一种输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法

摘要

一种输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法，包括：（1）建立有限元模型，采用三角面片逼近模具型腔的工作表面，采用4节点的三维四面体单元对工件划分网格，建立有限元模型；（2）边界条件的施加，生成模具和胚件的接触条件以及模具和胚件的约束、载荷及运动条件；（3）有限元计算处理；（4）结果处理与分析，按照模拟生成的应变、应力情况对模拟结果进行分析。选取胚料成型过程分析、金属流动情况分析以及残余应力分布分析作为评级参数，以确定不同材料对锻造过程的影响。本发明有助于掌握输电线路金具锻造成型具体过程，进而可以提出改进建议，为相关技术人员提供参考和借鉴。

说明书

技术领域

本发明涉及一种输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法，属输电线路金具技术领域。

背景技术

电网的安全可靠运行是关乎国计民生的重大问题。为了适应国民经济发展需求，我国在电网建设方面投入了大量的资金以及精力，电网的发展也取得了较为长足的进步。输电线路作为电网重要组成部分，伴随着电网的不断迅速发展，也进入了快速发展的阶段。随着社会的发展与技术的进步，电源与负荷之间的距离越来越远，为保证负荷的正常高效用电，输电线路的规模将越来越大，输电线路事故对电网安全可靠供电造成的影响也将越来越大。其中输电线路金具故障是造成输电线路事故的不可忽视的重要因素之一，输电线路连接金具的运行质量往往对整个输电线路安全稳定运行起着事关重要的作用。

输电线路连接金具是线路悬垂串、耐张串、跳线串中除绝缘子、线夹以及保护金具外的所有金具，其功能是完成导线与杆塔的连接，承载机械载荷。输电线路连接金具的力学性能对于线路整体的运行状况有着直接的影响。输电线路连接金具按照加工工艺的不同可以分为锻造类连接金具和板材类连接金具。锻造类连接金具采用锻造方式热加工成，其力学性能依靠产品加工过程的热处理工艺来保证。因此，要想掌握锻造类连接金具的工艺流程，提高锻造类连接金具的力学性能，就必须对其热处理工艺流程及影响因素进行深入分析。

发明内容

本发明的目的是，为了掌握锻造类连接金具的工艺流程，提高锻造类连接金具的力学性能，对其热处理工艺流程及影响因素进行深入分析，提出一种输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法。

本发明实现的技术方案在于，一种输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法，严格按照输电线路用铝合金材料金具的实际尺寸参数，建立其完整的有限元模型，采用4节点的三维四面体单元对所构建的有限元模型进行网格划分，并施加边界条件；在基于有限元的工艺仿真系统的有限元环境中，通过直接迭代法和牛顿迭代法进行求解；并在后处理器中按照模拟生成的应变、应力情况对模拟结果进行分析；选取胚料成型过程分析、金属流动情况分析以及残余应力分布分析作为评级参数，以确定不同材料对锻造过程的影响。

所述施加边界条件，包括生成模具和胚件的接触条件以及模具和胚件的约束、载荷及运动条件。

所述基于有限元的工艺仿真系统由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。

所述前处理器包括数据输入模块、网格的自动划分与自动再划分模块和数据传递模块。

所述模拟处理器负责完成有限元分析过程，基于有限元的工艺仿真系统(DEFORM)运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组，然后通过直接迭代法和牛顿迭代法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，并在后处理器中获取所需要的结果。

所述后处理器用于显示计算结果，结果是图形形式，或是数字、文字混编的形式；或获取的结果为每一步的有限元网格；等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图；速度场；温度场；行程载荷曲线。

所述数据输入模块用于数据输入模块，包括初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数初始条件。

所述网格的自动划分与自动再划分模块用于网格的自动划分与自动再划分。

所述数据传递模块，用于网格重划分后，在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件数据的传递，保证计算的连续性。

实现所述输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法的装置，为一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

(1)根据金具的具体尺寸，在Pro/E软件中完成1:1的造型并输出成STL 格式文件，导入DEFORM软件，采用4节点的三维四面体单元对工件划分网，建立用于锻造仿真的有限元模型；

(2)施加有限元分析的边界条件，输入初始数据；设置输入参数：运动关系、摩擦系数数、热交换系数；

(3)在DEFORM有限元环境中，通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组，通过直接迭代法和牛顿迭代法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存；

(4)显示计算结果，包括每一步的有限元网格；等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图；速度场；温度场；行程载荷曲线。

本发明的有益效果是，本发明通过建立金具的有限元模型，在基于有限元的工艺仿真系统的有限元环境中，通过直接迭代法和牛顿迭代法进行求解；并在后处理器中按照模拟生成的应变、应力情况对模拟结果进行分析；选取胚料成型过程分析、金属流动情况分析以及残余应力分布分析作为评级参数，确定不同材料对锻造过程的影响。

本发明有助于掌握输电线路金具锻造成型具体过程，进而可以提出改进建议，为相关技术人员提供参考和借鉴。

附图说明

图1碗头挂板图；

左边为主视图；右边为左视图；

图2有限元模型及胚料形状；

图2(a)为碗头挂板模具图；图2(b)为胚料形状；

图3胚料成型过程分析；

图3(a)为成型过程1/4处；图3(b)为成型过程2/4处；图3(c)为成型过程3/4处；图3(d)为成型终止时刻；

图4金属流动规律分析；

图4(a)为成型过程中的金属流动情况；图4(b)为成型结束时的金属流动情况；

图5残余应力分布分析；

图6为本发明方法技术流程图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式如图6所示。

本实施例一种输电线路用铝合金材料金具的锻造成型仿真分析方法，步骤如下：

(1)建立有限元模型：

是否能够建立正确的有限元模型是影响数值模拟精确度的关键。DEFORM运用STL格式描述模具的几何信息，STL格式采用三角面片逼近模具型腔的工作表面，计算效率很高。但DEFORM并不具备建模功能，而是需要Pro/E软件造型并输出成STL格式文件，然后在前处理中导入集合模型，采用4节点的三维四面体单元对工件划分网格，建立有限元模型。

(2)边界条件的施加：

生成模具和胚件的接触条件以及模具和胚件的约束、载荷及运动条件。在准备好前处理工作之后，生成数据库文件，以存储计算过程中生成的结果。

(3)有限元计算处理：

进入DEFORM软件的运算处理模块对数据进行计算。

(4)结果处理与分析：

进入DEFORM软件的后处理模块，按照模拟生成的应变、应力情况对模拟结果进行分析。

选取胚料成型过程分析、金属流动情况分析以及残余应力分布分析作为评级参数，以确定不同材料对锻造过程的影响。

基于DEFORM软件对各类连接金具进行锻造加工仿真模型。DEFORM由前处理器、模拟处理器和后处理器三大模块组成。

(1)前处理器

前处理器包括三个子模块：

①数据输入模块，便于数据的交互式输入，如：初始速度场、温度场、边界条件、冲头行程以及摩擦系数等初始条件。

②网格的自动划分与自动再划分模块。

③数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连续性。

(2)模拟处理器

真正的有限元分析过程是在模拟处理器中完成的，DEFORM运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线形方程组，然后通过直接迭代法和Newton-Raphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，并在后处理器中获取所需要的结果。

(3)后处理器

后处理器用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式。可获取的结果可为每一步的有限元网格；等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图；速度场；温度场；行程载荷曲线等。此外还可以列点进行定点跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、温度等进行跟踪观察；并可根据需要抽取数据。

本实施例以输电线路典型的WS-32110碗头挂板为例，进行金具锻造成型有限元分析的步骤说明：

1、建立有限元模型

根据实际WS-32110碗头挂板的具体尺寸，在Pro/E软件中完成1:1的造型并输出成STL格式文件，导入DEFORM软件建立可以用于锻造仿真的有限元模型，并在DEFORM中设置参数如下：

①模拟方案：一次成型，研究分析模具的磨损和胚料成型情况。

②模拟温度：胚料温度为1050℃，模具温度为350℃。

③上模、下模材料：AISI-H-13。

④模具硬度：HRC50。

有限元分析模型如图2所示；图2(a)为碗头挂板模具图；图2(b)为胚料形状。

2、边界条件的施加

模具和胚件的接触条件为从属关系接触，模具为主体(Master)、胚件为从属(Slave)。

施加有限元分析的边界条件，其设置参数如下所示：

①运动关系：上模为主动模，运动速度为750mm/s，方向沿轴向向下。

②摩擦系数：采用剪切摩擦类型，摩擦系数为0.3。

③热交换系数：11。

3、有限元计算处理

在DEFORM有限元环境中，通过直接迭代法和牛顿迭代法(Newton-Raphson) 进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存。

4、结果处理与分析

①胚料成型过程分析

图3为胚料的成型过程，由于模具型腔较深，刚接触时，胚料被逐步压入型腔，如图3(a)所示；。

然后从胚料后端顶部与成型上模相接触的部分开始变形，如图3(b)所示，变形较大的区域为胚料直径较大一段，变形类型主要为挤压变形。如图3(c) 所示，随着模具不断下压，胚料充满成型上模的后部轮廓，变形逐渐向胚料小段和边缘处扩展，金属开始填充碗头挂板的小头端。如图3(d)所示，变形结束时，模具型腔已经基本全部充满。

②金属流动情况分析

在成型过程中，金属发生了大位移变形。采用粒子跟踪的方法研究金属的流动规律和迁移轨迹，分析变形过程中碗头挂板模具的填充情况。

金属流动情况如图4(a)、图4(b)所示，图4(a)为成型过程中的金属流动情况；图4(b)为成型结束时的金属流动情况。

在成型前期，金属由上向下移动，当接触到模具型腔时，沿模具型腔向外流动。在成型终止前，仍然有部分下端金属流动的方向仍然直接向外，并没有沿模具壁面流动，说明此处产生了充型不满的情况。

③残余应力分布分析

锻件中的残余应力分布不合理会导致锻件在锻造及后续的加工过程中出现加工变形、裂纹等缺陷，产生废品，极大浪费材料和时间。图5为碗头挂板成型过程中的残余应力分布情况。

④模具磨损结果分析

模具在锻造生产中直接影响锻件的精度和质量，随时保证模具的完好非常重要。模具的服役条件很苛刻，所以它的制造都是用较好的材料和复杂的加工工艺，成本很高。锻造过程中，模具的磨损是影响模具寿命的一个非常重要的因素。