环件冷辗扩数值模拟网格自适应技术的研究

摘要

冷辗扩是一种生产高质量无缝环件的先进制造技术。由于环件冷辗扩受到静力学、运动学和动力学因素的影响，使得控制环件成形具有高度的复杂性。利用有限元法模拟金属环件冷辗扩过程，可解决传统的经验直觉法与试凑法耗时费力且可靠性差的问题，为环件成形过程的综合分析及规划提供有效工具。伴随着有限元技术的不断发展，对有限元模拟的自动化程度以及计算的精度和效率提出了更高的要求，高质量的网格划分已经成为有限元数值模拟的关键技术之一。
　　 本研究为国家自然科学基金重点项目——金属环件冷辗扩塑性成形机理及工艺设备研究的重要内容，主要是为了实现在环件冷辗扩有限元模拟中对模型的网格进行自适应加密与重划分，为分析求解提供可靠的网格，保证模拟的精度和效率。
　　 文中对传统的自适应有限元法和六面体网格生成方法进行了分析比较，提出并实现了针对环件冷辗扩有限元模拟的网格自适应加密和重划分算法。
　　 提出了基于模型几何特征的网格自适应加密触发准则，通过网格畸变和单元与模具几何干涉自动控制网格的疏密。基于面网格自适应加密的思想，提取六面体网格的表面单元进行剖分，在遵循协调加密准则的前提下完成了剖分后网格与初始网格拓扑关系的重组。通过记录加密网格节点与原节点的关系，运用均值法完成了新增单元和节点场变量的分配和调整。
　　 在具体分析工件网格单元变形的度量以及工件与模具几何离散导致的误差的基础上，提出了基于空间域离散误差的网格重划分触发准则。基于传统的栅格法思想，针对环件辗扩的特殊性建立了矩形截面和沟球截面的标准栅格，通过边界拟合和节点平滑完成了重划网格的生成。通过平滑物理量、新网格节点在旧网格中包含测试以及新旧网格间物理量的映射完成了物理量的继承和传递。
　　 最后，通过算例验证了网格自适应加密和重划分算法的有效性。