基于DEFORM3D二次開發(fā)的塑性成形過程組織演化模擬

1、基于DEFORM3D二次開發(fā)的塑性成形過程組織演化模擬作者：曲周德張偉紅摘要：金屬熱成形方法可以有效改善產(chǎn)品的綜合機械性能，利用有限元模擬可以為控制鍛造和產(chǎn)品質(zhì)量提供理論依據(jù)。在Deform3D的熱力耦合剛粘塑性有限元模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了微觀組織演化的二次開發(fā)，可以擴展有限元軟件的組織模擬能力，并利用該方法對20CrMnTi鋼鐓鍛熱成形過程進行了計算機模擬，得到了熱力參數(shù)的分布狀況和內(nèi)部晶粒度變化的規(guī)律。通過搖臂軸的鐓鍛成形模擬證明了組織模擬能夠為工藝改進提供了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：剛粘塑性；有限元；晶粒尺寸；顯微組織演化；熱鐓鍛0引言高溫成形過程中，金屬將發(fā)生動態(tài)和靜態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生新的晶粒。

2、這種微觀組織的演變在很大程度上決定了產(chǎn)品的宏觀力學(xué)性能1，2。利用熱加工過程控制晶粒大小，細化微觀組織，是提高產(chǎn)品力學(xué)性能的重要手段。因此，研究材料在熱成形過程中宏觀力學(xué)行為和微觀組織的變化，揭示其相互之間的關(guān)系，并依據(jù)優(yōu)化工藝參數(shù)、設(shè)計塑性成形工藝和鍛后冷卻方案，這對解決目前的工藝問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量是很有意義的，同時也是變形過程全面模擬的前沿課題3。有限元數(shù)值模擬技術(shù)是隨著物理模擬設(shè)備的完善以及計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。鑒于有限元法是目前唯一能對塑性加工過程給出全面且較為精確數(shù)值解的分析方法，本文對材料組織性能所進行的數(shù)值模擬均采用該分析方法。數(shù)值模擬軟件是求解塑性加工問題的一個基本工具

3、?，F(xiàn)在市場上已有許多成熟的用于金屬塑性加工的商業(yè)軟件。如DEFORM，MSC.MARC，MSC.SUPERFORM，Dynaform等，但這些軟件都只進行宏觀變形和溫度的分析計算，沒有考慮宏觀與微觀耦合，不具備微觀組織演化的模擬和預(yù)測功能，或者只具有簡單的預(yù)測能力，其模型并不一定適合于所考察的問題。本文通過對Deform3D二次開發(fā)，將適合于材料的組織模型與成形的熱力耦合計算結(jié)合，模擬熱成形過程中的組織演化。模型建立材料在熱塑性變形中除了應(yīng)力和應(yīng)變的變化外，還要發(fā)生復(fù)雜的微觀組織變化，即動態(tài)再結(jié)晶、靜態(tài)再結(jié)晶、晶粒生長等。研究表明，再結(jié)晶的晶粒尺寸和再結(jié)晶晶粒百分比，除了和原始晶粒尺寸與微量元

4、素含量有關(guān)外，主要取決于變形及冷卻過程的溫度、應(yīng)變和應(yīng)變速率。由于熱成形過程的復(fù)雜性，很難進行現(xiàn)場測試，而在實驗室進行研究，只能得到簡單條件下的顯微組織與宏觀熱力參數(shù)間的定量關(guān)系。通過有限元模擬，可以十分方便經(jīng)濟地獲得場量信息，因此可以將有限元用于組織演化的預(yù)報和控制。圖1給出了用有限元模擬材料熱變形過程中微觀組織演化的計算流程。開始緒束送優(yōu)厲環(huán)星圖1基于有限元組織演化模擬流程圖Figure1ThefloinchartofmiciostructuxeeTolutianmodelbased,onFEM頊據(jù)輸出計算再詰晶百分?jǐn)?shù)、晶建尺寸宦九初墻數(shù)據(jù)汁聲風(fēng)雯、應(yīng)變率-溟度増重步厲壞在實驗室通過熱力模

5、擬試驗，可以獲得材料的準(zhǔn)經(jīng)驗數(shù)學(xué)模型，其經(jīng)驗?zāi)Ｐ痛蠖际峭ㄟ^試驗數(shù)據(jù)回歸獲得Avrami形式的數(shù)學(xué)模型。在對有限元軟件開發(fā)過程中，將組織模型離散，在每一迭代步中計算，其計算過程如圖2所示。把再結(jié)晶模型與剛粘塑性有限元程序耦合，即在子程序計算時，首先分析變形過程中的動態(tài)再結(jié)晶，在實際計算中首先判斷再結(jié)晶的體積百分?jǐn)?shù)，當(dāng)Xv0.95時，判斷等效應(yīng)變是否大于臨界應(yīng)變C。如果等效應(yīng)變大于臨界應(yīng)變，則開始計算動態(tài)再結(jié)晶過程；當(dāng)動態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)X0.95時，則直接轉(zhuǎn)為晶粒長大的有關(guān)計算。把靜態(tài)再結(jié)晶模型與熱傳導(dǎo)有限元耦合，可以分析卸載后的靜態(tài)再結(jié)晶。Deform3D是由SFTC公司開發(fā)的一個體積成形有限元工藝

6、模擬專用商業(yè)軟件，其用戶定義子程序的代碼儲存在def_usr.f中，有限元主程序通過調(diào)用該文件中的子程序，可以計算出用戶自定義變量的值。所以關(guān)鍵問題在于該子程序的編寫。其中USRMSH子程序包含了有限元計算中所有的變量。通過這個用戶子程序，可以修改所有這些變量。該子程序申明如下：SUBROUTINEUSRMSH(RZ，DRZ，URZ，TEMP，DTMP，F(xiàn)RZA，F(xiàn)RZB，EFSTS，EFEPS，TEPS，RDTY，STS，EPS，DCRP，TSRS，DAMG，USRVE，USRVN，ATOM，HEATND，EPRE，VOLT，WEAR，DUM1，PRZA，DUM2，DUM3，HDNS，VF，

7、DVF，VFN，TICF，GRNSZ，CURTIM，DTMAXC，BCD，NBCDT，NOD，MATR，NBDRY，KOBJ，NUMEL，NUMNP，NDSTART，NDEND，NUMFAC，NUSRVE，NUSRND，NPHASE，ISTATUS，NROUTINE，NONP)其中TEMP為溫度,DTMP為該迭代步的溫度增量，EFEPS(NUMEL)是等效應(yīng)變率，TEPS(NUMEL)是塑性應(yīng)變增量。在子程序中需讀入組織模擬需要的以上四個基本參量。對于組織模擬來說，通過USRMSH可以修改以下參量：VF(NPHASE，*):再結(jié)晶分?jǐn)?shù)DFV(NPHASE，*):再結(jié)晶分?jǐn)?shù)增量DFN(NPHAS

8、E，*):靜態(tài)再結(jié)晶分?jǐn)?shù)GRNSZ(*):晶粒尺寸實例分析扇形齒輪搖臂軸廣泛應(yīng)用于汽車等各種機動車的發(fā)動機、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、循環(huán)球方向系統(tǒng)。由于在工作時受力復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，要求搖臂軸有較高的力學(xué)性能。因此對其熱成形過程中的組織演化過程進行模擬，指導(dǎo)工藝有著重要的意義4，5。搖臂軸采用一步成形，材料采用20CrMnTi，模具材料為5CrNiMo。因為工件為平面對稱，所以，取其一半進行模擬，坯料劃分為52111個六面體單元，共7085個節(jié)點，上模1918個單元，下模5823個單元。坯料的材料為20CrMnTi,其組織模型如下所示：1)動態(tài)再結(jié)晶模型:dfheightzeductionof40眄hei

9、ghtrediiction點40iw2）靜態(tài)再結(jié)晶模型將組織數(shù)學(xué)模型離散化，通過修改USRMSH子程序獲得了模擬結(jié)果。圖3是模擬使用的模型圖。反映材料熱成形過程的主要特征參量為溫度場（圖4）、應(yīng)變與應(yīng)變速率分布（圖5和圖6）等。圖a有限元模型Figur&3TheFEWmoiliceB=B4b.C=D-597.a首TMSI片B&O.IG=92-6.2B=iaOZ.4i1=1378.5J=lt&HTQ9Z0圧北iaim?r?倔IS?2ai圖4壓F墨為4Qjw時溫度場圖5壓下星為4切Wh時應(yīng)雯場Figure4Thftteapferatm：fti.11dFigure5TliestxaLiitfsld而

10、熱成形過程中材料內(nèi)部顯微組織的變化，可由再結(jié)晶程度和晶粒度大小來說明（圖7和圖8）。圖中坯料內(nèi)的溫度場與圖中應(yīng)變與應(yīng)變率的等值線分布符合塑性加工過程中熱力因素的變化規(guī)律。由圖7可以看出，在這種等效應(yīng)變分布條件下坯料內(nèi)各區(qū)域都發(fā)生了不同程度的再結(jié)晶。圖旨壓下員為M帕?xí)r取燮率FiguiEQTh百臼(已fiIdo-fheightTBductiGno4&ima6=IMWE=!.%&FU.fiST1G-11.ITIKII“IL期魏結(jié)論采用熱力耦合剛粘性有限元微觀組織模擬技術(shù)，對20CrMnTi結(jié)構(gòu)鋼搖臂軸鐓鍛成形進行了模擬研究，所得到的有關(guān)場量信息符合變形規(guī)律。數(shù)值模擬結(jié)果表明：有限元組織模擬可以為搖臂

11、軸熱成形工藝的實施及產(chǎn)品質(zhì)量的控制、生產(chǎn)合格產(chǎn)品提供理論依據(jù)。參考文獻KaiKarhausenK.andReinerKoppR.ModelforIntegratedProcessandMicrostructureSimulationinHotForming.SteelResearch，63(1992)No.6p.247-256Yong-SoonJang，Dae-CheolKo，Byung-MinKim.ApplicationoftheFiniteElementMethodtoPredictMicrostructureEvolutionintheHotForgingofSteel.JounalofMaterialsProcessingTechnology，101(2000)85-94楊慧，張質(zhì)良。溫?zé)峋艹尚挝⒂^組織模擬研究。熱處理vol18，No.4，2003，p1-p4陳慧琴，劉建生，郭會光。Mn18C門8N鋼熱成形晶粒變化的模擬研究。金屬學(xué)報，vol35,NO.1，1999，p53p57曲周德，張士宏，許沂，王忠堂。扇形搖臂軸鐓擠成形熱力耦合分析。熱加工工藝。2004。4Zhou-deQu,Sh.HZHANG。FEManalysisofformingandMicrostructureandPredicitonofPropertiesforWaysh