有限元分析在金屬塑性成形中的應(yīng)用

有限元分析在金屬塑性成形中的應(yīng)用

近十年來，金元法在金屬塑料薄膜加工中得到了廣泛應(yīng)用。因為數(shù)值模擬技術(shù)可以幫助人們預(yù)測鍛壓加工的結(jié)果,有助于提高生產(chǎn)率,降低成本。另外,目前還沒有一種其他方法可以取代有限元法對金屬塑性成形過程給出與實際比較吻合的數(shù)值解。在生產(chǎn)用于石油輸送的管道,需要對碳鋼平面板料的不同部位進(jìn)行沖彎,以形成單縫管,最后進(jìn)行焊接,使之成為完整的管道。傳統(tǒng)上采用樣品試制的方式進(jìn)行折彎加工。由于這種辦法需要對板料進(jìn)行多次試驗性加工以獲取加工參數(shù),一旦試制樣品不合格,需要更換板料,重新加工,這樣就導(dǎo)致了費(fèi)用偏高,試制周期長等弊端,而且對于新產(chǎn)品的開發(fā)有很大的限制?，F(xiàn)在,國外大多采用有限元分析的方法,對沖壓時的應(yīng)力場、應(yīng)變場(包括彈性與塑性應(yīng)變)、板料成形過程進(jìn)行動態(tài)分析與優(yōu)化設(shè)計,計算殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)變,改變以往僅憑經(jīng)驗和試制的模式,為保證成形件的質(zhì)量、選擇成形設(shè)備、制定合理的成形工藝、改善模具受力和提高模具壽命提供可靠的依據(jù)。筆者應(yīng)用有限元分析在平面應(yīng)變條件下的板料折彎,并對利用有限元解決這個問題時需要注意的4個方面進(jìn)行了闡述,經(jīng)過與試驗數(shù)據(jù)的比較,為以后分析板料在其他條件下的應(yīng)力應(yīng)變提供經(jīng)驗。1影響結(jié)果的關(guān)鍵因素ANSYS進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中,影響結(jié)果的4個關(guān)鍵因素是:幾何模型的建立;變形過程中的非線性問題的處理;接觸問題以及載荷等問題的處理。1.1彎力加載應(yīng)用有限元進(jìn)行數(shù)值模擬計算板料沖壓過程,計算中建模的幾何參數(shù)V、P1、P2與試驗時的參數(shù)保持一致,計算中按照試驗折彎力加載(見表1)。圖1是采用有限元分析計算時的幾何模型圖,圖2是一次計算后的計算結(jié)果的應(yīng)變云圖。對于同一個鍛壓大變形的實體,可以采用不同的幾何模型進(jìn)行描述,具有代表性的2種方法即2-D截面法和3-D實體模型法。這2種方法在理論上被證明是合理可行的。在建模的時候既要遵循盡量簡化的原則,還要根據(jù)實際需要,適當(dāng)考慮計算結(jié)果的精確性和仿真的準(zhǔn)確性。1.2局部剛度向非局部剛度的轉(zhuǎn)換由于一個結(jié)構(gòu)的總剛度依賴于其組成部分的方向單元剛度,如果該單元的趨向改變,則它的局部剛度轉(zhuǎn)化到全局部件的剛度。在文中的大應(yīng)變分析中,考慮由單元趨向改變導(dǎo)致剛度改變,故在大變形應(yīng)變分析中需要迭代求解得到正確的位移,在具體處理中采取了NLGEON,ON來激活大應(yīng)變效應(yīng)。1.3摩擦接觸單元的確定當(dāng)兩個物體相接觸時,為滿足接觸邊界不互相過分滲透,要在垂直于目標(biāo)面的方向施加一個適當(dāng)?shù)牧?使?jié)B透深度在規(guī)定的容差范圍之內(nèi)。當(dāng)采用罰函數(shù)與拉格朗日乘子組合法時fn=min(0,Kng+λi+1)fn=min(0,Κng+λi+1)式中,Kn為接觸剛度,即懲罰因子;g為滲透深度;λi+1為第i+1步迭代時的拉格朗日乘子;λi+1=λi+αKng|g|≥ελi+1=λi|g|<ε;ε為相容性容差;α為內(nèi)部的計算因子(α<1)。在產(chǎn)生接觸單元時,可以在單元屬性中指定接觸剛度及相容性差的大小,從而控制接觸面之間的滲透深度。接觸剛度的取值對計算影響很大,太小會使得接觸邊界過分滲透,造成計算結(jié)果失真,而太大則計算時收斂困難。為了滿足力的相容性,必須在目標(biāo)面的切向施加一個摩擦力。摩擦力的計算與選擇的摩擦類型有關(guān):fs<Ffs′為粘著摩擦,fs=fs′為滑動摩擦;fs′為庫侖摩擦模型的粘滯極限值,fs′=-μfn;F為靜/動態(tài)摩擦因子。摩擦系數(shù)可由接觸體的材料屬性來給定,而摩擦類型及靜/動態(tài)摩擦因子可在產(chǎn)生接觸單元時作為單元屬性來指定。接觸對中REALCONSTANT的9個實常數(shù)的設(shè)置很重要,應(yīng)該從實際生產(chǎn)的過程中摸索出合適的定義值,限于經(jīng)驗與理論水平,操作過程采用的參數(shù)結(jié)合了一些理論文獻(xiàn),并進(jìn)行了篩選比較。1.4以適應(yīng)載荷步為條件修改剛度矩陣載荷處理中需要定義分析類型和選項,指定載荷步選項,在非線性分析中需要設(shè)定多個載荷增量,而且需要進(jìn)行多次平衡迭代,以適應(yīng)載荷步的方式修改剛度矩陣,應(yīng)在牛頓-拉費(fèi)遜選項中選擇NROPT,ANTO將自動激活自適應(yīng)下降而確保迭代保持穩(wěn)定,提高程序獲得收斂解的能力。以上4個方面在進(jìn)行有限元分析計算時應(yīng)該注意。當(dāng)然還有其他一些方面,例如單元的選擇、網(wǎng)格的細(xì)化等等,就不贅言了。經(jīng)過對沖壓過程的6次有限元計算,得到計算結(jié)果如表1所示。2記錄和分析方法試驗采用龍門式壓力校平機(jī),試驗用16Mn,60mm×700mm×1000mm板材。其試驗裝置如圖3所示。將板料放置于模具上,分別測量和記錄折彎角為170°、155°、140°附近時板料內(nèi)半徑。記錄得到數(shù)據(jù)如表2所示(實驗數(shù)據(jù)在黃石鍛壓機(jī)床廠試驗獲取,V、P1、P2數(shù)據(jù)已知,其余為記錄所得)。為了與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和尋找一般性的規(guī)律,將試驗數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)繪制成關(guān)系曲線圖的形式。彎曲半徑R與折彎角度α的關(guān)系曲線如圖4所示,折彎力P與折彎角度α的關(guān)系如圖5所示。受到試驗條件及測量方法的限制,試驗所得數(shù)據(jù)值存在一定誤差,但是仍然在允許范圍之內(nèi),因此能起驗證有限元計算數(shù)據(jù)的作用。3有一定差距的其他體因素從關(guān)系曲線圖上比較計算結(jié)果和試驗結(jié)果,可以看到:1)在大部分區(qū)域,特別是折彎角比較大的區(qū)域,它們比較吻合。2)在局部區(qū)域上,尤其是折彎角較小的區(qū)域,存在一定的差距,即計算折彎角明顯偏小,折彎半徑明顯偏大。3)計算折彎角小于試驗值,計算半徑大于試驗值。這是由于材料在理論計算和實際加工過程中一些具體因素有一定差距,例如摩擦,回彈等。通過上面結(jié)果比較,仔細(xì)分析計算過程,發(fā)現(xiàn)能夠做到計算結(jié)果與試驗結(jié)果一定程度的一致,關(guān)鍵是較好的處理了幾個方面:1)將應(yīng)用這2種方法所得的計算值與實踐生產(chǎn)中的經(jīng)驗值相對照,發(fā)現(xiàn)3-D實體模型與實際更吻合。2)文中的大應(yīng)變分析中考慮由單元趨向改變導(dǎo)致剛度改變,故在大應(yīng)變分析中需要迭代求解來得到正確位移,具體處理采用了NLGEON,ON命令來激活大應(yīng)變。3)ANSYS給出接觸剛度的選擇范圍是:Kn=0.01～100EL,E、L為接觸材料的彈性模量和特征長度。盡管ANSYS給出的推薦值范圍很大,由于收斂性及計算精度對選值十分敏感,計算中進(jìn)行了認(rèn)真比較選取。4)進(jìn)行計算的過程中,注意到了載荷步的修改,以步長低于5%的加載方式進(jìn)行累加。比較后可以看出取得了較好的效果,獲得了較好的收斂解。上述算例是以ANSYS軟件為工作平臺,對折彎過程進(jìn)行了建模和分析。將計算值與實際試驗結(jié)果比較發(fā)現(xiàn),合理處理前面所述的4個方面,可以有效的提高計算精確程度,提高分析計算效率。4有限元模型分析的可行性有限元分析計算能夠在一定程度上替代折彎試驗,提供有效的參考數(shù)據(jù)。雖