锥区，钢棒的应力都分布均匀。在拉拔过程中PC钢棒依次通过模具的圆弧区、入口锥区、定径区和出口锥区，最大应力出现在定径区域[21]，此时PC钢棒正在进行塑性变形，目的使钢棒外径尺寸压缩到模具模口尺寸，实现钢棒直径的改变。随着拉拔过程的钢棒往前移动，应力逐渐增大，通过定径区后，在出口锥区，应力趋向分布均匀。在不同运行速度模拟结果如上图所知，V=40m/min拉拔时模具的应力最大值为735MPa。V=45m/min拉拔时模具的应力最大值为827MPa。V=50m/min拉拔时模具的应力最大值为915MPa。可以得出结论，PC钢棒在拉拔过程时运行速度越快，它在拉拔时与模具接触时所产生的应力值越来越大。所以，在拉拔过程中，钢棒运行速度较低时，拉拔时后的应力值更小。这时，PC钢棒强度和硬度更高。与实际相吻合。（2）PC钢棒与模具接触的摩擦系数改变对钢棒应力的影响。本次模拟采用二维轴对称模拟，PC钢棒在V=40m/min拉拔，其他条件不变，选择不同的摩擦系数，在钢棒和拉拔模具的接触采用库伦摩擦系数设置为0.1、0.3和0.5。得出的模拟结果如图1.8、1.9和1.10所示。图1.8摩擦系数为0.1的模拟图1.9摩擦系数为0.3的模拟图1.8摩擦系数为0.5的模拟在不同摩擦系数模拟结果如上图1.8、1.9和1.10所知，摩擦力主要产生在圆锥区和定径区，这时，模具和钢棒表面接触，是形成最大摩擦力的主要原因。摩擦力的大小从模具表面到心部逐步减小。符合实际规律，在摩擦系数为0.1，钢棒表面产生的最大应力值为62.5MPa，在摩擦系数为0.3，钢棒表面产生的最大应力值为90.4MPa，在摩擦系数为0.5，钢棒表面产生的最大应力值为157MPa，从模拟结果上来看，当摩擦系数越大时，钢棒表面产生的摩擦力越大。与实际情况相符合。一般情况下，在钢棒拉拔过程中需要添加润滑剂，润滑剂的工作温度在45～70℃。通过添加润滑剂来减小摩擦系数，从而达到降低摩擦力的效果。1.4PC钢棒实际测量与模拟结果分析本次实测数据是钢棒在不同直线拉拔运行速度下的部分力学参数如下表1.2所示。表1.2不同拉拔下的钢棒参数伸直性延伸率屈服强度抗拉强度低拉拔速度0.8/8h8.5%1503MPa1394MPa高拉拔速度0.5/8h8.0%1481MPa1418MPa由上表可以得知，PC钢棒具有滞弹性，拉拔速度越快，伸直性的变化量越小。延伸率又叫伸长率，它是材料的塑性指标，延伸率越大说明材料的延展性能越好，在低拉拔速度下，强度的指标分抗拉强度和屈服强度，抗拉强度是指材料抵抗断裂的能力，材料拉力超过它就会断裂，由于拉速提高，而它的抗拉强度却增加。屈服强度是指材料抵