增量体积成形数值模拟技术及其在多道次拔长工艺设计中的应用

摘要

为了实现对锻件产品精确“控形”和“控性”的目标,需要对成形工艺方案进行合理设计,并对成形产品质量进行准确预报。近几十年来,以有限元法为代表的数值模拟技术和相关计算机软硬件技术都取得了显著进步,从而为实现这一目标带来了巨大机遇。然而,目前的数值模拟技术和计算机软硬件技术还不能完全满足实现精确“控形”和“控性”的要求。例如对于许多增量体积成形工艺,由于其工序很多而且耗时很长,导致对工艺方案进行完整数值模拟的成本很高或者并不现实,因而难以采用数值模拟对工艺方案进行完整设计。因此,如何提高数值模拟对于增量体积成形工艺分析的适用性,以及如何将数值模拟合理地应用于成形工艺方案的设计,仍然是具有重要科学与工程价值的问题。本文从金属体积成形通用数值模拟技术、增量体积成形专用数值模拟技术、多道次平砧拔长工艺设计等几个方面进行了研究和探讨,对现有技术进行了改进并提出了一些新技术。
　　 提出了针对增量体积成形的预指定刚性区自由度缩聚原理,并改进了刚粘塑性有限元的非线性迭代算法与待定刚性区自动判别算法。针对增量体积成形的瞬时局部变形特点,根据刚性区材料对总能量泛函的贡献为零以及刚性区材料仅发生刚体运动,首次推导了预指定刚性区自由度缩聚原理——泛函积分区域缩减原理与刚性区节点自由度凝聚原理,从而降低分析系统的自由度规模。改进了非线性刚粘塑性有限元方程组的直接迭代解法与牛顿-拉夫森迭代解法,以提高迭代收敛的稳健性。改进了待定刚性区的自动判别算法,利用变形历史信息来不断更新当前参考平均等效应变率,从而可以适应不同变形条件。
　　 解决了增量体积成形高效稳健有限元模拟的关键技术,包括采用两套网格描述的预指定刚性区自由度缩聚技术、三维动态接触边界搜索处理技术以及离散型流动应力数据插值技术。针对增量体积成形中变形发生在局部区域而传热发生在全部区域的特点,提出了采用“全网格”和“子网格”的描述方法解决分析系统的计算量问题,其中“全网格”用于计算整体温度场,“子网格”用于计算变形区速度场。通过预指定刚性区自由度缩聚技术实现子网格生成以及两套网格间运动映射,从而构造了热力耦合问题的高效分析方法。提出了同时采用“穿透”判据和“靠近”判据的三维动态接触边界搜索算法以及考虑特殊“穿透”情形的接触节点调整算法,还提出了离散型流动应力数据的两种插值方式——简单分段插值和对数分段插值。
　　 引入基于栅格法中“表面零厚度单元层”概念,对非结构化与分层六面体网格分别提出了一种自动重划分方法,并改进了新旧网格问数据传递方式。对于非结构化六面体网格,提出了通过在旧网格空间域上直接覆盖表面零厚度六面体单元层以生成新网格的方法。针对拔长、扩孔、径向锻造等一类增量体积成形工艺,提出了一种分层六面体网格模型,通过四边形单元层插入、表面零厚度六面体单元层覆盖以及后续的网格平滑处理与边界拟合等步骤来实现网格质量优化。在将旧网格单元物理量传递至旧网格节点时,分别采用内部边外插和单元对角外插获得不同类型边界节点的传递值。在计算新网格节点在旧网格单元中局部坐标时,采用粒子群优化算法以提高算法的求解精度和稳健性。算例结果表明,由所提出的非结构化与分层六面体网格重划分方法生成的新网格具有较好质量,且新旧网格间数据传递具有较高精度。
　　 基于上述原理和技术,开发了具有自主知识版权的增量体积成形有限元模拟系统XFORM,并通过数值算例和物理实验对该系统的有效性进行了验证。算例和实验的结果表明:对于一般金属体积成形过程模拟,XFORM与商业有限元软件DEFORM的计算精度相当,且XFORM的迭代收敛速度具有一定优势;将所提出的预指定刚性区自由度缩聚技术应用于某正八角形截面坯料多工步拔长的有限元模拟后,计算效率提高了约62％,且计算精度并无明显损失,从而验证了该技术对于增量体积成形过程模拟的有效性。
　　 基于解析方法与有限元模拟,建立了一套多道次平砧拔长的工艺设计流程。首先,提出了一种基于Markov变分原理的平砧拔长压下过程解析方法。在该方法中,考虑摩擦及刚性端的影响建立了一组变形区瞬态动可容速度场,并采用增量法对压下过程进行分析。在每个增量步中,利用Markov变分原理对速度场进行求解,并将拉格朗日网格应用于数值积分和变形区构形更新。其次,以上述解析法为基础提出了一个多道次平砧拔长的工艺规划算法,可以快速生成满足成形尺寸要求的工艺方案集。然后,以XFORM为核心分析模块,开发了多道次平砧拔长的连续有限元模拟平台,并且包含了预指定刚性区自由度缩聚技术与分层六面体网格自动重划分技术。此外,从工艺角度对拔长过程中压机与操作机的动作进行了分析,并提出了一种描述压机与操作机联动的代码,以用于拔长过程的精确控制与自动化。利用上述工艺规划算法和连续有限元模拟平台,对某35吨特种钢模块的一个拔长工序进行了工艺设计,并生成了压机与操作机联动代码,从而为实际的锻造生产提供了科学的指导。