锻造工艺模拟及工艺CAD

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-06-27 原文发表:2007-06-27 人气:1

本文章共4463字，分3页，当前第1页，快速翻页：

1．概述

将锻坯作为变形体，金属成形过程就是一个由变化的温度场和微观组织场耦合的变形过程。这一过程可由一组微分方程来描述。这组微分方程包括：应力平衡方程，描述应变～位移／应变率～速度关系的几何方程，描述材料应力～应变、应变率、温度、微观组织关系的本构方程。描述微观组织变化与温度、应力、应变、应变率及其他类型微观组织变化关系的微观组织演化方程，以及变形体的一组力学和热学边界条件和包括初始微观组织在内的初始条件。金属成形工艺过程的有限元模拟实质上就是在已知工件坯料几何形状、边界条件、初始条件及工件材料的所有一切参数的条件下用有限元方法求解这一组微分方程。通常以变形体的节点速度和温度为求解变量。考虑成形过程中的某一时刻、当变形体的速度场和温度场解出以后，通过积分可以得到变形体的位移场及变形体现时的各点坐标。据此由几何方程可进一步计算出变形体的应变率。应变：再用材料的本构方程由初始微观组织、温度、应变、应变率计算出应力；用微观组织的演化方程由初始微观组织、应变、应变率和应力计算出现时的微观组织变化。由边界的应力可以求得模具所受到的压力以及所需要的压机载荷。如果计算中将模具和锻件坯料都算作变形体，则模具的温度和变形可同时求得。如果在计算中加进去材料的破坏准则，在计算应力和应变时可以用破坏准则去判断现时的应力应变是否达到了破坏的程度以及发生何种破坏。对于模锻，在合模后由工件的坐标和模具的位置可以知道是否有模具未充满和折叠缺陷。可见，锻造工艺有限元模拟分为两步：①用户输入要模拟的对象：工件模具的几何信息材料参数初始状态和边界条件，②模拟软件根据所输入的数据求解微分方程组，计算出所需要的各种物理量，并将这些计算结果输出给用户。这就是说锻造工艺模拟可以在不作任何试验的情况下就能使技术人员知道他所设计的工艺、模具和锻件坯料是否合理，如果不合理，他可以修改设计重新输人数据再模拟一次直到设计满意为止。后者就是锻造工艺CAD。可以看出，应用这项技术可以最大限度地减少试验次数，使工艺优化和新产品试制降低成本、缩短周期。

当然，这一切是建立在模拟软件和计算机硬件均为理想的情况下。但是现时的情况并不理想：在硬件上，计算机的内存不够大，计算速度不够快。在软件上由于相关学科发展的限制，与具体材料有关的方程还不能完全精确地描述材料变化的实际过程。软件所设定的接触的边界条件也还不能完全精确地描述工件与模具之间实际发生的物理变化。由于实际工况的复杂性及现实试验条件的限制，用户所输人的数据，特别是材料数据和接触边界数据，也会与实际情况有差别。另外为了适应现在计算机的速度和内存的限制，实际计算中引入了一些必要的简化。这一切都是造成模拟结果与实际锻造工艺有一定误差的原因。当然，经过科研人员的多年的努力，在很多情况下这个误差在工业上是可以接受的，至少目前的模拟已经可以给出正确的趋势性判断。正因为如此，锻造工艺模拟及工艺CAD技术已被工业界所接受商业化软件的出现使这种技术的工业应用发展更加迅速。
为了使这项技术更大地发挥作用，人们以提高模拟精度、计算速度和节省计算内存为目的的研究取得了很大的进展。

2．锻造工艺模拟技术的研究进展

1．关于材料的本构关系。
当有限元算法确定后，模拟软件中所使用的材料本构关系与实际模拟的材料的真实性能的差别大小就是影响模拟精度的关键因素。在金属成形模拟软件中通常使用传统的弹塑性或刚塑性本构关系。大多数软件都考虑了有限变形影响，这对实际变形很大的金属成形过程是十分必要的。弹塑性模型计算精确，但由于要判断屈服和卸载加大了计算量。刚塑性模型相对计算简单但不能模拟回弹过程。在这些模型中通常只考虑应变硬化。至多考虑了动态回复，因此能满足冷锻和温锻工艺模拟的常规要求。但是对于那些成形过程中伴随有微观组织变化的情况（如热锻、超塑性成形）使用这种传统的本构关系便会产生很大的误差。例如热推锻中动态再结晶的发生将引起应力软化，因此使用传统的本构关系模拟热锻甚至会引起计算出的应力变化趋势错误。在这种情况下由于微观组织与宏观变形产生强烈的耦合。必须使用考虑微观组织与宏观变形耦合的本构关系，并要给出微观组织的演化方程。近年来这方面的研究取得了明显的进展。例如，为了准确模拟热锻中的应力并预报其中的微观组织变化，德国Aachen大学的R.Kopp教授及其合作者将动态再结晶过程和晶粒长大过程用一组经验方程描述并插入到有限元程序中成功模拟了高温镦粗试样的晶粒度变化。长期以来，可用于金属热变形有限元模拟的考虑微观组织变化的本构理论研究始终没有进展。90年代初，北京机电研究所的研究人员应用不可逆热力学的内变量理论和细观力学的方法根据材料科学给出的微观组织变化的机理分别建立了考虑三种变形机理和多种微观组织变化的超塑性本构关系以及专门针对热锻变形的考虑动态再结晶过程的热粘塑性本构关系。后者已被插入到有限元软件中，多个算例均得到计算与实验相符合的满意结果。目前进一步的研究工作仍在进行。

本文章更多内容：1 - 2 - 3 - 下一页

本页地址

• 全液压短行程模锻锤在未来锻造工业中的应用