基于ANSYS软件的挤压过程的数值模拟.pdf

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1、esearch基于ANSYS软件的挤压过程的数值模拟(1．海装舰船办，北京100071；2．中国船舶重工集团公司第704研究所，上海200031)●张晓东邱旭赵永杰挤J矗是使坯料在挤压筒中受强大的压力作用而变形的一种蓖要的金属成形J：艺。它作为一种高效、优质、低消耗的精密成形技术，在金属材料的塑性成形区域得到了迅速发展和广泛的应用，但是目前挤压’r艺的确定丰要依靠实践经验，随着技术的发展，要求j_=艺确定由经验化逐步发展到理论化，定量化，与传统的成形工艺相比，现代挤压加工技术对坯料以及材料流动规律等方面要求更高，所以

2、采用基于经验的殴计方法已经不能满足实际需要⋯。因此，采用数值模拟对挤压过程进行研究就显得十分必要。随着计算机水平提高和计算力学的不断发展．借助有限元方法进行数值模拟得到了很快发展．通过有限元模拟，可以深入了解金属塑性加『’中的材判成形机缸预测工艺缺陷等．分析金属流动的复杂规律。从而捉产品开发和模具设计的时间，也aT以节省由于反复试而带来的大量费川81。国内外已有一些学者对挤胍】』的数值模拟进行了研究”圳。但上述研究都是单独丹村I压过程中挤压坏料的戍力状态或挤压模具的结构优化而挤压过程中同时考虑坯料和模具之问的接触分析

3、尚发现有成熟的理论。本文借助ANSYS软件对坯料和模具接触的挤肚j』进行探索性仿真研究，从理论上计算坯料和模H的J”，状态，并分析摩擦系数对挤压过程中应力分布的oE响规律．研究结果对挤压工艺的制定及模具结{{fJt)Ut工作都有非常重要的指导意义。1ANSYS接触分析理论挤压过程属于状态非线性大变形接触问题。在金属翅性成形过程中，材料塑性变形的物理过程相当复杂。对塑性材料的基本假设如下”1：忽略变形材料的弹性变形；材料均质．各向同性；材料体积不变：不计体力和惯性力；材料流动变形服从Levy-Mises方程。当塑性材料

4、发生塑性变形时，应满足诸如平衡微分方程、速度-应变速率关系方程、Levy-Mises应力应变速率方程、Mises屈服准则及体积不变压缩条件等基本方程，方程的具体表达式参考文献【5】。ANSYS软件支持三种接触方式：』1．点．点-面，面．面，每瓢接触方式使用的接触单元适用于特定的问题。为了给接触问题建模，首先必须考虑模型中相互接触的状态，如果川互作用的是点，，、丑的对应接触组元是结点。如果相互作用的是面，模型的对应接触组元是单几。有限元模型通过指定的接触单元来识别可能的接触匹对。接触分析的步骤如图1中框图所示。__■_

5、■___÷■■___。_]’‘--一‘暑=若l二．．二二．二．1图1ANSYS接触分析流程图接触分析的问题一般都需要考虑摩擦中的非线性，摩擦使问题的收敛性变得困难，在金属挤压塑性成形数值模拟中的摩擦边界条件定义为：r，=争醑粤锄u1其中，o-为接触面的法向应力．卢为接触表面的摩擦系数，同时还要满足力边界和面边界条件。2工程实例模型为检验分析计算模型的有效性，以工程中的一个实例进行分析计算。图2所示为金属挤压坯料和挤压模具结构示意图【6】。主要包括坯料和模具，工作带长度为3mm，坯料直径为20mm，模具高度20ram，

6、模具角度为15。、挤压比为2。模具材料参数：弹性模量220GPa．泊松比为03。坯料材料参数：弹性模量为69GPa，泊松比为0．26。坯料和模具之间的摩擦系数为0．1，坯料的应力应变关系可用下式来表示：f口：69000F6<0．01(2){仃=690+170(s一0．叭)0．们sFsl．01【口：860s>1．01图2挤压坯料和模具结构示意图在分析过程中根据轴对称性，选择坯料和模具纵截面的一半建立有限元模型，在涉及两个边界的的接触问题中，挤压过程属于面一面接触，因此需要建立刚体一柔体的面一面接触单元，刚性面被当作目标

7、面．柔性体的表7『、日杯早兀界j一71、债删旱兀叫作一程序可通过一个共享的实常数号来白化的几何模型．图3示出了建立的。采用四边形结构网格进行网格划各如图4所示。整个分析过程中认为2012／01船舶机电设备75栉且不枯牛蜩桦啻形esearch图3挤压几何模型图4挤压后的网格变形图3计算结果分析x1挤脉过程的心力舒析图5是挤压变形后轴向应力的计算结果，图中负值表示压应力。从图中可以看出，坯料与模具接触面上的轴向应力从进口到出口逐渐由负值变为正值，即由压应力逐渐过渡为拉应力。沿着坯料中心线在挤压进口与出口之间轴向应力存在一

8、个明显的拉应力区域，这主要是由于坯料直径变小拉长而产生的。在挤压过程中，由于模具表面接触摩擦力的作用，中心部位金属的流动速度明显快于表层，造成挤压工件的项部平面不平整。▲L，}、Il图5挤j矗轴向成力分布图同时，在坯料挤压成形后，工件内还存在一定的残余应力，当具有残余应力的挤压什承受载荷时，易于产生变形或裂纹，从而缩短其使用焉地方法来消除残余应