轮辐三旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模拟方法

摘要

本发明一种轮辐三旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模拟方法，通过建立正确的有限元模型，能够在计算机上观察到轮辐的整个成形过程，获得轮辐成形过程中金属的流动规律，以及旋压成形过程中轮辐厚度、应力、应变的分布和变化情况，能够及时发现轮辐成形过程中存在的成形质量问题，获得工艺参数和模具设计参数对轮辐产品的质量影响规律，使轮辐在实际生产前就能预先评估其成形性能，从而能够有效改进工艺设计方案，提高轮辐产品质量，避免试错法带来的大量人力和物力的投入，进而降低轮辐生产成本和缩短产品研发周期。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车轮辐的三旋轮错距强力旋压工艺，特别是涉及一种轮辐三 旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模拟方法。

背景技术

汽车的车轮主要有铝合金和钢两种材质，随着变厚度等强度设计和高强度 钢板的应用，钢制车轮在承载能力和经济性方面表现出更大的优越性。钢制车 轮通常是由轮辋和轮辐焊接而成，其中轮辋常采用滚压成形制造，轮辐采用旋 压成形制造。

轮辐错距旋压成形，是在旋压成形制造中将两个或三个旋轮在轴向错开， 布置于不同的空间平面内，在径向依次使板坯减薄以获得所需的轮辐制件。错 距强力旋压能够在一道工序中完成原来需要几道工序才能完成的工作，具有生 产效率高、产品精度高的优点。在轮辐错距旋压成形过程中，因为一道工序中 既有普通旋压成形特点又有强力旋压成形特点，板坯变形过程复杂，当模具设 计和工艺参数施加不当，轮辐会出现贴模性不好、壁厚不均匀等缺陷。针对重 型钢制轮辐三旋轮错距强力旋压工艺，现有的研究方法往往是单纯依靠试验方 法，该方法存在周期过长、成本过高等缺陷，严重制约了轮辐三旋轮错距强力 旋压工艺的发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮辐三旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模 拟方法，通过有限元数值模拟方法获得轮辐成形过程中金属的流动规律，得到 工件的应力、应变、厚度等物理场分布数据，进而在实际生产前就能预先评估 轮辐成形性能，从而能够有效改进工艺设计方案，提高轮辐产品质量，降低生 产成本和缩短产品研发周期。

本发明一种轮辐三旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模拟方法，具体步 骤如下：

步骤1、构建轮辐三旋轮错距强力旋压成形有限元计算模型：

①根据生产实际在ABAQUS软件中建立板坯的几何模型，使用三维八节点减 缩积分实体单元C3D8R作为计算分析单元，将板坯进行网格化处理，通过单向拉 伸实验获得板坯的工程应力-工程应变数据，将其转变为真实应力-真实应变数 据后，以该数据定义板坯的材料属性；

②在ABAQUS软件中建立轮辐三旋轮错距强力旋压成形工艺的几何模型， 该模型包括尾顶、芯模、由粗旋轮、第一精旋轮和第二精旋轮组成的三个旋轮 和坯料；然后安放布置各几何模型的位置，所述三个旋轮在空间上间隔120°呈 均匀分布，旋轮安装角均为15°，粗旋轮与第一精旋轮，第一精旋轮与第二精 旋轮之间的轴向错距值均为6mm；

③施加仿真模型边界条件，包括旋轮的进给速度、总的成形时间和芯模的 转速；

④模型的接触对包括粗旋轮-坯料外表面、第一精旋轮-坯料外表面、第二 精旋轮-坯料外表面、芯模-坯料内表面、尾顶-坯料外表面、尾顶体-坯料内环 面共6对接触对，各接触对采用面面接触方式，接触算法采用罚函数法；

⑤加载三个旋轮的轨迹曲线：其中第二精旋轮的圆弧顶点轨迹曲线是轮辐 的外形母线，该曲线是采用圆弧分段进行光滑过渡连接的复杂曲线，第一精旋 轮和粗旋轮的轨迹曲线通过将第二精旋轮的轨迹曲线偏置获得，在有限元计算 模型中将曲线离散为许多个离散点，然后采用位移加载的方式进行加载；

步骤2、验证仿真模型的正确性：

计算轮辐成形过程中变形体动能与内能的历史比值，以及伪应变能与内能 的历史比值，如果所述动能与内能的比值在成形过程中不超过阈值，则可以认 为板料变形是在准静态下发生的；

为了进一步验证计算模型的正确性，采用Geomagic Qualify软件将模拟仿 真所得到的零件模型与轮辐的CAD设计模型匹配对齐后，将两个模型在外形尺 寸上进行对比，若仿真结果的零件模型与轮辐CAD设计模型几何形状尺寸吻合 较好，则验证了所建立模型的正确性；

步骤3、利用ABAQUS软件的后处理模块，观察分析错距旋压成形过程中轮辐 的应力、应变和厚度的物理量的变化和分布情况，及时发现轮辐的成形质量缺 陷：

（1）对轮辐的等效应力在整个成形过程中的分布及变化进行分析，若该些 位置的等效应力值大于阈值，则该些位置是轮辐成形过程中易出现开裂质量问 题的危险区域；

（2）对轮辐的等效应变在整个成形过程中的分布及变化进行分析，通过应 变云图可以分析材料的变形程度，在周向上等效应变值相同就能够表示材料在 周向上变形程度相同，材料变形均匀，不容易出现起皱的缺陷，同时如果大部 分坯料都发生塑性变形，坯料的成形性就好，不容易出现板坯不容易贴模或贴 模度差的问题；

（3）对轮辐的厚度在整个成形过程中的分布及变化进行分析，通过厚度云 图，能够发现轮辐是否出现局部过度减薄，在周向厚度是否相同的情况。

本发明的有益效果是通过建立正确的有限元模型，能够在计算机上观察到 轮辐的整个成形过程，获得轮辐成形过程中金属的流动规律，以及旋压成形过 程中轮辐厚度、应力、应变的分布和变化情况，能够及时发现轮辐成形过程中 存在的成形质量问题，获得工艺参数和模具设计参数对轮辐产品的质量影响规 律，使轮辐在实际生产前就能预先评估其成形性能，从而能够有效改进工艺设 计方案，提高轮辐产品质量，避免试错法带来的过多人力和物力的投入，进而 降低轮辐生产成本和缩短产品研发周期。

附图说明

图1是本发明板坯网格化后的模型图；

图2是本发明板坯所用材料的真实应力-真实应变曲线；

图3是本发明轮辐错距旋压的几何模型图；

图4是本发明旋轮的轨迹曲线图；

图5是本发明模型动能/内能的历史比值；

图6是采用Geomagic Qualify软件将仿真结果和CAD设计模型进行匹配对 齐后，两个模型在外形尺寸上的对比结果；

图7是本发明轮辐错距强力旋压成形过程中轮辐的等效应力分布及变化图；

图8是本发明轮辐错距强力旋压成形过程中轮辐的等效应变分布及变化图；

图9是本发明轮辐错距强力旋压成形过程中轮辐厚度的变化图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明一种轮辐三旋轮错距强力旋压工艺的有限元数值模拟方法，具体步 骤如下：

步骤1、构建轮辐三旋轮错距强力旋压成形有限元计算模型：

①根据生产实际在ABAQUS软件中建立板坯的几何模型，使用三维八节点减 缩积分实体单元C3D8R作为计算分析单元，将板坯进行网格化处理，通过拉伸实 验获得板坯的工程应力-工程应变数据，将其转变为真实应力-真实应变数据后， 以该数据定义板坯的材料属性；

②在ABAQUS软件中建立轮辐三旋轮错距强力旋压成形工艺的几何模型， 该模型包括尾顶、芯模、由粗旋轮、第一精旋轮和第二精旋轮组成的三个旋轮 和坯料；然后安放布置各几何模型的位置，所述三个旋轮在空间上间隔120°呈 均匀分布，旋轮安装角均为15°，粗旋轮与第一精旋轮，第一精旋轮与第二精 旋轮之间的轴向错距值均为6mm；

③施加仿真模型边界条件，包括旋轮的进给速度、总的成形时间和芯模的 转速；

④模型的接触对包括粗旋轮-坯料外表面、第一精旋轮-坯料外表面、第二 精旋轮-坯料外表面、芯模-坯料内表面、尾顶-坯料外表面、尾顶体-坯料内环 面共6对接触对，各接触对采用面面接触方式，接触算法采用罚函数法；

⑤加载三个旋轮的轨迹曲线：其中第二精旋轮的圆弧顶点轨迹曲线是轮辐 的外形母线，该曲线是采用圆弧分段进行光滑过渡连接的复杂曲线，第一精旋 轮和粗旋轮的轨迹曲线通过将第二精旋轮的轨迹曲线偏置获得，在有限元计算 模型中将曲线离散为许多个离散点，然后采用位移加载的方式进行加载；

步骤2、验证仿真模型的正确性：

为了保证模拟精度，模拟结果应是一个可接受的准静态解。通过计算轮辐 成形过程中变形体动能与内能的比值，以及伪应变能与内能的历史比值，验证 所建模型的正确性。如果材料的动能与内能的比值在大部分成形过程中不超过 一个预置的数值，例如10%，则可以认为板料变形是在准静态下发生的。

为了进一步验证计算模型的正确性，采用Geomagic Qualify软件将模拟仿 真所得到的零件模型与轮辐的CAD设计模型匹配对齐后，将两个模型在外形尺 寸上进行对比，若仿真结果的零件模型与轮辐CAD设计模型几何形状尺寸吻合 较好，则验证了所建立模型的正确性；

步骤3、利用ABAQUS软件的后处理模块，观察分析错距旋压成形过程中轮辐 的应力、应变和厚度的物理量的变化和分布情况，及时发现轮辐的成形质量缺 陷：

（1）对轮辐的等效应力在整个成形过程中的分布及变化进行分析，若该些 位置的等效应力值大于阈值，则该些位置是轮辐成形过程中易出现开裂质量问 题的危险区域；

（2）对轮辐的等效应变在整个成形过程中的分布及变化进行分析，通过应 变云图可以分析材料的变形程度，在周向上等效应变值相同就能够表示材料在 周向上变形程度相同，材料变形均匀，不容易出现起皱的缺陷，同时如果大部 分坯料都发生塑性变形，坯料的成形性就好，不容易出现板坯不容易贴模或贴 模度差的问题；

（3）对轮辐的厚度在整个成形过程中的分布及变化进行分析，通过厚度云 图，能够发现轮辐是否出现局部过度减薄，在周向厚度是否相同的情况。

实施例：

（1）在ABAQUS软件中建立板坯的几何模型：厚度t=13mm，内径r=98mm，外 径R=300mm的圆板，使用三维八节点减缩积分实体单元C3D8R作为计算分析单元， 对板坯进行网格化处理如图1所示，单元总数为14400，节点数为18400。输入板 坯材料的力学数据，本实施例中板坯材料为唐山首唐宝生特种带钢有限公司提 供的380cl高强度钢，弹性模量E=193.24Gpa，泊松比v=0.21，密度ρ=7.80Kg/m3， 该材料在常温下的真实应力-真实应变曲线如图2所示。

（2）在ABAQUS软件中建立轮辐三旋轮错距强力旋压成形的几何模型，如 图3所示，包括尾顶、芯模、三个旋轮（粗旋轮、精旋轮1和精旋轮2）和坯料， 三个旋轮在空间上间隔120°呈均匀分布，旋轮安装角均为15°，粗旋轮与精 旋轮1，精旋轮1与精旋轮2之间的轴向错距值均为6mm。

（3）施加有限元模型的边界条件及约束，旋轮的进给速度为15mm/s，总的 成形时间为9s，芯模的转速为600r/min。接触对共6对：粗旋轮-坯料外表面， 精旋轮1-坯料外表面，精旋轮2-坯料外表面，芯模-坯料内表面，尾顶-坯料外 表面，尾顶体-坯料内环面，各接触对采用面面接触方式，接触算法采用罚函数 法。考虑到在轮辐强力旋压成形过程中喷洒了大量的润滑液，三个旋轮与坯料 的接触摩擦系数取0.02，尾顶与坯料的接触摩擦系数为0.2，芯模与坯料的摩 擦系数为0.2。

（4）加载三个旋轮的轨迹曲线。图4为三个旋轮的轨迹曲线，其中精旋轮 2的圆弧顶点轨迹曲线是轮辐的外形母线，该曲线是采用圆弧分段进行光滑过渡 连接的复杂曲线，精旋轮1和粗旋轮的轨迹曲线通过将精旋轮2的轨迹曲线偏 置获得。由于轨迹曲线复杂，在有限元计算模型中将曲线离散为许多个离散点， 然后采用位移加载的方式进行加载。

（5）在ABAQUS软件中提交任务进行有限元数值仿真分析。

（6）验证有限元模型的正确性。计算轮辐成形过程中变形体动能与内能的 历史比值，以及伪应变能与内能的历史比值，如图5所示，从图中看到在模拟 过程中的大部分时间内变形体的动能与内能的比值都较小（小于1%），同时模 型的伪应变能与内能的比值也非常小（小于0.5%），说明不存在严重的沙漏， 计算模型中采用的网格精度是足够的，因此所建立的有限元模型是合理的。为 了进一步验证计算模型的正确性，采用Geomagic Qualify软件将模拟仿真所得 到的零件与轮辐的CAD设计模型进行比较分析，图6是将仿真结果和CAD设计 模型进行匹配对齐后，两个模型在外形尺寸上的对比结果，从图中可以看到仿 真结果与轮辐设计模型的几何形状尺寸吻合较好，证明所建立的模型的正确性。

（7）利用ABAQUS软件的后处理模块对轮辐的等效应力在整个成形过程中 的分布及变化进行分析。从图7中可以看到在坯料与芯模圆角接触的区域及轮 辐外缘收口处等效应力值较大，数值大于600Mpa，这些区域如果材料组织不均 匀或存在微裂纹，便会形成应力集中，在该处轮辐易出现开裂缺陷，说明坯料 与芯模圆角接触的区域及轮辐外缘收口处是轮辐成形过程中易出现开裂质量问 题的危险区域。

（8）利用ABAQUS软件的后处理模块对轮辐的等效应变在整个成形过程中 的分布及变化进行分析。从图8中看到，与尾顶接触的坯料部分等效应变值非 常小，该处坯料基本没有发生变形；与旋轮接触的坯料部位，应变值较大，且 在轮辐周向上等效应变分布比较均匀，形成一圈一圈的应变环，说明板坯在周 向上变形程度相同，材料变形均匀，不容易出现轮辐形状尺寸精度差、起皱等 缺陷。随着旋压成形过程的进行，等效应变环的范围不断增大，应变环自板坯 中心一直向轮辐的边缘推进，说明板坯变形区域扩大，愈来愈多的材料发生塑 性变形，坯料的成形性较好，不容易出现板坯成形困难，不容易贴模或贴模度 差等问题。当旋压成形完成时，数值最大的等效应变环位于轮辐的外缘处，说 明该处板坯变形程度最大。

（9）利用ABAQUS软件的后处理模块对轮辐的厚度在整个成形过程中的分 布及变化进行分析。从图9可以看到与尾顶接触的板坯中心区域厚度不发生变 化，在整个成形过程中厚度一直约为13mm，说明该处材料没有发生变形不存在 减薄现象。随着成形的进行，在精旋轮的旋压作用下，与旋轮接触处板坯壁厚 出现减薄，沿周向厚度相同，沿径向厚度发生变化，形成厚度环。这与实际生 产中为了实现产品的轻量化而采用变厚度等强度设计相一致。成形终了时，在 工件的外缘收口部位坯料壁厚最小，该处工件厚度约为6mm，该数值大于实际生 产要求的最小厚度（5.5mm）。说明轮辐在成形过程中厚度变化均匀，并没有出 现局部过度减薄。由于设计中要求轮辐在周向厚度要相同，并不能出现局部过 度减薄，通过厚度云图，能够发现轮辐是否出现局部过度减薄，在周向厚度是 否相同。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何 限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同 变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。