增量體積成形數(shù)值模擬技術(shù)及其在多道次拔長工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)對鍛件產(chǎn)品精確“控形”和“控性”的目標(biāo),需要對成形工藝方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì),并對成形產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。近幾十年來,以有限元法為代表的數(shù)值模擬技術(shù)和相關(guān)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)都取得了顯著進(jìn)步,從而為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)帶來了巨大機(jī)遇。然而,目前的數(shù)值模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)還不能完全滿足實(shí)現(xiàn)精確“控形”和“控性”的要求。例如對于許多增量體積成形工藝,由于其工序很多而且耗時(shí)很長,導(dǎo)致對工藝方案進(jìn)行完整數(shù)值模擬的成本很高或者并不現(xiàn)實(shí),因而難以采用

2、數(shù)值模擬對工藝方案進(jìn)行完整設(shè)計(jì)。因此,如何提高數(shù)值模擬對于增量體積成形工藝分析的適用性,以及如何將數(shù)值模擬合理地應(yīng)用于成形工藝方案的設(shè)計(jì),仍然是具有重要科學(xué)與工程價(jià)值的問題。本文從金屬體積成形通用數(shù)值模擬技術(shù)、增量體積成形專用數(shù)值模擬技術(shù)、多道次平砧拔長工藝設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面進(jìn)行了研究和探討,對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)并提出了一些新技術(shù)。
　　 提出了針對增量體積成形的預(yù)指定剛性區(qū)自由度縮聚原理,并改進(jìn)了剛粘塑性有限元的非線性迭代算法與待

3、定剛性區(qū)自動(dòng)判別算法。針對增量體積成形的瞬時(shí)局部變形特點(diǎn),根據(jù)剛性區(qū)材料對總能量泛函的貢獻(xiàn)為零以及剛性區(qū)材料僅發(fā)生剛體運(yùn)動(dòng),首次推導(dǎo)了預(yù)指定剛性區(qū)自由度縮聚原理——泛函積分區(qū)域縮減原理與剛性區(qū)節(jié)點(diǎn)自由度凝聚原理,從而降低分析系統(tǒng)的自由度規(guī)模。改進(jìn)了非線性剛粘塑性有限元方程組的直接迭代解法與牛頓-拉夫森迭代解法,以提高迭代收斂的穩(wěn)健性。改進(jìn)了待定剛性區(qū)的自動(dòng)判別算法,利用變形歷史信息來不斷更新當(dāng)前參考平均等效應(yīng)變率,從而可以適應(yīng)不同變形條

4、件。
　　 解決了增量體積成形高效穩(wěn)健有限元模擬的關(guān)鍵技術(shù),包括采用兩套網(wǎng)格描述的預(yù)指定剛性區(qū)自由度縮聚技術(shù)、三維動(dòng)態(tài)接觸邊界搜索處理技術(shù)以及離散型流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)插值技術(shù)。針對增量體積成形中變形發(fā)生在局部區(qū)域而傳熱發(fā)生在全部區(qū)域的特點(diǎn),提出了采用“全網(wǎng)格”和“子網(wǎng)格”的描述方法解決分析系統(tǒng)的計(jì)算量問題,其中“全網(wǎng)格”用于計(jì)算整體溫度場,“子網(wǎng)格”用于計(jì)算變形區(qū)速度場。通過預(yù)指定剛性區(qū)自由度縮聚技術(shù)實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)格生成以及兩套網(wǎng)格間運(yùn)動(dòng)映

5、射,從而構(gòu)造了熱力耦合問題的高效分析方法。提出了同時(shí)采用“穿透”判據(jù)和“靠近”判據(jù)的三維動(dòng)態(tài)接觸邊界搜索算法以及考慮特殊“穿透”情形的接觸節(jié)點(diǎn)調(diào)整算法,還提出了離散型流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)的兩種插值方式——簡單分段插值和對數(shù)分段插值。
　　 引入基于柵格法中“表面零厚度單元層”概念,對非結(jié)構(gòu)化與分層六面體網(wǎng)格分別提出了一種自動(dòng)重劃分方法,并改進(jìn)了新舊網(wǎng)格問數(shù)據(jù)傳遞方式。對于非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格,提出了通過在舊網(wǎng)格空間域上直接覆蓋表面零厚度六

6、面體單元層以生成新網(wǎng)格的方法。針對拔長、擴(kuò)孔、徑向鍛造等一類增量體積成形工藝,提出了一種分層六面體網(wǎng)格模型,通過四邊形單元層插入、表面零厚度六面體單元層覆蓋以及后續(xù)的網(wǎng)格平滑處理與邊界擬合等步驟來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量優(yōu)化。在將舊網(wǎng)格單元物理量傳遞至舊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)時(shí),分別采用內(nèi)部邊外插和單元對角外插獲得不同類型邊界節(jié)點(diǎn)的傳遞值。在計(jì)算新網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)在舊網(wǎng)格單元中局部坐標(biāo)時(shí),采用粒子群優(yōu)化算法以提高算法的求解精度和穩(wěn)健性。算例結(jié)果表明,由所提出的非結(jié)構(gòu)化與

7、分層六面體網(wǎng)格重劃分方法生成的新網(wǎng)格具有較好質(zhì)量,且新舊網(wǎng)格間數(shù)據(jù)傳遞具有較高精度。
　　 基于上述原理和技術(shù),開發(fā)了具有自主知識版權(quán)的增量體積成形有限元模擬系統(tǒng)XFORM,并通過數(shù)值算例和物理實(shí)驗(yàn)對該系統(tǒng)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。算例和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明:對于一般金屬體積成形過程模擬,XFORM與商業(yè)有限元軟件DEFORM的計(jì)算精度相當(dāng),且XFORM的迭代收斂速度具有一定優(yōu)勢;將所提出的預(yù)指定剛性區(qū)自由度縮聚技術(shù)應(yīng)用于某正八角形截面坯料

8、多工步拔長的有限元模擬后,計(jì)算效率提高了約62％,且計(jì)算精度并無明顯損失,從而驗(yàn)證了該技術(shù)對于增量體積成形過程模擬的有效性。
　　 基于解析方法與有限元模擬,建立了一套多道次平砧拔長的工藝設(shè)計(jì)流程。首先,提出了一種基于Markov變分原理的平砧拔長壓下過程解析方法。在該方法中,考慮摩擦及剛性端的影響建立了一組變形區(qū)瞬態(tài)動(dòng)可容速度場,并采用增量法對壓下過程進(jìn)行分析。在每個(gè)增量步中,利用Markov變分原理對速度場進(jìn)行求解,并將拉格

9、朗日網(wǎng)格應(yīng)用于數(shù)值積分和變形區(qū)構(gòu)形更新。其次,以上述解析法為基礎(chǔ)提出了一個(gè)多道次平砧拔長的工藝規(guī)劃算法,可以快速生成滿足成形尺寸要求的工藝方案集。然后,以XFORM為核心分析模塊,開發(fā)了多道次平砧拔長的連續(xù)有限元模擬平臺,并且包含了預(yù)指定剛性區(qū)自由度縮聚技術(shù)與分層六面體網(wǎng)格自動(dòng)重劃分技術(shù)。此外,從工藝角度對拔長過程中壓機(jī)與操作機(jī)的動(dòng)作進(jìn)行了分析,并提出了一種描述壓機(jī)與操作機(jī)聯(lián)動(dòng)的代碼,以用于拔長過程的精確控制與自動(dòng)化。利用上述工藝規(guī)劃算