金属成型CAE分析报告.docx

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金属成型CAE分析报告

学生学号

成绩

《金属材料成型CAE技术》

数值模拟报告

报告名称

挤压速度对纯钛等径

角挤压中应力的影响

开课学院

材料学院

指导教师姓名

学生学号

学生姓名

学生专业班级

2012

--

2013

学年

第

一

学期

一．问题描述3

1.研究背景3

2.研究任务4

3.零件图4

二．制定数值模拟方案5

1.工艺分析5

2.拟定数据模拟路线5

2.解题思路6

三．有限元模拟过程7

1.建立有限元模型7

2.分析速度对应力分布的影响7

3.分析速度对等效载荷的影响9

四．结果与讨论11

五．小结11

一．问题描述

1.研究背景

金属挤压成形过程中，计算机模拟已经广泛应用。

在数值模拟过程中，都要求输入各种参数，如几何形状、网格、非线性材料的流动应力曲线、载荷情况、摩擦准则等。

参数识别这种由输入得到结果方法，已经得到成熟的应用。

与正向分析相对应的是逆向研究分析，它是作为如伺确定试样的初始形状和各种模具参数的优化，目的是为了在塑性成形后得到所希望得到最终几何形状[4]，这种分析方法在目前为许多学者所关注。

本试验研究在钛的EPCA成形过程中挤压速度对等效载荷和试样中应变分布的影响情况。

等通道转角挤压（ECAP:

EqualChannelAngularPressing）是一种通过大塑性变形获得金属基块体超细晶材料的重要加工技术，由前苏联科学家Segal及其同事最先提出并进行研究。

等通道转角挤压所采用的模具是由两个具有相同形状和截面积的通道以一定内转角和外转角相交组而成，如图1所示。

挤压时，对金属试样施加荷载使其通过以一定转角相交的两条通道，试样被挤出，材料通过转角附近时材料内部产生剧烈的沿转角对角线方向纯剪切塑性变形，经过如此反复多道次的挤压，材料的晶粒被显著细化，获得相对均匀的具有大角度晶界的等轴晶组织，在不改变初始材料尺寸的情况下制备出块状超细晶材料，晶粒尺寸经可细化到亚微米级或纳米级。

等通道转角挤压对材料的性能优化效果是很显著的，可以在不改变材料形状的情况下有效细化晶粒制备出超细晶材料，同时提高材料的强度和塑性，产生高温甚至常温超塑性，改善材料疲劳性能、耐腐蚀性能等。

当前，有限单元法作为一种行之有效且应用广泛的工艺仿真技术已成为被应用于分析和研究金属塑性成形问题的数值分析方法，大大降低了生产成本、缩短产品开发周期，在优化工艺设计和参数上发挥重要作用。

ECAP加工变形过程属于复杂非线性大变形过程，有限元法可根据实验和理论方法给出的本构关系、边界条件、摩擦关系式等，按变分原理推导出场方程，根据离散技术建立计算模型，实现对ECAP变形过程进行数值模拟，分析成形过程中的应力应变分布及其变化规律，由此提供较为可靠的主要成形工艺参数。

2.研究任务

与其它压力加工方法一样，挤压时的流动不均匀性总是存在的。

首先是由于外摩擦的存在，沿断面上的摩擦作用力场强在径向上的分布，以接触界面处最强，越远离界面越弱，对金属的阻力作用不会一样；其次，锭坯横断面上的温度分布，由于加热方式、变形过程中的生产热、以及热传导等因素的综合作用，不可绝对均匀，因此，沿径向上金属的变形抗力分布不同，变形抗力低的部分易于流动；最后，模孔几何形状和模孔分布，使实际的应力分布更为复杂，如上所述，对准模孔部分的金属流动阻力最小。

不同的挤压速度对金属流动也有较大的影响：

在一定的挤压速度内，随着挤压速度的增加，变形抗力逐渐增加，则不利于金属流动，金属流动性逐渐变差。

在模角为120°时，随着挤压速度的增加，所挤出的成品端部的弯曲程度有增大趋势，可以看出，随着挤压速度的增加（在一定挤压速度范围内），金属流动流动不均匀性逐渐增加。

利用三维有限元模型研究工业纯钛等径弯曲通道挤压（ECAP）变形过程，通过数值模拟分析挤压速度对材料变形过程的应力影响规律，根据后处理导出数据，通过模拟观察，获得了在室温下对工业纯钛进行ECAP变形的最优工艺参数。

3.零件图

Φ10x70mm

二．制定数值模拟方案

1.工艺分析

采用有限元商品软件DERORM5.0对ECAP变形过程建模并进行三维模拟计算和分析。

模具和挤压杆相对工件具有足够的强度，可视为刚体。

试样的尺寸为Φ10mm×70mm，材料为工业纯钛，其泊松比为0.32,正弹性模量为112GPa，质量密度为4.5×103kg·m－3。

考虑到回弹的存在采用弹塑性模型，模型网格由系统自动划分，采用八节点六方等参单元。

变形过程中，挤压杆的压下速度为0.5——2mm·s－1，选择固定位移步长方式，采用常摩擦模型。

整个变形在300℃下进行，视为等温过程。

（1）建模

（2）导入

将已建好的PRO-E模型导入DEFORM模拟软件中，对上模具和下模具进行温度设定和网格划分及边界条件设定。

（3）仿真技术分析

通过有限元法和有限体积法对模型进行仿真分析，进而揭示圆管等径模挤压过程中金属流动行为分析，展现型材变形细节，为提高型材质量，设计挤压模以及制定合理工艺，提供了理论依据。

（4）有限元数值模拟

在使用Deform-3D模拟软件模拟过程中，分别选用挤压速度为0.5、1.0、1.5、2.0四组数据，针对上述参数的不同组合进行挤压过程数值模拟,获得了不同挤压速度对等效载荷、应变分布等因素的影响规律,为挤压工艺及模具的优化设计可以提供理论参考。

2.拟定模拟技术路线

文献表明，有限元法已被成功地应用于模拟研究钛及钛合金材料挤压过程，分析模具结参数、工艺参数（挤压速度、模具和坯料的温度、挤压比）等对产品质量的影响，并指导生产实践。

有限元法是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟，还利用简单而又相互作用的元素，即单元，就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。

有限元分析过程大体分为前处理、分析、后处理三大步骤。

在前处理过程中要构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元分析的输入数据。

有限元分析过程主要包括：

单元体分析整体分析载荷移置引入约束求解约束方程等过程。

有限元分析的后处理主要包括对计算结果的加工处理编辑组织和图形表示三个方面。

如下为有限元模拟流程图

3.解题思路

本文采用有限元方法，对工业纯钛在室温下的ECAP变形过程进行了三维有限元模拟，主要研究挤压速度对挤压过程中等效载荷和应变分布的影响，最终将模拟结果与实验相结合，成功实现了室温下工业纯钛的ECAP单道次变形。

有限元分析过程大体分为前处理、分析、后处理三大步骤。

在前处理过程中要构造计算对象的几何模型，要划分有限元网格，要生成有限元分析的输入数据。

在前处理中设定好已定参数，然后进行运算（run）,最后在后处理中查看等效载荷和应力分布情况，生成曲线并将图线导出，对不同速度下的图线进行比较分析得出结论。

三．有限元模拟过程及数据分析

1.建立有限元模型

挤压参数：

温度T=300℃摩擦系数f=0.12网格数为5312

直径为10mm圆柱长为70mm

运用UG软件，根据已知尺寸来构建模型。

然后将模型导入Deform软件进行模拟，以及对坯料进行网格划分（其中网格数目为53124个）。

2.挤压速度对等效应变的影响

本部分采用120度通道夹角模具，外圆角为20度，内圆角半径为零；另外，模具与工件间的摩擦系数均取为0.12。

模拟过程分别研究了挤压速度为0.5mm/s1.0mm/s1.5mm/s2.0mm/s时对工业纯钛ECDP变形的影响。

从等效应变分布图（如下所示）可以看出，随着挤压速度的提高，变形的不均匀性增大。

当速度为0.5mm/s时，其等效应变分布的均匀程度明显大于其它挤压速度的试样等效应变的分布，变形的剧烈程度随着挤压速度的增加而增大。

当速度较低时，由于变形过程中回复作用较充分，有更多的位错被晶界吸收，因此材料的微观结构更加均匀。

另外，挤压速度对变形过程中的最大等效应变影响很大，如图所示。

当挤压速度为0.5mm/s试样中等效应力集中在0.433-0.867之间，而当挤压速度

为2.0mm/s试样中等效应力集中在0.867-1.3之间，明显速度小的情况下最大等效应力比速度大时要小，且等效应力在最大等效应力附近的点要少。

显然，最大等效应变越大，模具在局部所受的作用力就越大，从而影响模具的寿命。

对于难变形的金属，如钛，由于滑移系少，难变形，大的应力应变极易在试样表面有缺陷处出现裂纹。

3.挤压速度对挤压载荷的影响

挤压速度对最大挤压载荷的影响也还比较明显。

但是总的趋势是随着挤压速度的增大最大挤压载荷增大，如图所示，当挤压速度为0.5mm/s时最大载荷为42656N，当挤压速度为1.0mm/s时最大载荷为40089N，当挤压速度为1.5mm/s时最大载荷为44000N，当挤压速度为2.0mm/s时最大载荷增加到48506N。

可知，速度由0.5mm/s增大到2.0mm/s，最大载荷总趋势是增大的，但在速度为1.0mm/s时出现变小的情况，可能是在一定的温度和摩擦因数下，试样的挤压速度存在一个最优值，使得挤压载荷相对其他的较小，而这个速度不一定是最小的。

而且速度不能过大，在本试验中当挤压速度为2.0mm/s时，由图可以看出载荷分布曲线出现了突变的情况，说明挤压不稳定，不可采用。

图一．速度V1=0.5mm/s

图二．速度V1=1.0mm/s

图三．速度V1=1.5mm/s

图四．速度V2=2.0mm/s

四．结果与讨论

由以上数据分析得出挤压速度越高，挤压件温度越高。

随着挤压速度的提高，变形的不均匀性增大，最大等效应变和最大挤压载荷也增大。

因此在实际试验中，对于难变形的材料，挤压速度过高试样往往容易挤裂。

最大挤压载荷也随着挤压的速度的增大而增大。

五．小结

等通道转角挤压（ECAP）是一种可以简单有效地获得块体超细晶材料的制备方法，具有广泛的应用发展前景，目前大多数的研究工作都结合实验与计算机模拟两方面进行，取得了一定的成果。

但是由于不同的研究人员所采用的材料、模型不同，结论也各不统一，ECAP模拟还需要系统全面地考虑各种实验参数的影响，特别是考虑不同材料性能、力学本构关系以及微观晶体结构对ECAP加工的影响，以便获得普遍适应生产应用的最优工艺参数。

另外在超细晶材料的本构关系建立和摩擦模型建立上还要进一步研究以提高模拟结果与实际实验的吻合。

ECAP多道次加工的模拟分析也是研究的难点，有待于解决。

本报告中对工业纯钛ECAP中加压速度对有效载荷和应变分布采用DEFORM软件进行有限元数据模拟分析，得出了以上结论，但之中人存在问题，在速度增大到2mm/s以上时，等效载荷曲线出现异常，有突变现象，对于引起此现象的原因和结论还有待进一步探讨研究。