外凸臺內(nèi)齒圈件成形過程數(shù)值模擬效率影響因素正交試驗分析

練毅， 孫美艷， 倪剛

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電系，江蘇揚州225000）

0 引言

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展,有限元技術(shù)在工程設(shè)計和分析中得到了廣泛的應(yīng)用,并構(gòu)成了計算機輔助工程技術(shù)的核心。鍛件的鍛壓成形過程是一個非常復(fù)雜的彈塑性大變形過程，很難用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)關(guān)系式來進行描述［1-2］。采用Deform-3D軟件對大變形生產(chǎn)工序進行模擬分析和優(yōu)化，對鍛件生產(chǎn)能起有效的指導(dǎo)作用。

外凸臺內(nèi)齒圈件主要在汽車發(fā)動機行星減速電機中使用，要求具備抗沖擊、抗疲勞、輕量化和傳遞大扭矩等特性，如圖1。

圖1 外凸臺內(nèi)齒圈件反擠壓試件

為了研究數(shù)值模擬效率，應(yīng)用正交實驗法對本例中的仿真過程進行研究，以凸模在Z軸（運動模具的軸向）所受的載荷為研究指標(biāo)，分析Deform-3D在不同的步長、網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格重劃分度下計算的速度，從而找到這3個因素對數(shù)值模擬效率的影響力大小，為數(shù)值模擬參數(shù)優(yōu)化設(shè)置提供依據(jù)。

1 外凸臺內(nèi)齒圈件有限元模型的建立

1.1 外凸臺三維幾何模型的建立

在UG/NX環(huán)境下，通過三維建模，分別完成坯料、模具和沖頭的三維實體幾何建模。幾何參數(shù)設(shè)置如表1所示。凸模、毛坯和凹模三維模型如圖2所示。

1.2 工藝參數(shù)的選擇

以STL格式導(dǎo)入Deform-3D軟件的前處理器中，工藝參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 外凸臺內(nèi)齒圈件幾何參數(shù)

1.3 數(shù)值模擬軟件參數(shù)的選擇

采用剪切摩擦模型。工件材料選用steel（1045），采用 Deform 中自帶的材料本構(gòu)關(guān)系。由于是冷擠壓，摩擦因數(shù)為0.12。

取模型的1/3為研究對象。導(dǎo)出stl格式文件到Deform-3D中，如圖3所示。

圖2 坯料、模具三維建模圖

2 正交試驗因素和水平

正交試驗設(shè)計是用于多因素試驗的一種方法，它是從全面試驗中挑選出部分有代表的點進行試驗，這些點具有“均勻”和“整齊”的特點［3］。

表2 工藝參數(shù)設(shè)置

在以往的仿真分析中，Deform仿真參數(shù)中網(wǎng)格數(shù)、步長、網(wǎng)格重劃分度這2個參數(shù)的設(shè)置，對于數(shù)值模擬的影響是不容忽視的。為了確定這3個因素對仿真結(jié)果的影響大小，從而對相似零件的數(shù)值模擬起指導(dǎo)作用，運用正交試驗分析方法對這3個因素進行了研究。

圖3 有限元數(shù)值分析模型

2.1 因素的確定

網(wǎng)格的劃分優(yōu)劣在很大程度上決定著計算的精度和速度。在Deform-3D中主要是針對網(wǎng)格的數(shù)量進行正交實驗分析。Deform中網(wǎng)格重劃分是指運動模具切入坯料一定程度后，網(wǎng)格單元畸變量過大導(dǎo)致計算無法進行從而自動進行重劃分的一個過程。一般用相對法，即坯料單元被模具切入體積和單元體積的比值。最終確定3個因素，分別是絕對網(wǎng)格數(shù)、步長和網(wǎng)格重劃分度。

2.2 仿真試驗設(shè)計

網(wǎng)格數(shù)目選取10000、30000、50000三個數(shù)量級來模擬。步長選取a/3、a/5、a/10，a為最小網(wǎng)格尺寸；重劃分度分別設(shè)置為0.8、0.7、0.5。因素水平如表3 所示［4-5］。

表3 數(shù)值分析三參數(shù)三水平表

3 仿真試驗及分析結(jié)果

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

在本例中，一共要做9組試驗，分析指標(biāo)為凸模（運動模具）所受的載荷，選用L9（34）正交表進行分析。僅列出第1組和第9組的數(shù)值模擬情況作為代表，見圖4和圖5。

圖4 數(shù)值模擬（9）成形過程載荷曲線圖

圖5 數(shù)值模擬（1）成形過程載荷曲線圖

顯然，當(dāng)網(wǎng)格劃分更細(xì)密后，仿真精度會相應(yīng)提高，至于影響數(shù)值模擬精度的因素，以及效率和精度的交互影響。在這里只考慮在允許的誤差范圍內(nèi)數(shù)值模擬的效率。由圖4和圖5可見，數(shù)據(jù)誤差不大。

3.2 效率指標(biāo)直觀分析

對試驗所得的結(jié)果進行分析計算［6］：

1）如表4所示，Ki為因素A、B、C的第i水平所在試驗中數(shù)值模擬時間之和。

表4 正交試驗數(shù)據(jù)計算表

2）ki＝Ki/s，s為任一列上各水平出現(xiàn)的次數(shù)，ki也就是Ki的平均值。

3）各因素極差 R。在任何一列上，R＝max（K1，K2，K3）-min（K1，K2，K3），或者 R＝max（k1，k2，k3）-min（k1，k2，k3）。

4 結(jié)論

綜合分析結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1）從極差角度看，3個因素的主次關(guān)系為“網(wǎng)格數(shù)＞步長＞重劃度”，且網(wǎng)格數(shù)是主要因素，所以在對類似零件成形過程數(shù)值模擬分析中，應(yīng)該優(yōu)先選擇合適的網(wǎng)格數(shù)來調(diào)整計算時間。

2）最優(yōu)方案為A1B1C2，即網(wǎng)格數(shù)為10000，步長為a/3，重劃度為0.7。對于類似零件的數(shù)值模擬，可以參考此參數(shù)設(shè)置。

3）和網(wǎng)格數(shù)量比起來，步長和網(wǎng)格重劃分度對效率的影響是非常小的。

本文研究了數(shù)值模擬效率。在生產(chǎn)上，為了用最少的時間得到?jīng)Q策依據(jù)，我們除了提高計算機硬件配置之外，在軟件參數(shù)設(shè)置上也可以進行優(yōu)化，從而大大提高仿真的速度。

［1］ 林新波.精密塑性成形過程中的數(shù)值模擬與物理模擬［D］.上海：上海交通大學(xué)，2000.

［2］ 孫明月,李殿中,李依依.大型船用曲軸曲拐的彎鍛過程模擬與實驗研究［J］.金屬學(xué)報,2005，12（12）：1261-1266.

［3］ 趙選民.試驗設(shè)計方法［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

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［5］ 練毅,王平,劉德仿,等.外凸臺內(nèi)齒圈件雙工序反擠壓成形工藝研究［J］.機械傳動，2010，34（7）：90-93..

［6］ 鄭少華，姜奉華.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：中國建材工業(yè)出版社，2004：70.