三维金属体积成形过程无网格伽辽金方法及其关键技术研究

摘要

金属体积成形是一种少、无切削的金属加工方法，在现代生产中占有极其重要的地位。对金属体积成形过程进行准确的数值模拟不但可以节省昂贵的实验费用，而且对合理确定成形工艺、保证模具设计的一次性成功具有重要的理论指导意义和工程实用价值。随着数值计算方法和计算机技术的发展，数值模拟分析方法已经成为解决工程问题的重要方法。其中有限元方法(FEM)经过不断的发展成熟，在金属体积成形过程数值模拟中发挥着重要的作用。但在锻造、挤压等大变形成形过程中，金属材料的流动异常复杂，工件变形程度非常大，FEM在处理此类问题时常常面临网格发生畸变而必须进行频繁网格重划分的问题，网格重划分势必造成计算精度和计算效率的下降，甚至导致分析过程无法进行。 无网格方法是近年来兴起的一种新的数值方法，它基于一系列离散节点进行近似，不需要节点的连接信息，克服了有限元法对网格的依赖，而且提供了连续性好、形式灵活的场函数，为大变形成形过程的数值模拟提供了一种有效途径。众多学者开始致力于无网格方法在金属体积成形过程中的应用研究，推动了金属体积成形过程无网格方法数值模拟技术的发展。但对三维非稳态金属体积成形过程的无网格方法数值模拟的研究还不完善，很多关键应用技术有待于进一步的研究。 本文针对金属体积成形过程的特点和工艺要求，提出刚(粘)塑性无网格伽辽金方法(RVPEFGM)，并将其应用于三维非稳态金属体积成形过程的数值模拟分析。在对金属体积成形过程刚(粘)塑性无网格伽辽金方法和数值模拟关键技术深入研究的基础上，开发数值模拟分析程序，以期为金属成形过程分析提供一种科学的无网格方法仿真技术工具。 对三维无网格伽辽金方法(EFGM)开展了相关研究。当采用移动最小二乘(MLS)近似方案构造形函数时，会涉及到A-1(x)矩阵的计算，研究了在三维问题中造成A(x)矩阵不可逆的原因，给出了A(x)矩阵不可逆的解决方法，并采用带权正交函数作为基函数，从而避免了对A(x)矩阵的求逆计算。节点影响域尺寸的大小对EFGM的计算精度和计算效率有很大的影响，影响域尺寸的确定要遵循“足够大又尽量小”的原则，为合理确定影响域尺寸，采用动态节点影响域方法，在保证EFGM的计算精度的同时兼顾计算效率。MLS形函数不具备插值性质，为方便EFGM本质边界条件的处理，采用混合变换法对MLS形函数进行局部修正，实现了EFGM本质边界条件的精确施加。研究了三维无网格伽辽金方法的具体实现过程，给出了规则六面体固定背景网格积分方案的实施方法和EFGM的程序设计步骤。研究了基函数、权函数、高斯积分阶次和节点密度等因素对EFGM的计算精度和效率的影响，得到了这些因素对计算精度和效率的影响规律。 将无网格伽辽金方法与刚(粘)塑性流动理论相结合，建立了刚(粘)塑性无网格伽辽金方法(RVPEFGM)，并将其应用于三维金属体积成形工艺过程的模拟。基于速度场函数的MLS近似离散形式，推导建立了三维金属体积成形问题中应变速率向量、等效应变速率、体积应变速率的离散格式。采用罚函数法施加体积不变条件，根据不完全广义变分原理，给出系统能量速率泛函的组成，推导出能量速率泛函各组成部分的变分，并获得其矩阵表示形式。研究模具和工件间的摩擦边界条件的处理方法，采用反正切摩擦模型描述摩擦接触边界条件，实现了任意形状模具的三维金属体积成形过程模拟分析中摩擦边界条件在三维局部坐标系下的正确施加，推导建立了三维金属体积成形问题RVPEFGM的刚度方程，在局部坐标系下总装刚度方程，采用Newton-Raphson迭代法对刚度方程进行求解。完善了刚(粘)塑性无网格伽辽金方法基础理论研究，给出了刚(粘)塑性无网格伽辽金方法分析三维金属体积成形过程的模拟分析步骤和程序流程。 实际生产中，大多数金属体积成形工艺过程属于三维非稳态大变形金属塑性成形问题，其成形过程极其复杂，为把RVPEFGM应用于实际生产，并实现分析程序的通用性和自动化，进而发挥无网格方法处理金属体积成形问题的优势。本文结合金属体积成形过程的特点和工艺要求，对三维金属体积成形过程无网格伽辽金方法数值模拟的关键技术进行了深入研究。解决了诸如模具型腔的几何信息描述、接触节点局部坐标系的建立、初始速度场的确定、速度场的收敛性及控制技术、刚性区的处理、体积闭锁问题的处理、工件边界节点与模具的动态接触与脱离的自动处理、区域及边界积分的实施方案等若干关键技术。 采用有限元网格方法描述模具型腔，建立了读取ASCⅡ码格式的STL数据的接口程序。提出了边界接触节点局部坐标系的建立方法，并给出了整体坐标与局部坐标的转换矩阵。金属成形过程中存在着不产生塑性变形的刚性区，为避免刚性区导致的数值计算问题，给出了工件变形过程中刚性区的处理方法。初始速度场的选取直接决定着Newton-Raphson迭代的收敛性和收敛速度，采用直接迭代法生成初始速度场，能够改善Newton-Raphson迭代的收敛性。采用“急降缓升”方法搜索迭代收敛方向，进而确定衰减因子β的取值，提高了Newton-Raphson迭代的收敛速度。针对三维金属体积成形过程RVPEFGM分析中的体积闭锁和压力震荡问题，提出了体积应变率映射法，通过将体积应变率·εv映射到低维空间，建立了体积闭锁现象的缓解算法。重点研究了工件边界节点与模具表面接触和脱离的自动处理技术，形成了动态边界自动识别技术的具体算法。提出了根据接触节点到模具型腔三角形面片距离最小的原则进行接触节点位置修正的方法，有效解决了当采用自接触节点到模具型腔三角形面片做垂线进行修正接触节点位置时遇到的“法矢盲区”问题。针对金属体积成形的特点，将单位分解积分法引入到三维金属体积成形RVPEFGM数值积分计算中，解决了使用固定背景网格时因高斯积分点数量减少而致使模拟分析精度下降的问题。 在上述刚(粘)塑性无网格伽辽金方法理论和关键技术研究的基础上，采用C++语言，自主开发了三维金属体积成形过程刚(粘)塑性无网格伽辽金方法数值模拟分析程序，实现了任意形状模具的三维非稳态大变形金属体积成形过程的RVPEFGM分析，并对锻造、挤压等工艺进行了数值模拟分析，通过与有限元软件分析结果和实验结果的比较，验证了所提出的方法及处理技术的正确性。同时在分析对比、实验验证、算例检验的基础上，不断修正模型和完善、维护程序，确保了建立的刚(粘)塑性无网格伽辽金方法的基本理论以及开发的数值模拟程序的准确性、可靠性。 采用自主开发的三维刚(粘)塑性无网格伽辽金方法分析程序，对圆形挤压件等通道弯角挤压过程和转向节预成形件热模锻过程进行了系统模拟分析，获得了相关力学分析结果，对金属流动规律、工件等效应力和等效应变的分布以及载荷力的变化等进行了研究，为掌握等通道弯角挤压机理以及转向节预成形件成形工艺和模具设计的合理确定提供了科学指导，实现了对实际生产工艺和模具的优化设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2无网格法在国内外的研究现状及进展

1.3无网格法在金属体积成形过程模拟分析中的应用现状

1.4金属体积成形过程无网格法模拟分析存在的主要问题

1.5本文的选题意义及主要研究内容

第2章无网格法的基本理论

2.1引言

2.2无网格法的主要近似方案

2.2.1核函数近似与再生核质点近似

2.2.2移动最小二乘近似

2.2.3基于点插值法的近似

2.2.4单位分解近似

2.3无网格法的离散方法

2.3.1配点法

2.3.2 Galerkin方法

2.4本质边界条件的处理

2.4.1拉格朗日乘子法

2.4.2修正的变分原理法

2.4.3罚函数法

2.4.4奇异权函数法

2.4.5耦合的有限元-无网格伽辽金法

2.4.6变换法

2.5数值积分方法

2.5.1节点积分方法

2.5.2背景网格积分方法

2.5.3有限元网格积分方法

2.6本章小节

第3章三维无网格伽辽金方法及其精度研究

3.1引言

3.2移动最小二乘形函数的讨论

3.2.1移动最小二乘形函数

3.2.2权函数

3.2.3移动最小二乘形函数中A(x)矩阵的讨论

3.2.4节点的影响区域及影响域大小的确定

3.2.5移动最小二乘形函数的性质

3.2.6移动最小二乘近似方案的近似能力研究

3.3无网格伽辽金方法及其求解过程

3.3.1混合变换法对MLS形函数的局部修正

3.3.2刚度方程的形成

3.3.3区域及边界积分的实施方案

3.3.4场函数的计算

3.3.5无网格伽辽金法的实现过程

3.4影响EFGM计算精度的因素研究

3.4.1基函数对EFGM精度的影响

3.4.2权函数对EFGM精度的影响

3.4.3节点分布密度对EFGM精度的影响

3.4.4高斯积分阶数对EFGM精度的影响

3.5本章小节

第4章三维刚(粘)塑性无网格伽辽金方法

4.1引言

4.2刚(粘)塑性材料的基本理论

4.2.1刚(粘)塑性材料基本假设

4.2.2塑性力学基本方程

4.2.3刚(粘)塑性材料的变分原理

4.3三维刚(粘)塑性无网格伽辽金方法求解过程

4.3.1速度场函数的近似

4.3.2应变率矩阵

4.3.3系统能量速率泛函的组成

4.3.4应变能速率项ΠD的变分

4.3.5罚函数项ΠP的变分

4.3.6三维摩擦边界条件的处理

4.3.7刚(粘)塑性无网格伽辽金方法刚度方程

4.3.8模拟分析步骤与算法流程

4.4算例分析

4.4.1三维方坯镦粗模拟分析

4.4.2棒材头部锻造模拟分析

4.5本章小节

第5章三维刚(粘)塑性无网格伽辽金方法的关键技术研究

5.1引言

5.2模具型腔的几何信息描述技术

5.3局部坐标系的建立

5.4初始速度场的确定

5.5刚性区的处理

5.6体积闭锁问题的解决方案

5.7边界条件的处理

5.7.1速度边界条件的施加

5.7.2接触节点边界条件的处理

5.8收敛判据和迭代收敛控制技术

5.8.1收敛判据

5.8.2迭代收敛控制技术

5.9动态边界的自动处理技术

5.9.1工件边界自由节点的触模判断和处理

5.9.2接触节点的脱模判断及处理

5.9.3接触节点的位置调整

5.10单位分解积分方法的应用

5.10算例分析

5.10.1连杆锻造过程模拟分析

5.10.2十字花件非稳态挤压模拟分析

5.11本章小节

第6章三维金属体积成形过程的刚(粘)塑性无网格伽辽金方法模拟分析

6.1引言

6.2等通道弯角挤压工艺的RVPEFGM数值模拟研究

6.2.1数值模拟模型

6.2.2等通道弯角挤压数值模拟分析及结果讨论

6.2.3等通道弯角挤压实验研究

6.3转向节预成形件热模锻过程的RVPEFGM数值模拟研究

6.3.1转向节预成形件

6.3.2转向节预成形件热模锻工艺设计

6.3.3转向节预成形件成形过程的数值模拟分析

6.4本章小节

第7章结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

攻读博士期间完成的论文

发表论文一

发表论文二

发表论文三

攻读博士期间参与的科研项目