基于ANSYSLS-DYNA的空拔鋼管有限元分析

1、基于ANSYS/LS-DYNA的空拔鋼管有限元分析         空拔鋼管過程由于能夠有效靈活地縮減鋼管直徑，獲得所需的機(jī)械性能，因而在實(shí)際生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。目前以實(shí)驗(yàn)分析為主的研究成果一直用于指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)。許多理論研究都將復(fù)雜的三維變形簡化為軸對稱變形，對其變形過程與機(jī)理仍然缺乏系統(tǒng)深入地認(rèn)識，導(dǎo)致生產(chǎn)中出現(xiàn)鋼管縱裂、表面橫裂和模具磨損嚴(yán)重等問題分析不夠。本文應(yīng)用ANSYS軟件的LS-DYNA（顯式動力分析）模塊建立了三維空拔鋼管有限元模型，動態(tài)模擬了鋼管空拔過程，得到了各種場量的分布及工藝參數(shù)對拔制力的影響，進(jìn)而分析了

2、生產(chǎn)中常見問題的成因，并為模具和拔管優(yōu)化設(shè)計提供了可靠的理論依據(jù)。    1 分析模型的建立    1.1 基本原理    空拔鋼管是一個既有接觸非線性，又有幾何非線性和邊界非線性的多重非線性相互耦合問題，鋼管和模具的幾何模型如圖1所示，其變形區(qū)分為減徑區(qū)和定徑區(qū)兩部分，在拔制力的作用下鋼管和模具接觸，鋼管在軸向伸長的同時產(chǎn)生徑向收縮，進(jìn)入定徑區(qū)后鋼管產(chǎn)生彈性恢復(fù)。    根據(jù)虛功率原理建立考慮變形速度和加速度的有限元方程為：    式（1）通常

3、有隱式和顯式兩種解法，本文采用了ANSYS軟件的LS-DYNA模塊所提供的顯式解法。     1.2 空拔鋼管有限元模型的建立    鋼管和模具幾何上是繞同一軸線的回轉(zhuǎn)體，利用ANSYS前處理器很容易建立起鋼管和模具的三維實(shí)體模型。選用具有顯式分析功能的SOLID164單元對實(shí)體模型劃分網(wǎng)格，為得到較為規(guī)則的網(wǎng)格分布，本文采用了映射分網(wǎng)技術(shù)（Mapped mesh），分網(wǎng)后鋼管和模具的有限元模型如圖2所示。    單元屬性的定義包括單元類型（TYPE）、實(shí)常數(shù)（REAL）和材料模型（MAT），在網(wǎng)格劃分前

4、分別定義了模具和鋼管的單元屬性，這樣模具和鋼管就可以分別用PART1和PART2標(biāo)識以進(jìn)行接觸分析，接觸邊界通過設(shè)置接觸類型和摩擦系數(shù)靠PART1、PART2自動識別。    為了加快計算速度，模具按照剛體處理，鋼管材料根據(jù)試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線用多線性隨動強(qiáng)化模型來近似，如圖3所示。    1.3 邊界條件和載荷的定義    鋼管與模具的接觸類型設(shè)置為面面接觸（ASTS），用EDMP命令限制模具的平移和轉(zhuǎn)動。選取鋼管上所有節(jié)點(diǎn)，將其建立為component塊，在其上施加初速度。為了達(dá)到計算的收斂性，加載

5、方式選擇為在鋼管端面上施加一段位移來代替實(shí)際的拉拔力，該位移在保證鋼管被穩(wěn)定地拉出一部分的前提下，數(shù)值不宜過大，這樣可以縮短計算時間。通過位移與時間的匹配來實(shí)現(xiàn)拉拔速度的設(shè)定：首先將時間和位移設(shè)為數(shù)組形式，然后用EDLOAD命令來定義對應(yīng)時間上的位移數(shù)值。    2 建模與分析示例    取一段材料為20B的鋼管，鋼管材料密度為7.83×10kg/mm,彈性模量為2.07×10Mpa,泊松比為0.3，多線性隨動強(qiáng)化采用Cowper-Symonds模型，其應(yīng)變率系數(shù)C為40.0，P為5.0,根據(jù)試驗(yàn)得到的應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)

6、據(jù)如表1所示：    拔前入口直徑為51mm，壁厚為3.39mm；模孔直徑  為42mm，摩擦系數(shù)為0.25，錐角為13°，利用 ANSYS/LS-DYNA軟件進(jìn)行模擬。    2.1 鋼管的變形過程分析    圖4為鋼管在拔制過程中軸向變形分布，能夠看出，鋼管軸向變形的分布規(guī)律為：從左端（拔制力作用端）到定徑帶變形量從絕對值來看是均勻減小，從定徑帶到入口變形量基本不變，但仍小于定徑帶處的變形量。在圖4中最大軸向變形發(fā)生在拔制力作用的左端，其數(shù)值為-32.518mm（“-”表示方向向左

7、），最小軸向變形發(fā)生在鋼管的入口區(qū)，其數(shù)值為-25.538mm。圖5為軸截面上的模型剖視圖（在定徑帶部位放大），從圖中可以看到成型后的鋼管直徑比定徑帶尺寸略小(定徑帶直徑與拔后鋼管直徑相差1.4828mm)，從理論上驗(yàn)證了實(shí)際生產(chǎn)中的空拔鋼管縮徑現(xiàn)象。    2.2 鋼管應(yīng)力分布    在空拔鋼管過程中由于鋼管內(nèi)表面沒有約束作用，處于自由狀態(tài)，而鋼管的外表面則與模具相接觸，它承受了比內(nèi)表面更高的縱向流動阻力，導(dǎo)致鋼管斷面上金屬縱向流動不均勻。從圖6可見，拔制方向的軸向應(yīng)力沿著鋼管壁厚呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，外表面為強(qiáng)拉應(yīng)力區(qū)，內(nèi)表面為強(qiáng)壓

8、應(yīng)力區(qū)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在鋼管的外表面，最大壓應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在鋼管的內(nèi)表面。當(dāng)最大拉應(yīng)力超過臨界值時，鋼管的外表面材料將發(fā)生破壞，這是實(shí)際生產(chǎn)中鋼管橫向裂紋主要產(chǎn)生于外表面的原因。    2.3 拔制過程中拔制力的變化情況    通過計算可得，拔制力隨拔制過程的變化如圖7所示，我們將其分為三個階段：    起始階段  隨著鋼管逐漸與模具發(fā)生接觸，拔制力逐漸增大，對應(yīng)圖7中曲線開始時的拔制力（絕對值）隨時間快速增大的區(qū)段；    流動階段  在鋼管與模具基本上完全

9、接觸后，金屬進(jìn)入一種非穩(wěn)態(tài)的流動階段，此時由于金屬流動，拔制力迅速減小，同時由于流動方向的不確定性拔制力快速變化，對應(yīng)圖7中曲線的抖動區(qū)段；    穩(wěn)定階段  隨著拔制過程的深入，金屬的流動漸趨穩(wěn)定，拔制力不再發(fā)生變化，對應(yīng)圖7中曲線的平直區(qū)段。    3 工藝參數(shù)對拔制力的影響分析    3.1模錐角對拔制力的影響    模錐角拔制力的影響與兩個作用相反的因素有關(guān)，第一個因素為：增加，變形區(qū)長度減小，摩擦面減小，導(dǎo)致正壓力及相應(yīng)的摩擦力減小，拔制力降低；第二個因素

10、為：增加，正壓力水平方向分力增加，同時拔制時在入口處鋼管附加彎曲變形的程度加大，導(dǎo)致拔制力增加。當(dāng)比較小時，第一因素所起的作用是主要的，增大到一定之后，第二因素起主要作用，試驗(yàn)表明，存在一個最佳角度范圍，這時拔制力最小。本文的模擬結(jié)果也證明了這一規(guī)律，圖8則是在計算了不同模錐角與拔制力關(guān)系的基礎(chǔ)上描繪的曲線，可以看到，模錐角在14°時拔制力是最小的。該結(jié)論為模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計提供了依據(jù)。    3.2 摩擦系數(shù)對拔制力的影響    圖9為摩擦系數(shù)與拔制力之間的關(guān)系，隨著摩擦系數(shù)的增加，拔制力線性增大，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中有必要通過提高模具內(nèi)錐面的加工質(zhì)量、采取可靠的潤滑等措施，來減小摩擦系數(shù)，以降低拔制力。    3.3 壁厚對拔制力的影響    圖10所示為壁厚變化對拔制力的影響，其中實(shí)測值是通過測量穩(wěn)態(tài)拔制時安裝在冷拔油缸一端壓力表的數(shù)據(jù)得出的，與理論計算曲線相比較，變化趨勢相同，誤差在15%以內(nèi)，達(dá)到了較好的吻合?？蔀槔浒卧O(shè)備功率的計算提供較為可靠的依據(jù)。    4 結(jié)論    本文應(yīng)用ANSYS軟件