ANSYS斜端面組合凹模CAE分析

2013-08-14 by:廣州Ansys中心來源:仿真在線

ANSYS斜端面組合凹模CAE分析

1 前言

金屬冷擠壓成形就是在室溫下以強大的壓力和一定速度把放入模腔里的金屬坯料擠出,獲得所需零件的過程。凹模是擠壓模具的關(guān)鍵部件,金屬冷擠壓時模具受到的單位擠壓力很大,目前工程上常采用預(yù)應(yīng)力組合凹模來提高模具承載能力。很多學(xué)者在預(yù)應(yīng)力組合凹模研究方面已做了不少有益的工作,工藝革新持續(xù)不斷,模具新鋼種推陳出新,新型結(jié)構(gòu)也相繼出現(xiàn)。但其所做工作均是針對平端面組合凹模的,在斜端面凹模研究方面涉及甚少。本文旨在通過平端面組合凹模和斜端面組合凹模對比分析來研究斜端面組合凹模應(yīng)力規(guī)律,指出在其他條件相同的情況下,采用斜端面組合凹模能提高其承載能力。

2 組合凹模參數(shù)化模型的確定

這里以自行車倒牙鋼碗(三層組合凹模)為例進行研究,已知參數(shù)有:承受內(nèi)壓Pi=1609MPa,凹模內(nèi)直徑d1=40mm,內(nèi)層凹模材料W6Mo5Cr4V2,許用應(yīng)力[σ1]=2400MPa、預(yù)應(yīng)力圈材料30CrMnSi,許用應(yīng)力[σ2]=[σ3]=900MPa,彈性模量E=2.1x10*5MPa,泊松比r=0.3。根據(jù)結(jié)構(gòu)等強度優(yōu)化理論,利用拉美公式優(yōu)化得出凹模各層尺寸及層間過盈量的大小。

根據(jù)以上參數(shù),本文基于通用有限元軟件ANSYS建立了包含組合凹模端面傾角α在內(nèi)的參數(shù)化軸對稱有限元模型在其內(nèi)層與中層、外層與外層之間分別建立了面面接觸的接觸對,使用增廣拉格朗日法施加接觸協(xié)調(diào)條件。

3 平端而組介凹模有限元分析

預(yù)緊狀態(tài)是凹模未受工作內(nèi)壓作用時的狀態(tài),即預(yù)應(yīng)力狀態(tài);合成狀態(tài)是凹模工作時受預(yù)應(yīng)力和工作內(nèi)壓聯(lián)合作用的狀態(tài)。平端面組合凹模預(yù)緊與合成兩種狀態(tài)下各層變形量與應(yīng)力情況。

3 預(yù)緊時組合凹模的變形位移及應(yīng)力

從表2可以看出,預(yù)應(yīng)力對內(nèi)層凹模的壓縮作用是它產(chǎn)生-X方向位移的原因,其變形最大位移出現(xiàn)在內(nèi)層凹模外壁處;中間層的內(nèi)壁受到擴張的力,而外壁受到壓縮的力,故其位移從內(nèi)壁到外壁逐漸從0.037511mm過渡到-0.007624mm;外層凹模的受力相當(dāng)于只受內(nèi)壓的厚壁圓筒,它的徑向位移沿著+X方向,最大值在外層凹模的內(nèi)壁處.

預(yù)應(yīng)力狀態(tài)下組合凹模徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力,徑向最大壓應(yīng)力的值出現(xiàn)在內(nèi)層外壁與中間層內(nèi)壁接觸處;從最大值處向凹模內(nèi)壁與外壁擴展,其徑向應(yīng)力基本上有逐漸減小的趨勢,直至為零。

預(yù)緊狀態(tài)下組合凹模的切向應(yīng)力出現(xiàn)兩個較大值,其中一個是最大壓應(yīng)力,出現(xiàn)在內(nèi)層凹模內(nèi)壁處;另一個是最大拉應(yīng)力,出現(xiàn)在外層凹模內(nèi)壁處。中間層的切向應(yīng)力自內(nèi)壁到外壁從壓應(yīng)力逐漸過渡到拉應(yīng)力。

上述分析結(jié)果與理論規(guī)律完全吻合,也說明了有限元分析的可靠性。

3.2 合成時組合凹模的變形位移及應(yīng)力

同樣地,從表2可以看出凹模工作時受內(nèi)壓影響,其位移整體向+X方向偏移.凹模位移最大值仍出現(xiàn)在外層的內(nèi)壁處,但就預(yù)緊與合成狀態(tài)的比較來看,凹模內(nèi)壁處的徑向位移由負(fù)變?yōu)檎?且正值達(dá)到0.122043mm,故在模具設(shè)計中應(yīng)考慮內(nèi)壓和預(yù)緊對其整體變形位移的影響,尤其是凹模內(nèi)壁處的變形量,以保證擠壓工件的尺寸精度。

凹模內(nèi)層受內(nèi)壓作用后的應(yīng)力變化較為顯著。內(nèi)層凹模的徑向壓應(yīng)力驟然升高,從-3.361MPa升至-1605MPa;經(jīng)預(yù)應(yīng)力抵消一部分切向應(yīng)力后,組合凹模內(nèi)壁的切向應(yīng)力從壓應(yīng)力-808.374MPa變?yōu)槔瓚?yīng)力785.363MPa。另外中間層內(nèi)壁和外層內(nèi)壁處的切向拉應(yīng)力有顯著升高。

4 斜端面組合凹模有限元分析

本文分別分析了斜端面組合凹模不同端面傾角下,預(yù)緊與合成兩種狀態(tài)的應(yīng)力情況,各應(yīng)力值見表3。為更容易看出端面傾角對凹模應(yīng)力的影響,通過Matlab程序畫出了內(nèi)層凹模隨端面傾角變化的主應(yīng)力差曲線fsinv(α)、軸向應(yīng)力曲線fsy(α)和切向應(yīng)力曲線fsz。

(1) 預(yù)緊狀態(tài)下內(nèi)層凹模存在端面傾角的切向壓應(yīng)力比無端面傾角時大,且隨端面傾角的增加,切向壓應(yīng)力的值不斷增大。這就是說,在相同過盈量的情況下,斜端面組合凹模的預(yù)緊程度比平端面的要高,能夠抵消更多的由工作內(nèi)壓產(chǎn)生的切向拉應(yīng)力。

(2) 合成狀態(tài)下斜端面各層凹模的等效應(yīng)力seqv、主應(yīng)力差sinv、切向應(yīng)力sz均比平端面的小,而其徑向應(yīng)力sx變化不大.

(3) 端面角度在4°~8°時,合成狀態(tài)下內(nèi)層凹模主應(yīng)力差比較小,繼續(xù)增大傾角則主應(yīng)力差增大。

(4) 合成狀態(tài)下切向拉應(yīng)力隨端面角度的增大而減小,但切向應(yīng)力曲線斜率在逐漸減小,繼續(xù)增大端面角度,其切向壓應(yīng)力的值減小幅度不大。

(5) 隨著角度的增加,內(nèi)層凹模有害的軸向拉應(yīng)力在增大。

圖4給出了合成狀態(tài)下5°傾角組合凹模等效應(yīng)力、徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和軸向應(yīng)力的分布云圖。比較圖2和圖4可知,合成狀態(tài)下平端面、斜端面組合凹模應(yīng)力分布有如下特點:

(1) 切向壓應(yīng)力和徑向應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在凹模內(nèi)壁,且內(nèi)層等值線從內(nèi)層向外逐漸減小。

(2) 平端面的應(yīng)力分布為一系列平行的直線。這是因為,組合凹模結(jié)構(gòu)上具有對稱性,且內(nèi)壓在整個高度上是均布的緣故。而與之相對應(yīng)的斜端面的應(yīng)力的等值線也類似于曲線平行,只是在同一徑向位置處,上部等效應(yīng)力、徑向應(yīng)力均比底部小,但最大值也均比平端面的小,尤其是內(nèi)層切向應(yīng)力下降了12%。

(3) 內(nèi)層凹模切向應(yīng)力受端面傾角的影響較為明顯,內(nèi)壁處下端部位為拉應(yīng)力,外壁上部為壓應(yīng)力。

(4) 軸向拉應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在內(nèi)層外壁和中層外壁,而且隨著角度的增大,軸向拉應(yīng)力的值也增大。而較大的軸向拉應(yīng)力是凹模產(chǎn)生橫向裂紋失效的主要因素,因此,凹模端面角度存在一個合適的值。

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學(xué)成才