基于電片液壓成形的有限元建模實(shí)驗(yàn)

摘 要：高速金屬板材的成形方法，如電磁成形和液壓成形（EHF），都是是基于高壓電能。本文給出了關(guān)于在電液成形過(guò)程中高應(yīng)變率的理論細(xì)節(jié)。根據(jù)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，編寫(xiě)的是一個(gè)具有一片空白動(dòng)態(tài)加載應(yīng)用的模擬的高能ABAQUS-CAE，并且可以產(chǎn)生塑性變形的Johnson-Cook材料模型。從現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)值文獻(xiàn)中，模擬的結(jié)果得到了驗(yàn)證。為了在商業(yè)上獲得類(lèi)似結(jié)果的可用材料如鋁6061 T6合金和Mg-Gd-Y合金，仿真模型進(jìn)行了進(jìn)一步的模擬驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：電液成形；Johnson-Cook材料模型；液電效應(yīng)；鋁6061 T6；Mg-Gd-Y 合金

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.219

1 操作原理

原理包含了現(xiàn)代能源排放系統(tǒng)的基本組成部分：直流儲(chǔ)能電容器、放電電極、傳力液罐。一個(gè)基本的電液控制系統(tǒng)如圖1所示。必要的高電壓從直流儲(chǔ)能電容器得到線操作直流。當(dāng)電子觸發(fā)電路被激活，能迅速傾倒到同心或敵對(duì)的火花隙電極浸沒(méi)在裝滿(mǎn)水的容器，由此產(chǎn)生對(duì)著工件的沖擊波。在這個(gè)例子中，一個(gè)金屬片被迫準(zhǔn)備為成形模。

雖然液電效應(yīng)的外觀是簡(jiǎn)單的爆炸，但是其成分復(fù)雜的多。不同于化學(xué)爆炸的動(dòng)力是以毫秒為單位測(cè)量，電事件發(fā)生在幾微秒之間。存儲(chǔ)在一代人的能量突然釋放的結(jié)果小汽泡，對(duì)于所有的實(shí)際目的獲得等離子體特性。它可以作為溫度高30000℃，伴隨著估計(jì)峰值在約20000個(gè)大氣壓的壓力。

2 有限元建模

動(dòng)態(tài)顯式有限元，是針對(duì)其可能性的進(jìn)行模擬的有限元分析高應(yīng)變率成形方法。用于模擬軟件ABAQUS CAE。該模型模擬流行性散熱是根據(jù)丹尼爾等人在2008發(fā)表的文獻(xiàn)中的結(jié)果。仿真結(jié)果由阿恩·米蘭德等人在2013通過(guò)成形高度和從電液成形實(shí)驗(yàn)的應(yīng)變分布進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.1 模型

該模型由兩部分組成，毛坯和模具。空白是正在形成的片材；仿真與IF210為模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)材料。模擬的進(jìn)一步進(jìn)行，得到類(lèi)似的結(jié)果為材料鋁6061 T6和Mg-Gd-Y系合金。在模孔直徑為165毫米；空白是一個(gè)直徑175毫米的代表的鎖定和形狀像一個(gè)圓臺(tái)模具直徑。仿真模型的部分是基于實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下圖所示于圖2。模具工具形狀的空白。在模擬的空白是免費(fèi)的形成或得到一個(gè)免費(fèi)的擴(kuò)展，這意味著死亡限制的穹頂直徑也由圓形邊緣與得到的彎曲半徑4 mm的空白在。在流行性出血熱試驗(yàn)壓力是建立在刀具后端弧，這在模擬由均勻分布?jí)毫γ}沖代表。下面是在ABAQUS模型。

2.2 性能

有限元模型的性能是基于已有的文獻(xiàn)中，從模型中獲得的性能。為了驗(yàn)證模型模擬，我們把IF210鋼材料作為參考材料，為空白，輸入性能要求的密度，楊氏模量和泊松比為表1中給出的可塑性，一個(gè)采用應(yīng)變率依賴(lài)Johnson-Cook材料模型。手動(dòng)安裝JC材料模型參數(shù)被用于在表1中給出了仿真。

模具被建模為一個(gè)三維解析剛體殼。模具與板料之間的接觸相互作用是設(shè)置一個(gè)表面表面狀態(tài)，接觸性切向的行為和處罰0.1摩擦系數(shù)。模具被約束在其參考點(diǎn)的矩條件即鎖定的所有6個(gè)自由度?？瞻捉o出了沿邊緣使它相當(dāng)于一個(gè)固定的空白作為實(shí)驗(yàn)用矩條件。

2.3 Johnson-Cook材料模型

在材料的拉伸應(yīng)力，可以根據(jù)不同的應(yīng)變率，通常具有較高的流動(dòng)應(yīng)力增加應(yīng)變率。能夠?qū)崿F(xiàn)精確的結(jié)果盡可能的模擬，它是必要的描述與材料本構(gòu)模型的現(xiàn)象。有幾種不同的模型描述這種變化機(jī)械性能。在這個(gè)項(xiàng)目的約翰遜Cook材料模型中，JC被選擇。因?yàn)樵撃Ｐ褪且环N廣泛使用的用于程序和公認(rèn)的模型仿真，ABAQUS，約翰遜Cook材料模型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和模型參數(shù)可以作為一個(gè)輸入文件。約翰遜Cook模型公式1表達(dá)。

（1）

該模型表示的流動(dòng)應(yīng)力（σ）。表達(dá)分為三架，第一部分是代初始屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度的硬化由于染色，其中一個(gè)是代表初始強(qiáng)度和B和n為代表的硬化由于應(yīng)變（ε）。第二支架表示由于應(yīng)變硬率，其中C是由于應(yīng)變率硬化的敏感性是歸一化的應(yīng)變率的參考。最后的支架是由于與參數(shù)t材料加熱材料軟化，T0 tmare常數(shù)代表初始溫度和熔化溫度。但在這項(xiàng)工作中的溫度效應(yīng)被忽視的參數(shù)t不評(píng)價(jià)[謝爾蓋等人2013和H 2006 Couque ]。Johnson –Cook中使用的參數(shù)在表2中給出的模型。

2.4 加載

負(fù)載為空白的頂面，它是作為在表面的均勻壓力，提供爆炸加載在高應(yīng)變率情況下的成形，動(dòng)力顯式的力被選擇在ABAQUS。時(shí)間段壓力脈沖為100微秒類(lèi)似一個(gè)典型的丹尼爾等人在2008年所用的電液爆時(shí)間。壓力脈沖的應(yīng)用，通常所需的36拱頂高度為20.1MPa的幅度。脈沖是由一個(gè)1和一個(gè)長(zhǎng)度為100微秒，幅正弦曲線表示。

由于在實(shí)驗(yàn)和壓力輸入的輸入能量之間的關(guān)系的復(fù)雜性在模擬脈沖，脈沖幅度的參考設(shè)置，IF210級(jí)，形成的高度空白，圓頂，同樣在流行性散熱實(shí)驗(yàn)圓頂?shù)母叨取?/p>

3 結(jié)果與討論

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的模型的空白形成一個(gè)隨時(shí)間變化的模擬。爆炸荷載僅為100微秒，而仿真時(shí)間為1000微秒。一個(gè)簡(jiǎn)單的參數(shù)來(lái)估計(jì)脈沖峰值。放電的能量被假定為在放電室中的液體轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?。靜態(tài)壓力等于能量除以液體體積。這種壓力也相當(dāng)于一個(gè)壓力脈沖通過(guò)室。在這種情況下，它是假定動(dòng)力學(xué)的影響可以忽略不計(jì)。由于無(wú)介質(zhì)模型是一個(gè)合理的假設(shè)進(jìn)行有無(wú)衰減，沖擊波壓力振幅可以被設(shè)置為值的輸入能量作為實(shí)驗(yàn)給出了。這一結(jié)果應(yīng)在在實(shí)驗(yàn)中得到的相同的圓頂高度。圖6是一張從仿真的一段情節(jié)如果210在ABAQUS顯示大小變形坯料的高度。

圖7是主要的和次要的應(yīng)變分布圖從邊緣到中心的空白模擬與假定的連接的能量和壓力脈沖之間的等級(jí)材料IF210。比較其與文獻(xiàn)中的類(lèi)似結(jié)果，獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真圖。過(guò)程有與實(shí)測(cè)應(yīng)變分布的實(shí)驗(yàn)相當(dāng)類(lèi)似的應(yīng)變分布和模擬。實(shí)驗(yàn)測(cè)定的大應(yīng)變，LE11從實(shí)驗(yàn)是高于來(lái)自模擬。這是一種可以影響該材料是各向異性的，使用ABAQUS模型不能描述這一現(xiàn)象。

材料IF210確認(rèn)結(jié)果允許我們準(zhǔn)備其他市售的模擬6061 T6鋁合金一樣，Mg-Gd-Y合金，得到了類(lèi)似的結(jié)果可以作為任何理論值實(shí)驗(yàn)和調(diào)查在這場(chǎng)發(fā)生。圖8是主要的和次要的應(yīng)變分布圖從邊緣到中心的空白模擬材料鋁6061 T6與假定的能量和壓力脈沖之間的連接。比較其過(guò)程是與類(lèi)似的過(guò)程模擬在FG 10與丹尼爾等在文獻(xiàn)中得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

從得到的圖與圖的結(jié)果我們可以看到，小區(qū)有一個(gè)在高應(yīng)變率對(duì)鋁6061 T6的模擬模型比較相同的應(yīng)變分布。鋁合金表明在自由成形不起皺可見(jiàn)光滑變形。觀察0.32%回彈相對(duì)于總變形而達(dá)到最大速度，在變形過(guò)程中為293.3米/秒。圖9顯示的主要和次要的應(yīng)變分布圖從邊緣到中心的空白模擬Mg-Gd-Y合金與假定的能量和壓力脈沖之間的連接。由于形成鎂合金的過(guò)程仍在調(diào)查階段，有沒(méi)有確鑿的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同。由于我們的模型，通過(guò)仿真結(jié)果的驗(yàn)證，從現(xiàn)有的文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證可以推測(cè)，遵循類(lèi)似的應(yīng)變分布格局將Mg-Gd-Y系合金的研究。

鎂合金也表現(xiàn)出平滑的變形而在圓頂上有一定的不均勻變形觀察圖10中看到的。觀察到的最大速度是1.69%分鐘在回彈變形是523.5米/秒。

4 結(jié)論

有限元模型在ABAQUS驗(yàn)證進(jìn)行了調(diào)查和了解的成形性高應(yīng)變率下的材料和他們的行為。

（1）模型中的液電效應(yīng)納入100設(shè)置爆炸脈沖持續(xù)時(shí)間微秒對(duì)應(yīng)電液沖擊波。（2）材料if210，應(yīng)變分布曲線顯示了類(lèi)似的應(yīng)變分布和最大應(yīng)變率接近實(shí)驗(yàn)中得到的速率。（3）實(shí)驗(yàn)和模擬應(yīng)變率得到了if210模擬相媲美，因此驗(yàn)證結(jié)果。（4）得到的鋁合金的應(yīng)變分布模式是相當(dāng)類(lèi)似，從文獻(xiàn)對(duì)高應(yīng)變率成形。（5）鋁合金呈光滑的變形不起皺，回彈，最大一分鐘變形速度達(dá)到298.3米/秒。（6）得到了Mg-Gd-Y系合金的應(yīng)變分布格局。鎂合金表現(xiàn)出一定的不均勻而獲得最大的變形速度為523.5米/秒在圓頂峰值變形。（7）所形成的板的幾何形狀和應(yīng)變能與良好的協(xié)議與實(shí)驗(yàn)?zāi)M。

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作者簡(jiǎn)介：陳義（1984-），男，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：測(cè)控技術(shù)。