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1 室溫 下 流變成形 時(shí) 對(duì)稱部位 的 計(jì)算機(jī)仿真 胡云貴 李素陽 羅瑩佘 朱慧玲 譯 摘 要 ： 以 某一種 產(chǎn)品為例，結(jié)合模型的流變理論和 廣泛應(yīng)用于工程 的有 限元計(jì)算方法 ，本文 闡述了在室溫條件下 軸 對(duì)稱金屬 零件 流變 成形 的計(jì)算機(jī)仿真 。 關(guān)鍵詞 :軸 對(duì)稱 零件 ; 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù) ; 流變成形 ; 有限元方法 成形的 許多 方面 涉及 到 模具制造 ， 因此 技術(shù)分析和程序設(shè)計(jì)是非常重要的 而且 它不僅要 對(duì) 技術(shù) 進(jìn)行 研究 更 需要 合理地安排成形的過程 。 合理的工藝處理技術(shù) 是 決定成形成 功或者失敗的 一個(gè)極為關(guān)鍵的因素 ， 與 此同時(shí) ， 它還在很 大 程度上 影響 了模具 的 使用壽命 。 傳統(tǒng)的生產(chǎn) 方法 通常依賴于 人 們的經(jīng)驗(yàn) ， 因此 在 工藝設(shè)計(jì) 時(shí) ， 難免 會(huì)受到 主觀成分 的干擾 。 因此 ， 一旦注塑件被發(fā)現(xiàn) 重疊，分 裂或 是 空 的，就 有必要對(duì)模具的參數(shù) ， 如模具的半徑 ， 錐 度 和弧度 進(jìn)行 修改 ， 而 當(dāng)前 的技術(shù)參數(shù) ， 如成形溫度和變形速度或應(yīng)變速率 也 必須加以 改 正 。它 將不可避免地 須 要花費(fèi)大量的人力資源 ， 物力和時(shí)間 ，并且 導(dǎo)致了 生產(chǎn)率的降低。 當(dāng)然 ， 也就不能 推進(jìn)符合 標(biāo)準(zhǔn) 的現(xiàn)代工業(yè) 。 計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和行為以及參與系統(tǒng)控制的人的思維過程和行為進(jìn)行動(dòng)態(tài)性比較逼真的模仿。它是一種描述性技術(shù) ，是一種定量分析方法。通過建立某一過程和某一系統(tǒng)的模式，來描述該過程或該系統(tǒng)，然后用一系列有目的、有條件的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標(biāo)，為決策者提供有關(guān)這一過程或系統(tǒng)得定量分析結(jié)果，作為決策的理論依據(jù) 。 隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展 ， 計(jì)算機(jī)仿真 技術(shù)的 重要 性 日益更加突出 。 通過計(jì)算機(jī)模擬復(fù)雜的計(jì)算可以很大 程度上 的提高 設(shè)計(jì)速度和精度 ，而且可以減少 大量的體力勞動(dòng) 。 在 計(jì)算機(jī)仿真過程 中，將 不同類別的模具參數(shù)和工藝參數(shù)都放進(jìn)電腦可 得到 不同的計(jì)算機(jī)模擬 仿真結(jié)果，從 而可以實(shí)現(xiàn) 得到 最佳的方案選擇 ， 以便優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果 。 計(jì)算 機(jī) 的 模擬過程 ， 并不需要很長時(shí)間 ，僅僅 需 要 幾個(gè)小時(shí)進(jìn)行計(jì)算和仿真 。 2． 計(jì)算機(jī)模擬流變成形軸 對(duì)稱 部分 的 機(jī)械基礎(chǔ) 計(jì)算機(jī)仿真處理流變成形 中的 軸 對(duì)稱 部分 ， 本文側(cè)重于計(jì)算機(jī)模擬流變成形時(shí)受前后 擠壓 軸對(duì)稱 部分塑 件的成形（如圖 1（ a）所示）， 這一部分 的 材料是 具 2 有 彈性 和 粘塑性 的 合金， 這可以說是一個(gè) 標(biāo)準(zhǔn) 模型 (如圖 1（ b）所示 )。在單軸應(yīng)力狀態(tài) 下，通過公式： 2p ? ? ? ?? ? ? （ 1） 得到 它的 矩陣 組成是 [ 2， 3 ] ，在這個(gè)過程中 受到 向前和向后 的 擠壓 ， 這部分 的 流變成形涉及到大變形，只有輕微的變形可 以 忽略 。 因此， 公式 ( 1 )可改為 2? ? ??? （ 2） 其中 G 為剪切模 ; s 和 E 分別是總應(yīng)力和總應(yīng)變， ??和 分別是 應(yīng)力和應(yīng)變率 ，p?是 塑性粘度 。 圖 1（ a)基本視圖 ;(b)標(biāo)準(zhǔn) 模型 ;(c)單元分離。 在復(fù)雜 應(yīng)力狀態(tài) 下， 其 基本結(jié)構(gòu) 關(guān)系 是 12 2 ( )si j i j i j i ? ? ? ?? ? ? ?（ 3） 這里的表 塑性應(yīng)力分量 ， 2表粘性應(yīng)力分量 。 1 2 ?? ， 2 2ij ??? （ 4） 在流變力學(xué) 的 分析方法 中 ，沒有必要 對(duì) 固體和液體加以區(qū)分 。公式（ 3）可以轉(zhuǎn)換為 2 ( )ij ? ?? （ 5） 在這里 ( ) ( )???（ 6） 可視為一種廣義的粘度 。 3． 流變成形軸 對(duì)稱 部分采用了計(jì)算機(jī)仿真的計(jì)算方法 3 在此流變成形軸 對(duì)稱 部分的 成形 過程中計(jì)算機(jī) 仿真 模擬方法作為有限元計(jì)算方法 。采 用這種方法 ，鋼 坯應(yīng)該先裝箱，然后 才是 插值 函數(shù)的建立 。在此之后，應(yīng)變矩陣 ， 應(yīng)力矩陣及剛度矩陣應(yīng)制定并 且還要在 最后 采用 綜合分析，全 方位 剛度矩陣應(yīng)該 是矩陣 [4， 5]。當(dāng) 然電腦 只 模擬工件流變成形的一部分 形和三角形元素 （如圖 1（ c）所示）。 假設(shè)插值是 [N]和節(jié)點(diǎn)位移 ??e? ，通過插值，可 以得到單元 位移 ( f )： ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 7） 考慮幾何應(yīng)變關(guān)系 ，這里的 位移 為： ? ? ? ? ? ?1 ()2 ef f B??? ? ?（ 8） 這里 的 ? ? ? ? ? ?? ?12B N N? ? ? ?是應(yīng)變矩陣 。利率 ? 是： ? ?? ? d????? （ 9） 通過引入 公式 (5)和 (9)改變?yōu)椋? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 S? ? ? ??? （ 10) 這里 ? ? ? ?? ?2S H B?? 為 應(yīng)力矩陣 ， 基于 虛擬工作 原理 得到： ? ?? ? ? ? ? ? ? ?vF d v? ? ???? ??? (11) 這里的 ?? 節(jié)點(diǎn)力的矩陣元素 ； ? ?T?? ， ??? 分別為 應(yīng)變 和 應(yīng)力 單元。 通過公式 (8)及 (10)公式 (11)可改 進(jìn) 為 ： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?e ev v d B S d v K? ? ?? ? ???? ??? (12) 這里的 ? ? ? ? ? ? S d v? ???為剛度單元。 通過 集合所有的元素，將會(huì)實(shí)現(xiàn)全 方位的 剛度。 圖 2 金屬 在 型腔 中的 流動(dòng) 4 4． 計(jì)算機(jī)仿真流變成形軸 對(duì)稱 部 位時(shí) 數(shù)據(jù)的輸入和輸出 基于上述理論 的各 項(xiàng) 要求 ， 通過 仿真軟件 便 可以設(shè)計(jì) 了。 經(jīng)過幾何學(xué) 分析的數(shù)據(jù) ，如 部分機(jī)械性能 和 物理參數(shù)以及模具 輸入 電腦 ，便 可以模擬 塑件 流變成形的部 位了。如圖（ 2）表明了 金屬 在 型腔 中 流動(dòng) 時(shí) ，在三個(gè)特定時(shí)期的 形狀。從金屬流量 的狀態(tài) 可以直接觀察是否有零件 在 型腔 中 懸空或 是充模的很好， 還是在型腔 中 發(fā)生重疊的變形金屬。 因此，觀察金屬流 在 型腔 中的流動(dòng)有著 重要的作用，這項(xiàng)技術(shù)參數(shù) 可以使我們更 理性的判斷。 圖 3 （ a） 速度場 (b) 主應(yīng)力場 (c)模具邊界的節(jié)點(diǎn)力 如圖 3(a)所示 顯示 時(shí)間與速度場的關(guān)系， 顯示速度 所有 粒子的定向線段 。線段的方向 顯示 速度 的方向而 長度顯示了速度 的大小，只有 通過分析速度場，才能決定設(shè)計(jì)參數(shù)是否能滿足要求 。圖 3（ b）和 (c)分別 說明在此流變成形的過程中主應(yīng)力場和節(jié)點(diǎn)力在某一個(gè)時(shí)間 點(diǎn) 模具邊界 的受力情況。圖 3(b)顯示 主應(yīng)力的某一粒子的定向環(huán)節(jié)相互垂直。 從 一個(gè)主應(yīng)力場 開始， 我們可以掌握工件任何粒子的應(yīng)力狀態(tài) ， 這使得 我們可以 方便地進(jìn)行力學(xué)分析 。從圖 3（ c）我們 我們可以清晰地看到 集 合 適用于 模具的 結(jié)點(diǎn) ， 然后，我們可以進(jìn)行分析，以檢查 模具邊界受力是否 合理 ，從而 進(jìn)一步確定是否有必要 對(duì) 塑造參數(shù)和技術(shù)參數(shù)重新 制定 。 5 圖 4（ a） 動(dòng)模 X 方向擠壓力量的曲線圖 ; （ b） 粒子流的軌道 圖 4 的（ a）（ b）分別是通 過電腦模擬擠壓力量的曲線圖 和粒子流的軌道圖。通過計(jì)算機(jī)模擬 擠壓力量的 曲線 ， 擠出 料 的移動(dòng)和固定的結(jié)晶 在 X 和 Y 方向 均可 得到。通過圖 4（ a） ，我們可以選擇一個(gè)合適 壓力 。 在鍛造和擠壓 成形的過程中 ，如果某些參數(shù)不加以合理設(shè)計(jì) ， 工件可能 會(huì)發(fā)生 褶皺 ，成為一 件廢品。通過計(jì)算機(jī) 仿真 模擬，我們可以很容 易 地 觀察 到 工件 在 成形過程是否 可以脫模，從圖 4（ b）我們還可以清楚看到在軸的對(duì)稱部位有沒有 褶皺 。 通過分析得出的結(jié)果進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真 ， 改 進(jìn) 設(shè)計(jì)參數(shù) 從而得到 預(yù)期的效果 。于是 ， 我們可以選擇最佳的一套參數(shù) ， 實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì) 。 應(yīng)當(dāng)指出，盡管計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)現(xiàn)在可以幫助解決許多復(fù)雜的沖壓成型模具與工藝設(shè)計(jì)問題，但它并不是萬能的。如果金屬材料在塑性變形時(shí)的特性超出了現(xiàn)在的本構(gòu)關(guān)系理論所能描述的范圍，或者說材料表面摩擦特性超出了現(xiàn)有摩擦理論所能描述的范圍，那么計(jì)算機(jī)仿真的結(jié)果就會(huì)離實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)。即使計(jì)算機(jī)仿真理論和方法完全 正確，仿真程序完全可靠，也不能保證仿真一定能在沖壓成型模具和工藝設(shè)計(jì)中得到成功的應(yīng)用。那是因?yàn)榉抡婺Ｐ偷慕⒑头抡娼Y(jié)果的合理解釋也對(duì)仿具技術(shù)的成功應(yīng)用有決定性影響。一個(gè)不合理的模型輸入到再完善的仿真軟件中，也不可能得出正確的結(jié)果。因此使用計(jì)算機(jī)仿真軟件的人員一定要具備足夠的背景知識(shí)，主要包括與沖壓成型過程有關(guān)的基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)、計(jì)算力學(xué)知識(shí)、有限元方法知識(shí)及計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識(shí)等。 5 結(jié)論 通過計(jì)算機(jī)模擬軸 對(duì)稱 零件 流變成形 ， 可以實(shí)現(xiàn) 對(duì) 模具產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì) ，從而降低 工人 的 勞動(dòng)強(qiáng)度 ， 使得 模具 的 設(shè)計(jì)和制造的 生產(chǎn) 周期 明顯 縮短 。與 6 此同時(shí)， 設(shè)計(jì)成本和生產(chǎn) 成本 也 可大大降低 ， 產(chǎn)品的質(zhì)量 得到 明顯 的 提高 而且 經(jīng)濟(jì)效益 也 得到了很大程度的增長 。 在將來， 有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究 ， 使得 計(jì)算機(jī)仿真 技術(shù)不僅可以應(yīng)用于 流變成形過程 中 的 非軸對(duì)稱 零件 ， 而 且還可以應(yīng)用于 高溫 情況 下 。 7 參考資料 [1]994. 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