超大口徑藥形罩強(qiáng)力旋壓應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元分析

曹振鵬，梁嵬，青格勒，孫國(guó)昌

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

超大口徑藥形罩強(qiáng)力旋壓應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)有限元分析

曹振鵬，梁嵬，青格勒，孫國(guó)昌

（長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

藥型罩應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律分析是研究其成形機(jī)理的基礎(chǔ)和前提?；贏BAQUA/Explicit平臺(tái)建立超大口徑藥型罩強(qiáng)力旋壓三維有限元模型，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)藥型罩強(qiáng)力旋壓成形過(guò)程應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律進(jìn)行了分析，研究表明，藥型罩的圓角處和接觸區(qū)應(yīng)力值較大，在強(qiáng)力旋壓過(guò)程中該區(qū)域容易破裂，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)予以關(guān)注。

藥型罩；強(qiáng)力旋壓；應(yīng)力場(chǎng)；應(yīng)變場(chǎng)

強(qiáng)力旋壓成形過(guò)程是尾頂塊將毛坯夾緊，芯模帶動(dòng)坯料旋轉(zhuǎn)，旋輪碾壓坯料作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使毛坯連續(xù)地逐點(diǎn)地變薄并貼靠芯模而成為所需要的工件，其原理如圖1所示。強(qiáng)力旋壓的應(yīng)力狀態(tài)中壓應(yīng)力起主要作用，在一次旋壓中可以允許較大的變形量，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品性能好，材料利用率高、產(chǎn)品成本低等優(yōu)點(diǎn)，使得其在兵器、航空、導(dǎo)彈和軍械等塑性加工領(lǐng)域占有重要地位，且成為制造薄壁回轉(zhuǎn)體工件的主要方法［1］。

藥型罩是破甲戰(zhàn)斗部中最關(guān)鍵的零件之一，是形成射流或彈丸的主要元件，它的質(zhì)量對(duì)破甲效能有直接影響，目前為止，已發(fā)展了多種制造藥型罩的技術(shù)，如車削、鑄造、鍛造、沖壓等［2］。隨著國(guó)防事業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)藥型罩的要求不僅僅限于達(dá)到藥型罩的外在質(zhì)量，而對(duì)藥型罩產(chǎn)品的內(nèi)在性能以及輕薄化、復(fù)雜化、大型整體化提出了更高的要求，車削、鑄造和鍛造等成形方法不能滿足新的要求而被淘汰，由于旋壓成形工藝的眾多優(yōu)點(diǎn)在藥型罩生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，目前已經(jīng)成為藥型罩成形的唯一方法。

圖1 強(qiáng)力旋壓原理示意圖

目前，針對(duì)普通大小、單純的錐形件旋壓國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究［3-5］，取得了大量很有價(jià)值的研究成果。本文在分析旋壓各影響因素的基礎(chǔ)上，建立既符合實(shí)際生產(chǎn)條件又兼顧高效率、高精度的三維有限元模型，在ABAQUS/Explicit軟件平臺(tái)進(jìn)行了模擬計(jì)算，基于模擬計(jì)算結(jié)果的分析，獲得了超大口徑藥型罩旋壓成形過(guò)程中應(yīng)力應(yīng)變的分布及變化規(guī)律，可為其實(shí)際生產(chǎn)工藝方案的制定提供參考［6-7］。

1 有限元模型的建立

本文建立的超大口徑藥型罩三維有限元模型如圖2所示，基于應(yīng)用價(jià)值和計(jì)算效率兩方面做了假設(shè)和簡(jiǎn)化處理，假設(shè)材料為各向同性且不可壓縮，即變形前后材料體積不發(fā)生變化，旋輪與毛坯摩擦統(tǒng)一由庫(kù)倫摩擦表示，忽略溫度與旋輪自轉(zhuǎn)；省去尾頂?shù)慕?，在約束定義時(shí)，將毛坯和尾頂接觸的部分用tie連接方式與芯摸綁定，使坯料和芯模以同一轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。建模時(shí)，芯模和旋輪采用解析剛體，毛坯為可變形，板料采用六面體8節(jié)點(diǎn)一次減縮積分實(shí)體單元（C3D8R）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了方便應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)各個(gè)方向的輸出，定義了材料局部方向，其中X為母線方向，Y為徑向，Z為周向。

圖2 藥型罩強(qiáng)力旋壓有限元模型

2 模擬結(jié)果分析

采用本文建立的超大口徑藥型罩強(qiáng)力旋壓三維有限元模型，研究獲得超大口徑藥型罩旋壓過(guò)程中旋壓件的應(yīng)力應(yīng)變的分布與規(guī)律。主要計(jì)算條件如下：

毛坯如圖3所示，直徑Φ450㎜，厚度H15㎜，材料為T(mén)2紫銅，楊氏模量E為1080MPa，泊松比μ為0.3，密度ρ為8900kg/m3，屈服強(qiáng)度350MPa，模擬仿真模型建立時(shí)在保證計(jì)算結(jié)果精度要求和符合實(shí)際工藝的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，仿真模型的尺寸按比例縮小為實(shí)際尺寸的三分之一進(jìn)行了有限元仿真。

圖3 毛坯

超大口徑藥型罩仿真工藝參數(shù)如表1所示。

表1 仿真模型各部件基本參數(shù)

2.1 強(qiáng)力旋壓過(guò)程的應(yīng)力分布與變化

圖4所示為藥型罩在成形的25%、50%、75%、100%四個(gè)階段等效應(yīng)力分布與變化云圖。從圖中可以看出，旋輪與坯料的接觸區(qū)始終為等效應(yīng)力極大值σmax分布區(qū)，隨著旋輪的進(jìn)給等效應(yīng)力極大值區(qū)域也隨著變動(dòng)，但是始終為旋輪與坯料接觸區(qū)，旋輪的前方（已成形區(qū)）也有等效應(yīng)力較大的區(qū)域，這是因?yàn)樾唽?duì)前方金屬具有拉彎作用，拉應(yīng)力傳遞到旋輪后方已成形區(qū)所呈現(xiàn)的現(xiàn)象。縱觀（a）、（b）、（c）、（d）四幅圖，等效應(yīng)力的分布是以兩個(gè)旋輪的對(duì)稱面為對(duì)稱面對(duì)稱分布的。

圖4 等效應(yīng)力分布

圖5所示為取點(diǎn)位置（如圖4d）內(nèi)外側(cè)單元在成形過(guò)程三個(gè)方向的應(yīng)力變化曲線圖，從圖中可以看出，母線方向應(yīng)力和周向內(nèi)外側(cè)應(yīng)力在旋壓的開(kāi)始階段增長(zhǎng)緩慢，始終處于拉應(yīng)變狀態(tài)，在成形40%時(shí)，應(yīng)變值出現(xiàn)較大波動(dòng)，拉壓應(yīng)力一次交替，徑向內(nèi)外側(cè)應(yīng)力在旋壓開(kāi)始階段增長(zhǎng)迅速，在成形40%時(shí)出現(xiàn)較大波動(dòng)，但始終處于拉應(yīng)力狀態(tài)。縱觀（a）、（b）、（c）三幅圖，在同一時(shí)間外側(cè)的應(yīng)力值是大于內(nèi)側(cè)的應(yīng)力值，這是因?yàn)閼?yīng)力由外側(cè)向內(nèi)側(cè)傳遞的原因。

圖5 取點(diǎn)位置三個(gè)方向應(yīng)力變化

2.2 強(qiáng)力旋壓過(guò)程的應(yīng)變分布與變化

圖6所示為藥型罩在成形的25%、50%、75%、100%四個(gè)階段等效塑性應(yīng)變分布與變化云圖。從圖中可以看出，等效塑性應(yīng)變呈環(huán)狀帶分布，在旋壓開(kāi)始階段，旋輪附近板坯為大變形區(qū)，隨著旋壓的深入大變形區(qū)環(huán)狀帶向旋輪后方（已成形區(qū)）移動(dòng)，且大變形區(qū)環(huán)狀帶寬度隨著成形的繼續(xù)逐漸增大。在成形的整個(gè)過(guò)程中等效塑性應(yīng)變的極大值εmax在逐漸的增大，這主要是因?yàn)榘辶系淖冃瘟吭絹?lái)越大，等效應(yīng)變極值也越來(lái)越大。

圖7所示為所取路徑（如圖6d所示）內(nèi)外側(cè)沿路徑真實(shí)距離三個(gè)方向應(yīng)變變化曲線圖。從圖中可以看出，在所選的路徑上母線方向和徑向內(nèi)外側(cè)單元都處于壓應(yīng)變狀態(tài)，而周向塑性應(yīng)變始終處于拉應(yīng)變狀態(tài)。應(yīng)變值在成形過(guò)程中三個(gè)方向某一位置波動(dòng)較大，這是因?yàn)榕髁显谧冃沃械慕饘俣逊e所致?？v觀（a）、（b）、（c）三幅圖，藥型罩成形過(guò)程中，內(nèi)外層單元等效塑性應(yīng)變?cè)谌齻€(gè)方向的分布與趨勢(shì)幾乎一致。

圖6 等效塑性應(yīng)變分布

圖7 所選路徑三個(gè)方向應(yīng)變變化

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)完成后得到如圖8所示的試驗(yàn)樣件，取下試驗(yàn)樣件觀察沒(méi)有宏觀缺陷、表面完整，有明顯的旋壓紋路。旋壓后進(jìn)行尺寸的測(cè)量，壁厚選取等分的垂直圓周方向的四條母線，如圖8的A、B、C、D所示，將四條測(cè)量線進(jìn)行等分并用超聲波測(cè)厚儀測(cè)量壁厚，數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

考慮到金屬材料塑性成形過(guò)程中材料具有一定的回彈量，所以在工藝試驗(yàn)中旋輪與芯模的間隙并不等于工件的壁厚，T2紫銅的回彈量較大，理論減薄率較小時(shí)，材料變形沒(méi)有完全達(dá)到屈服極限，有部分材料仍然處于彈性變形階段。因此，旋輪與芯模的間隙設(shè)置必須充分考慮材料的回彈量。本試驗(yàn)中旋輪與芯模的間隙設(shè)置小于工件理論壁厚（2.5㎜），實(shí)際預(yù)留間隙為2.45㎜。

圖8 質(zhì)量合格的試驗(yàn)樣件

表2 合格工件尺寸測(cè)量結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

（1）經(jīng)旋壓后，壁厚由5㎜減薄到2.5㎜，總減薄率50%。

（2）壁厚精度要求2.5±0.05㎜，旋壓后，所有測(cè)量點(diǎn)的壁厚值都達(dá)到精度要求，尺寸精度符合要求。

4 結(jié)論

采用ABAQUS/Explicit軟件平臺(tái)建立了超大口徑藥型罩強(qiáng)力旋壓有限元模型，通過(guò)模擬結(jié)果分析了應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律，對(duì)相似工件實(shí)際生產(chǎn)具有一定的參考意義。

（1）在藥型罩的成形過(guò)程中，等效塑性應(yīng)力的極大值始終位于旋輪與坯料的接觸區(qū)，在旋壓的終了階段工件的圓角附近也達(dá)到極大值，說(shuō)明圓角處在加工過(guò)程中容易裂開(kāi)。

（2）在藥型罩的強(qiáng)力旋壓成形過(guò)程中，外側(cè)三個(gè)方向處于拉應(yīng)力狀態(tài)，內(nèi)側(cè)徑向處于拉應(yīng)力狀態(tài)，母線方向和周向應(yīng)力狀態(tài)不明顯。

（3）藥型罩成形過(guò)程中，等效塑性應(yīng)變一直呈環(huán)狀分布，在開(kāi)始階段應(yīng)變極大值在旋輪與坯料接觸區(qū)，隨著成形的深入，應(yīng)變極大值移向已成形區(qū)。成形終了階段應(yīng)變的極大值環(huán)狀帶分布在工件兩端，一條靠近小端，一條靠近旋輪。

（4）藥型罩強(qiáng)力旋壓成形過(guò)程中，母線方向、徑向內(nèi)外側(cè)都處于壓應(yīng)變狀態(tài)，周向內(nèi)外側(cè)處于拉應(yīng)變狀態(tài)且變化規(guī)律與趨勢(shì)基本一致。

［1］周強(qiáng)，詹梅，楊合.帶橫向內(nèi)筋錐形件旋壓應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的有限元分析［J］.塑性工程學(xué)報(bào)，2007，14（3）：49-53.

［2］路平，張?jiān)崎_(kāi)，陳波.汽車輪輻錯(cuò)距強(qiáng)力旋壓成形的有限元仿真［J］.上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（1）：56-61.

［3］吳統(tǒng)超，詹梅，古創(chuàng)國(guó)，等.大型復(fù)雜薄壁殼體第一道次旋壓成形質(zhì)量分析［J］.材料科學(xué)與工藝，2011，19（1）：121-126.

［4］陳建華，鄧強(qiáng)，馬飛，等.大直徑薄壁鋁合金封頭剪切旋壓成形研究［J］.鍛壓技術(shù)，2016，41（6）：38-43.

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［6］詹梅，馬上官.筒形件旋壓有限元分析中芯模和旋輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)的處理方法［J］.精密成形工程，2011，3（6）：107-111.

［7］夏琴香，張帥斌，吳小瑜，等.錐形件單道次拉深旋壓成形的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［J］.鍛壓技術(shù)，2010，35（1）：44-48.

Large Diameter Liner Power Spinning
Finite Element Analysis of Stress and Strain Fields

CAO Zhenpeng，LIANG Wei，QING Gele，SUN Guochang
（School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Distribution of Liner stress and strain field analysis is to study the forming mechanism of the basis and premise.Based ABAQUA/Explicit platform to build large diameter Liner Power Spinning dimensional finite element model，the process of distribution of stress and strain fields through numerical simulation Liner power spinning analyzes，studies show Liner round corner and the contact stress area is large，in the process of power spinning the region prone to rupture，the actual production should be concerned.

liner；power spinning；strain field；stress field

TG306

A

1672-9870（2017）01-0098-04

2016-09-19

曹振鵬（1989-），男，碩士研究生，E-mail：cao_zhp3315@sina.com

梁嵬（1979-），男，博士研究生，工程師，E-mail：Liang811@sina.com