【《辊压成形有限元仿真结果分析案例》5300字】

PAGEPAGE49辊压成形有限元仿真结果分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u2695辊压成形有限元仿真结果分析案例 1206121.1辊压成形过程参数设置 1222581.2辊压成形结果分析 1157811.2.1成形过程分析 1210021.2.2成形过程中温度变化 2225401.2.3成形过程中应力变化 5262091.3工艺参数的影响 6236811.3.1电流大小对成形性能的影响 6205301.3.2温度对成形性能的影响 716921.3.3速度对成形性能的影响 10根据微流道结构辊压成形的有限元仿真结果对成形过程进行分析，并分析研究辊压过程中部分工艺参数对成形效果的影响。辊压成形过程参数设置辊压成形仿真的包括热电耦合和热力耦合两个模块，两个耦合的过程中的很多参数都在影响最终的成形结果。为了研究不同参数对实验结果的影响，在仿真时对不同参数进行控制变量，以便于研究各参数对成形规律的影响。设置电流参数时，根据实验的实际情况，设置交变电流的脉宽为60ms，间隔时间为40ms保持不变，初始电流密度大小分别为2.75A/mm2、2.9A/mm进行一组辊压成形过程的动态显示仿真，设置其温度条件为等温条件，温度分别为700℃、800℃、900℃。在Load模块改变齿轮转动的角速度以及齿条板移动的线速度，分别为3.5mm/s、7mm/s、14mm/s。辊压成形结果分析成形过程分析（a）分段结果（b）轮廓外形（c）厚度分布图4.1辊压后的结果辊压成形的金属箔板的初始形状如图3.2（b）所示，当金属箔板通电后进行辊压，将一个齿辊压完成后成形得到的结果进行分段处理，分别为AB段、BC段、CD段、DE段、EF段，如图4.1（a）所示，第一个齿辊压后所得形状的轮廓如图4.1（b）所示，厚度分布如图4.1（c）所示。综合图4.1的三幅图可以发现，AB段、CD段、EF段都相对比较薄，变形最大的区域在AB段和EF段，这是因为当齿轮对金属箔板辊压时，金属箔板的AB段、EF段都是上表面（定义与凸模，即齿轮所接触的表面为上表面，与凹模所接触的表面为下表面）受拉伸，下表面挤压，拉伸造成的厚度减小大于挤压造成的厚度增大，所以厚度比较薄，CD段刚好相反；BC段和DE段虽然与CD段相同，也受到一定程度的挤压与拉伸，但由于不是模具对箔板的力主要施加在另外三段，所以变化程度相对较小，BC段和DE段的更像是作为AB、CD、EF三段变形的补料。图中可以看到最厚的地方在DE段，由于相对于其他区域，这个区域的受力最小、最晚，因此变形最小。通过轮廓外形与厚度分布可以推测，成形时，AB、CD、EF三段的应力比较大，BC、DE两段应力比较小，且DE段最小。成形过程中温度变化金属箔材的材料为GH4099，是一种高温性能比较好的高温合金，且性能随温度变化比较大，因此温度对最终的成形效果影响很大。为了使成形效果比较好，在进行辊压前，先对金属箔板通入脉冲电流60s左右，使金属箔板达到所需要的温度且温度分布均匀。在模拟时，设置的温度为900℃左右，如图4.2所示。图4.2通电后的温度云图分布从图4.2可以看出，温度在金属箔板的分布比较规律，大致为中间温度高，两边温度低，从中心向两端递减。在金属箔板上对其温度值进行均匀取样，作出其温度分布的折线图，如图4.3所示。图4.3温度分布折线图根据图4.3可以发现，金属箔板的温度整体都比较高，温度差距不大，温度高温区域基本上分布在主要变形区域，即齿所对应的区域，对于辊压成形比较有利。（a）辊压一个齿的温度云图（b）5节点的温度变化图4.4温度变化辊压成形进行时，当模具与金属箔板开始接触到时，由于整个模型的导热率相对比较大，辊压处会发生比较大的温度变化。如图4.4（a），第一个齿辊压结束后，温度已经下降了很多，温度最低处大小只有400℃左右。为了方便研究温度的变化趋势，在箔板上取5个点进行研究，节点的位置在图4.4（a）中用光亮点标出，从左到右节点序号分别为173、177、181、185、189，为了方便分析，定义序号分别为a、b、c、d、e。由图可以看出，所有节点的初始温度几乎重合，温度的变化趋势也是相同的，温度都是在逐渐下降。其中b和d节点的温度曲线几乎重合，这是由于这两个点所在的区域与模具的接触面积相差不大，但是b节点最先与模具接触，所以温度下降的最快。温度最低的点是a节点，最高的点是e节点，虽然从最终结果云图上看，a节点和e节点的接触面积相差不大，这是由于凸模的转动是顺时针转动的，所以模具下压的过程最先与c节点附近区域接触，在a节点和e节点中，最先与a节点接触，且a节点附近区域与模具的接触面积比较大，热量的散失最快最多。与c节点相比，周围区域与模具的接触面积比较大，所以温度比c节点的温度低，但是相差不大；与e节点相比，节点所在区域的接触面积相差不大，但是接触时间比e节点早且长，且从所在区域的周围区域来看，e节点右端的温度由于与模具的接触更晚，右边温度比较高，中间区域温度相同，a节点所在区域的左端温度比e节点所在区域的有点温度低得多，因此热量的散失a节点也会比e节点要多，所以e节点的温度最大。温度越高，金属箔板的成形就会越容易，因此从温度角度来推测，材料的变形也基本满足图4.1（c）所示的厚度分布规律。图4.5为加热后齿的温度云图根据图4.4（b）可以看出，当辊压凸模开始接触到箔板时，箔板的温度大概在800℃左右，而第一个齿辊压结束后，第二个齿所在区域的温度云图如图4.5所示。可以看出此时箔材温度在600℃左右，在辊压进行时，由于接触面积的增大，热量的散失会更快，温度下降会更低。因此可以推测如果不进行二次通电加热，相比较第一个齿，这个齿的成形效果会比较差。成形过程中应力变化成形过程中，随着金属箔板的受力变形，材料内部会产生不同大小的应力，应力的大小可以反映出箔板内部的内力分布集度。如图4.6（a）和图4.6（b）分别展示了箔板第一个齿在辊压时的应力分布云图和经过通电加热后第二齿辊压时的应力分布云图，根据图可以发现，应力较大的区域主要分布在主要变形区，这跟箔板的自身的变形和温度有着比较密切的关系。（a）第一个齿的应力云图（b）第二个齿的应力云图图4.6应力分布云图为了进一步观察辊压成形过程中应力是如何变化的，选择节点180和节点182为观测点，作出应力随时间的变化曲线。图4.7节点180、182应力随时间变化的曲线从图中可以看出，在5ms左右之前，由于期初材料自身的温度非常的高，所以材料由于温度的影响会有热应力产生，5~8ms左右，由于凸模开始接触到金属箔板，且这两个节点所在区域是最先受力的区域，因此节点受到模具施加的应力使得周围区域开始变形，应力值迅速上升；接着，由于材料的变形逐渐趋于平缓，应力的增大趋势也逐渐平缓；随着模具的运动，箔板的受力区域逐渐向右端移动，到达40ms左右的时候，由于节点所在区域受力开始减小，所以节点处的应力会出现减小的趋势；随着模具的继续运动，箔板后端没有辊压到的地方会起到类似补料的作用，节点所在区域变形继续增大，导致应力也再次上升；但应力不会一直增大，随着时间继续进行，当辊压成形的结束，金属箔板最后会由于残余应力的存在而收缩，这时应力也会逐渐减小。（a）第一个齿的应力曲线（b）第二个齿的应力曲线图4.8应力变化曲线图4.8（a）（b）分别给出了辊压过程中，两次通电辊压后两个齿辊压前后的应力变化，第二个齿与第一个齿取点位置相同，分别为95，98，102，108，112节点，为了便于观察分别命名为a2、b2、c2、d2、e2。由于第二个齿辊压时的温度比第一个齿高出很多，箔板的变形会更加明显，反应在应力曲线上的变化幅度也比较大。结合图4.8（a）和图4.7可以发现，随着时间的推移，金属箔板的应力确实在逐渐减小，一部分原因使由于温度在逐渐降低，主要原因就是材料的收缩，导致内部应力重新分布逐渐减小。同时b、d节点处的应力较小，可以推测其所在区域的可能发生的变形较小；同理可得另外三个节点所在区域的可能发生的变形较大，这与图4.1（b）（c）厚度曲线反应的结果相符合，也映证了4.2.1的推测。由于a、c、e节点所在区域发生的变形较大，应力也较大，因此这三个节点所在区域的容易产生内部起皱、外部拉裂，如果箔板出现断裂现象也最有可能发生在这三个区域，因此在实际实验时，应当注意对这三个区域工艺的改进。工艺参数的影响电流大小对成形性能的影响辊压成形实验时，通过脉冲电流发生器对金属箔材施加脉冲电流进行加热，因此电流大小仿真最直观的影响就是箔材通电后的温度高低。通入的电流密度大小为2.75A/mm2时，金属箔板经过热电耦合后达到的最高温度为706.9℃；电流密度大小为2.9A/mm2（a）2.75A/mm（b）2.9A/mm（c）3.05A/mm图4.9温度场云图随着电流大小的增大，金属箔材的温度会逐渐升高，金属箔板的变形抵抗力逐渐降低，弹性模量会降低，箔板会变得非常的软，辊压过程会变得比较轻松。由于仿真过程采用的是顺序间接耦合的方式进行仿真，后一步的物理场不会对前一步的物理场产生影响，因此电流大小对成形性能的影响可以和温度一起研究。温度对成形性能的影响GH4099材料作为高温合金，温度会对材料的性能产生很大的影响，根据表3.1和表3.2可以看出，温度相差100℃时，材料的塑性性能和弹性性能会发生很大的变化。因此辊压成形过程中通电时的温度的变化对最终成形效果影响很大，结合通电的热电耦合仿真结果，可以将温度设置为700℃、800℃、900℃三组温度进行仿真，根据结果观察温度具体的影响方式。改变初始温度后，进行单次热力耦合辊压成形的仿真，观察其结果，作出了三组不同初始温度下箔板成形后的厚度变化，如图4.10所示。根据图像可以看出，900℃的金属箔板变形区域相比较800℃和700℃更靠前一点，且变形最大值与最小值之间的差值最小。可见，温度比较高时，箔板比较软，比较容易成形，当凸模运动到与箔板接触时，箔板受到模具的挤压后，由于自身比较软，就可以达到较好的成形效果。由于900℃整体变形相对于其他温度较小，所以箔板辊压后，各个区域的厚度分布比较均匀，因此900℃辊压后得到的箔板的性能要比另外两组温度好，厚度分布均匀，同样的工作环境下，900℃辊压的结果出现起皱、拉裂、折断等现象的几率最小。图4.10三组不同温度成形厚度为了观察对比两个齿之间的区别，将箔板进行分段展示厚度，如图4.11所示。（a）第一个齿三组不同温度成形厚度（b）第二个齿三组不同温度成形厚度图4.11两个齿在三组不同温度成形厚度根据图像可以看出，第二个齿的成形厚度要比第一个齿厚，这最主要的原因还是因为温度的降低导致的，结合图像4.4给出的辊压过程中，箔板内温度的分布和温度的变化趋势可以比较好的解释这种结果。当凸模开始对第二个齿进行辊压时，温度已经降低了很多，虽然这时第二齿所在区域的箔板温度在那个时间段是比较高的，但是相对于初始阶段仍然下降了很多。虽然温度下降了很多，但是初始温度为900℃的滚压结果仍然是最后的，因此在高温合金的辊压成形时，要根据材料的性能范围内尽可能的在高温条件下进行辊压成形。图4.12恒温调节不同温度的成形厚度由于热电耦合时，周围环境温度是会改变的，箔板会向周围环境散热，环境温度升高后也会对成形产生影响。因此为了研究材料的温度这一单一变量对成形的影响，进行了一组恒温调节下、不同温度的箔材辊压成形的仿真，成型后的箔材的厚度如图4.12所示。根据图像可以看出，相比较热力耦合条件下的成形，恒温调节下，700℃、800℃、900℃的温度下，箔板几乎在同一位置进行变形，相同文职的变形趋势也相同，但是900℃的厚度差依旧最小，成形结果依旧最好，与热力耦合的结果相同。图4.13实际辊压成形结果因此在使用高温合金进行实际辊压实验时，因尽量保持材料的温度在一个高温条件，尽量减少热量的散失。如图4.13为在900℃和1000℃两个温度下实际电辅助辊压成形后得到的金属箔板。从辊压过程来看，初始温度为1000℃的条件下，辊压过程更轻松，金属箔板更容易成形。从辊压结果来看，初始温度为1000℃的条件下的金属箔板成形效果更好，成形更均匀，变形更完全。速度对成形性能的影响辊压速度是辊压过程中，凸模（齿轮）转动的角速度和凹模（齿条板）水平移动的线速度，在进行速度设置时，要保证在运动过程中，凸凹模模具的啮合。辊压成形时，模具保持不变时，辊压的速度是由电机的转速决定的。在进行有限元仿真时，速度直接在凸凹模上设置。实际实验和生产中，辊压速度的高低对成形效果和生产率都会产生较大的影响。速度如果太低，不仅生产效率比较低，凸模的滚动就相当于是滑动，对箔板的成形就变成挤压成形；速度如果太高，虽然辊压效率很高，但是成形后的箔板的塑性变形不彻底，成形效果差，加工质量低。为了研究速度对成形性能的影响，且防止由于速度较慢导致辊压开始时热量散失较多、温度下降过多，造成温度因素对实验结果造成干扰，实验在同一温度且为恒温调节下设置了三个不同的速度进行观察，仿真得到的三个速度条件下成形后箔板