ANSYS/LS-DYNA的空拔鋼管有限元分析

2013-08-09 by:FEA培訓(xùn)中心來源:仿真在線

空拔鋼管過程由于能夠有效靈活地縮減鋼管直徑,獲得所需的機(jī)械性能,因而在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。目前以實(shí)驗(yàn)分析為主的研究成果一直用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)[1][2]。許多理論研究都將復(fù)雜的三維變形簡化為軸對稱變形[3][4],對其變形過程與機(jī)理仍然缺乏系統(tǒng)深入地認(rèn)識,導(dǎo)致生產(chǎn)中出現(xiàn)鋼管縱裂、表面橫裂和模具磨損嚴(yán)重等問題分析不夠。本文應(yīng)用ANSYS軟件的LS-DYNA(顯式動力分析)模塊建立了三維空拔鋼管有限元模型,動態(tài)模擬了鋼管空拔過程,得到了各種場量的分布及工藝參數(shù)對拔制力的影響,進(jìn)而分析了生產(chǎn)中常見問題的成因,并為模具和拔管優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠的理論依據(jù)。

1 分析模型的建立

1.1 基本原理
空拔鋼管是一個既有接觸非線性,又有幾何非線性和邊界非線性的多重非線性相互耦合問題,鋼管和模具的幾何模型如圖1所示,其變形區(qū)分為減徑區(qū)和定徑區(qū)兩部分,在拔制力的作用下鋼管和模具接觸,鋼管在軸向伸長的同時(shí)產(chǎn)生徑向收縮,進(jìn)入定徑區(qū)后鋼管產(chǎn)生彈性恢復(fù)。

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圖1鋼管和模具的幾何模型

    式中 [M]——整體質(zhì)量矩陣;
    [C]——整體阻尼矩陣;
    {P}——外力節(jié)點(diǎn)力矩陣;
    {F}——由內(nèi)應(yīng)力計(jì)算的整體節(jié)點(diǎn)力矩陣;
    ——為整體節(jié)點(diǎn)加速度矩陣;
    ——整體節(jié)點(diǎn)速度矩陣。

式(1)通常有隱式和顯式兩種解法,本文采用了ANSYS軟件的LS-DYNA模塊所提供的顯式解法[5]。

1.2 空拔鋼管有限元模型的建立
鋼管和模具幾何上是繞同一軸線的回轉(zhuǎn)體,利用ANSYS前處理器很容易建立起鋼管和模具的三維實(shí)體模型。選用具有顯式分析功能的SOLID164單元對實(shí)體模型劃分網(wǎng)格,為得到較為規(guī)則的網(wǎng)格分布,本文采用了映射分網(wǎng)技術(shù)(Mapped mesh),分網(wǎng)后鋼管和模具的有限元模型如圖2所示。

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圖2 鋼管和模具的有限元模型(Mapped mesh)

單元屬性的定義包括單元類型(TYPE)、實(shí)常數(shù)(REAL)和材料模型(MAT),在網(wǎng)格劃分前分別定義了模具和鋼管的單元屬性,這樣模具和鋼管就可以分別用PART1和PART2標(biāo)識以進(jìn)行接觸分析,接觸邊界通過設(shè)置接觸類型和摩擦系數(shù)靠PART1、PART2自動識別。

為了加快計(jì)算速度,模具按照剛體處理,鋼管材料根據(jù)試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線用多線性隨動強(qiáng)化模型來近似,如圖3所示。

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圖3鋼管材料模型(多線性隨動強(qiáng)化)

1.3 邊界條件和載荷的定義
鋼管與模具的接觸類型設(shè)置為面面接觸(ASTS),用EDMP命令限制模具的平移和轉(zhuǎn)動。選取鋼管上所有節(jié)點(diǎn),將其建立為component塊,在其上施加初速度。為了達(dá)到計(jì)算的收斂性,加載方式選擇為在鋼管端面上施加一段位移來代替實(shí)際的拉拔力,該位移在保證鋼管被穩(wěn)定地拉出一部分的前提下,數(shù)值不宜過大,這樣可以縮短計(jì)算時(shí)間。通過位移與時(shí)間的匹配來實(shí)現(xiàn)拉拔速度的設(shè)定:首先將時(shí)間和位移設(shè)為數(shù)組形式,然后用EDLOAD命令來定義對應(yīng)時(shí)間上的位移數(shù)值。

2 建模與分析示例
取一段材料為20B的鋼管,拔前入口直徑為51mm,壁厚為3.39mm;?？字睆綖?2mm,摩擦系數(shù)為0.25,錐角為13°,利用ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行模擬。

2.1鋼管的變形過程分析

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圖4 鋼管在拔制過程中軸向變形分布

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圖5 空拔鋼管的縮徑現(xiàn)象

圖4為鋼管在拔制過程中軸向變形分布,能夠看出,鋼管軸向變形的分布規(guī)律為:從左端(拔制力作用端)到定徑帶變形量從絕對值來看是均勻減小,從定徑帶到入口變形量基本不變,但仍小于定徑帶處的變形量。在圖4中最大軸向變形發(fā)生在拔制力作用的左端,其數(shù)值為-32.518mm(“-”表示方向向左),最小軸向變形發(fā)生在鋼管的入口區(qū),其數(shù)值為-25.538mm。圖5為軸截面上的模型剖視圖(在定徑帶部位放大),從圖中可以看到成型后的鋼管直徑比定徑帶尺寸略小(定徑帶直徑與拔后鋼管直徑相差1.4828mm),從理論上驗(yàn)證了實(shí)際生產(chǎn)中的空拔鋼管縮徑現(xiàn)象。

2.2 鋼管應(yīng)力分布

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圖6鋼管軸向應(yīng)力分布

在空拔鋼管過程中由于鋼管內(nèi)表面沒有約束作用,處于自由狀態(tài),而鋼管的外表面則與模具相接觸,它承受了比內(nèi)表面更高的縱向流動阻力,導(dǎo)致鋼管斷面上金屬縱向流動不均勻[6]。從圖6可見,拔制方向的軸向應(yīng)力沿著鋼管壁厚呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài),外表面為強(qiáng)拉應(yīng)力區(qū),內(nèi)表面為強(qiáng)壓應(yīng)力區(qū),最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在鋼管的外表面,最大壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在鋼管的內(nèi)表面。當(dāng)最大拉應(yīng)力超過臨界值時(shí),鋼管的外表面材料將發(fā)生破壞,這是實(shí)際生產(chǎn)中鋼管橫向裂紋主要產(chǎn)生于外表面的原因。

2.3 拔制過程中拔制力的變化情況

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圖7拔制力的變化情況

通過計(jì)算可得,拔制力隨拔制過程的變化如圖7所示,我們將其分為三個階段:

起始階段隨著鋼管逐漸與模具發(fā)生接觸,拔制力逐漸增大,對應(yīng)圖7中曲線開始時(shí)的拔制力(絕對值)隨時(shí)間快速增大的區(qū)段;

流動階段在鋼管與模具基本上完全接觸后,金屬進(jìn)入一種非穩(wěn)態(tài)的流動階段,此時(shí)由于金屬流動,拔制力迅速減小,同時(shí)由于流動方向的不確定性拔制力快速變化,對應(yīng)圖7中曲線的抖動區(qū)段;

穩(wěn)定階段隨著拔制過程的深入,金屬的流動漸趨穩(wěn)定,拔制力不再發(fā)生變化,對應(yīng)圖7中曲線的平直區(qū)段。

3 工藝參數(shù)對拔制力的影響分析
3.1 模錐角對拔制力的影響

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圖8 拔制力隨模錐角的變化

模錐角α對拔制力的影響與兩個作用相反的因素有關(guān),第一個因素為:α增加,變形區(qū)長度減小,摩擦面減小,導(dǎo)致正壓力及相應(yīng)的摩擦力減小,拔制力降低;第二個因素為:α增加,正壓力水平方向分力增加,同時(shí)拔制時(shí)在入口處鋼管附加彎曲變形的程度加大,導(dǎo)致拔制力增加。當(dāng)α比較小時(shí),第一因素所起的作用是主要的,α增大到一定之后,第二因素起主要作用,試驗(yàn)表明,存在一個最佳角度范圍,這時(shí)拔制力最小[7]。本文的模擬結(jié)果也證明了這一規(guī)律,圖8則是在計(jì)算了不同模錐角α與拔制力關(guān)系的基礎(chǔ)上描繪的曲線,可以看到,模錐角在14°時(shí)拔制力是最小的。該結(jié)論為模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

3.2 摩擦系數(shù)對拔制力的影響
圖9為摩擦系數(shù)與拔制力之間的關(guān)系,隨著摩擦系數(shù)的增加,拔制力線性增大,因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中有必要通過提高模具內(nèi)錐面的加工質(zhì)量、采取可靠的潤滑等措施,來減小摩擦系數(shù),以降低拔制力。

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