管板接頭三維焊接變形的數(shù)值模擬

馬征征 郝森 馬世申

摘要：采用三維熱彈塑性有限元法對(duì)管板接頭的焊接變形進(jìn)行數(shù)值模擬。研究了不同計(jì)算模型和焊接條件下接頭的收縮和平板上開(kāi)孔的位置和形狀的變化。比較了半周模型和全周模型，固定熱源和移動(dòng)熱源，單道焊和多道焊下的分析結(jié)果。為預(yù)測(cè)管板接頭的焊接變形，控制制造精度提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)和方法。

關(guān)鍵詞：金屬塑性成形;三維焊接;數(shù)值模擬技術(shù)

近年來(lái)，隨著計(jì)算科學(xué)的快速發(fā)展和有限元技術(shù)應(yīng)用的日益成熟，數(shù)值模擬技術(shù)模擬分析金屬在塑性變形過(guò)程中的流動(dòng)規(guī)律在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用，不僅大大縮短了模具和新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，而且有利于將有限元分析法和傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法結(jié)合起來(lái)，從而推動(dòng)現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展。在鍛造成形中，大多數(shù)變形過(guò)程由于不能簡(jiǎn)化成二維變形過(guò)程進(jìn)行處理，所以有限元法數(shù)值模擬在鍛造成形中的應(yīng)用以三維模擬分析為主。

1、三維焊接數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

有限元法數(shù)值模擬在鍛造成形中的應(yīng)用最早是進(jìn)行二維的模擬分析。二維模擬分析技術(shù)發(fā)展比較成熟，經(jīng)過(guò)適當(dāng)簡(jiǎn)化，能夠模擬普通的平面應(yīng)變、應(yīng)力和軸對(duì)稱(chēng)成形等較簡(jiǎn)單問(wèn)題。但生產(chǎn)中，大多數(shù)零件形狀比較復(fù)雜，影響因素多，如果仍然作為平面或軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題來(lái)處理，所得結(jié)果與實(shí)際相比會(huì)有較大差距，進(jìn)行三維焊接模擬是解決此類(lèi)問(wèn)題的有效途徑。

數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形中的應(yīng)用主要基于20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的有限單元數(shù)值計(jì)算方法。20世紀(jì)80年代早期，美國(guó)Battelle研究室在美國(guó)空軍的資助下開(kāi)發(fā)的有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）是塑性成形數(shù)值模擬技術(shù)的開(kāi)始。當(dāng)時(shí)該技術(shù)只能分析平面問(wèn)題和軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題，不能劃分網(wǎng)格，也沒(méi)有考慮非線性問(wèn)題。但到1985年，美國(guó)已經(jīng)有6家大公司使用該軟件。隨后幾年，開(kāi)發(fā)人員將程序逐漸完善，發(fā)展成為商品化分析軟件DEFORM。后來(lái)許多分析軟件如：ANSYS、ABAQUS和MARC/Auto Forge等也如雨后春筍般出現(xiàn)，數(shù)值模擬軟件進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。

當(dāng)前塑性成形過(guò)程模擬在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段。正是由于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)走向?qū)嵱秒A段，經(jīng)典的塑性加工理論真正達(dá)到了實(shí)際使用，使得塑性成形成為一門(mén)真正的科學(xué)。通過(guò)數(shù)值模擬，可以回答經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法回答的問(wèn)題，了解金屬塑性成形的全過(guò)程，包括金屬成形過(guò)程中各階段材料的填充情況、材料變形的趨勢(shì)、材料內(nèi)部的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變速率、成形載荷及速度矢量場(chǎng)。這對(duì)金屬塑性成形工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、金屬毛坯的設(shè)計(jì)、壓力機(jī)的選擇以及成形質(zhì)量的控制等具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。因此，國(guó)際國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都對(duì)塑性成形過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)行了大量的研究，并取得了許多研究成果。

國(guó)內(nèi)具有代表性的有：江雄心等人對(duì)空心直齒圓柱齒輪的精鍛成形過(guò)程進(jìn)行三維剛塑性有限元模擬和實(shí)驗(yàn)研究，得出了直齒圓柱齒輪精鍛過(guò)程的金屬流動(dòng)規(guī)律和變形力學(xué)特征，揭示了直齒圓柱齒輪精鍛過(guò)程的變形機(jī)理;肖紅生和吳希林等人探索了溫鍛精密成形數(shù)值模擬的方法和實(shí)現(xiàn)途徑，運(yùn)用三維焊接分析了棘爪零件的溫鍛成形工步，并用模擬結(jié)果指導(dǎo)了該零件的成形工藝和模具設(shè)計(jì)。

2、DEFORM3D數(shù)值模擬軟件簡(jiǎn)介

目前，在塑性體積成形有限元分析領(lǐng)域，DEFORM（Design Environment for Forming）系統(tǒng)是世界上較流行的實(shí)用商業(yè)軟件，它包括二維有限元分析軟件DEFORM-2D與三維焊接分析軟件DEFORM-3D。它是美國(guó)SFTC公司（Scientific Forming Technologies Corporation）在S.Kobayashi等人的研究工作以及由S.I.Oh等開(kāi)發(fā)的ALPID軟件的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，已在美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)的實(shí)際生產(chǎn)和科研中得到大量成功的應(yīng)用，并得到世界同行的公認(rèn)。采用DEFORM軟件進(jìn)行成形過(guò)程仿真分析，可獲得大量工藝設(shè)計(jì)所需要的信息，如：材料流動(dòng)狀況的跟蹤、成形缺陷的預(yù)測(cè)、應(yīng)變、應(yīng)變速率和應(yīng)力分布、溫度場(chǎng)的分布情況以及成形載荷與模具行程的關(guān)系等。

DEFORM有別于其它通用的有限元軟件，是專(zhuān)為金屬成形而設(shè)計(jì)、為工藝工程師和模具設(shè)計(jì)工程師量身定做的軟件。DEFORM主旨在于幫助設(shè)計(jì)人員在制造周期的早期能夠檢查、了解和修正潛在的問(wèn)題或缺陷。它具有良好的用戶界面、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理簡(jiǎn)便，從而使設(shè)計(jì)者能夠撇開(kāi)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)而專(zhuān)心研究成形工藝，該軟件最大的特點(diǎn)是具有分析大變形問(wèn)題基于變量密度的自適應(yīng)網(wǎng)格自動(dòng)劃分功能，實(shí)用性強(qiáng)。

3、應(yīng)用實(shí)例

3.1以弧面凸輪等溫?cái)D壓成形為例

本實(shí)例使用DEFORM3D軟件，采用三維剛塑性有限元模擬技術(shù)，研究了弧面凸輪等溫?cái)D壓成形機(jī)理?；∶嫱馆喪腔∶嫱馆喎侄葯C(jī)構(gòu)的重要零件，為了驗(yàn)證弧面凸輪等溫?cái)D壓工藝的可行性，模擬初始條件設(shè)定如下：

成形材料：40Cr;初始坯料尺寸：Φ49 mm×152mm加熱溫度：750℃;模具加熱溫度為750℃左右;摩擦系數(shù)為0.25;沖頭移動(dòng)速度為10mm/s。

采用DEFORM3D軟件基于剛粘塑性有限元法進(jìn)行模擬，可見(jiàn)，采用三維焊接模擬技術(shù)，能得到等溫?cái)D壓的應(yīng)力應(yīng)變分布、擠壓件表面變形形狀和模具的受力情況及材料流動(dòng)狀況等重要信息，有助于認(rèn)識(shí)擠壓件缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，有助于深入探討等溫?cái)D壓工藝的成形機(jī)理等。

3.2數(shù)值模擬中的注意事項(xiàng)

使用DEFORM3D進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，需注意以下幾點(diǎn)：

（1）成形材料的材質(zhì)選擇是整個(gè)模擬的關(guān)鍵，直接影響到模擬的精度，因此在DEFORM中建立屬于企業(yè)自己產(chǎn)品的材質(zhì)庫(kù)則是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。對(duì)于我國(guó)的加工制造企業(yè)一定要根據(jù)自身的情況建立產(chǎn)品材質(zhì)庫(kù)。

（2）DEFORM3D的模擬過(guò)程是在絕對(duì)理想環(huán)境下的進(jìn)行，而實(shí)際生產(chǎn)情況下則存在各種各樣的干擾因素，所以模擬結(jié)果存在偏離。在模擬過(guò)程中工藝人員要根據(jù)自己的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)不斷調(diào)整模擬中的一些相關(guān)參數(shù)糾正此類(lèi)干擾。

（3）使用DEFORM3DM對(duì)大型件、復(fù)雜件進(jìn)行輔助模擬時(shí)，耗時(shí)比較嚴(yán)重，此時(shí)可以采用化復(fù)雜為簡(jiǎn)單的方法。如利用等溫變形代替非等溫變形、略模具或坯料中一些次要的幾何形狀、減小并使用合理的網(wǎng)格分配、盡量去除增加網(wǎng)格重新劃分的因素等。在取得合適的工藝方法后，再針對(duì)其進(jìn)行高精度模擬。

4、技術(shù)展望

4.1探討有效的網(wǎng)格劃分與重劃分算法

在金屬塑性成形過(guò)程的三維焊接模擬中，常出現(xiàn)網(wǎng)格畸變、計(jì)算精度降低、迭代結(jié)果不能收斂等現(xiàn)象，為了能完整、準(zhǔn)確地模擬大變形金屬塑性成形過(guò)程，需進(jìn)行網(wǎng)格劃分與重劃分。由于三維網(wǎng)格具有空間幾何實(shí)體描述的復(fù)雜性，使得三維網(wǎng)格的劃分和重劃分嚴(yán)重制約著有限元模擬技術(shù)的發(fā)展，所以探討行之有效的網(wǎng)格劃分和重劃分算法是亟待解決的問(wèn)題。

4.2金屬塑性加工中的接觸和摩擦問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究

到目前為止，人們對(duì)摩擦的本質(zhì)機(jī)理認(rèn)識(shí)還不夠，摩擦理論描述還不準(zhǔn)確，沒(méi)有一種理想的物理模型或數(shù)學(xué)模型能全面、準(zhǔn)確地描述金屬塑性加工中的摩擦效應(yīng)。

4.3增強(qiáng)幾何模型建造功能

目前的有限元模擬軟件大都僅具有簡(jiǎn)單幾何造型功能，對(duì)于復(fù)雜幾何模型的建造往往借助于大型的CAD專(zhuān)用軟件。所以，很有必要在有限元模擬軟件的前處理模塊中增強(qiáng)幾何造型功能，使之具備較為復(fù)雜對(duì)象的幾何造型功能。

4.4模擬技術(shù)與CAD/CAM系統(tǒng)相結(jié)合

將模擬和優(yōu)化軟件與CAD/CAM系統(tǒng)有效結(jié)合，將為企業(yè)的生產(chǎn)部門(mén)提供一個(gè)集計(jì)劃、設(shè)計(jì)到生產(chǎn)和質(zhì)量保證為一體的高效信息系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)有限元軟件的專(zhuān)業(yè)化和智能化。

5、結(jié)束語(yǔ)

總之，數(shù)值模擬技術(shù)在金屬塑性成形過(guò)程的應(yīng)用可以有效地解決金屬塑性成形過(guò)程中模具設(shè)計(jì)制造存在的許多問(wèn)題，為工藝人員提供一個(gè)方便可靠的設(shè)計(jì)環(huán)境，工藝人員可以直接看到模擬結(jié)果，隨時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)、修改模具，直至得到比較理想的結(jié)果，達(dá)到事半功倍的效果。三維數(shù)值模擬技術(shù)必將成為塑性加工領(lǐng)域解決復(fù)雜體積成形問(wèn)題的最有效工具。

參考文獻(xiàn)

[1] 江雄心，萬(wàn)平榮，扶名福，等.齒輪精鍛的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2012（3）

[2] 肖紅生，林新波，張質(zhì)良，等.溫鍛精密成形技術(shù)及其有限元模擬[J].鍛壓技術(shù)，2010（2）.

（作者單位：中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司）