高温合金(GH4169)螺栓镦挤成形有限元模拟

       局温合金，4169螺栓镦挤成形有限元模拟张学绛，党政军。齐广霞沈阳工业学院材料科学与工程分院，辽宁沈阳0016利用相关的有限元分析软牛对高温合金，4169螺栓的敏挤讨程成功地进行了模拟，实现了变形金属的流动分析和模具的优化设计。

      近几年来，伴随，火耗，计算机的广泛应用，限元法作为种行之仃效的数值计算方法已成为研宄塑性加工理论的强有力工具。采用有限元法，可用来模拟金属变形过程，获得变形体在成形过秤仟总，刻的力学信息，分析金屈成形机理，以及预测成形缺陷，及时地为模具设汁环节提出修改总，为实现七缺陷。高质量的加工卞产服务。热锻成形作为传统的塑性加工工艺之，同样也完全能够用有限元法实现有效的计算机模拟。

      1基本理论热锻成形属于典型的金属热加工工艺，与其相对应的数学理论应为刚粘塑性有限元法。刚粘塑性有限元法的理论基础是河31.变分原理，其述是在所有满足运动允许的速度场的解中。真实解使泛函取极值。引体积不变茶件6，该泛函的达式为该泛函的阶变分达式为枳应变速率。

      由于在热加工时，应变硬化效应不显著，而对变形速度有较大的敏感性，因此要在材料的变浙力模型中考虑应变，抑独；响，并仙，的金属流动为裁性认0，型不可玉缩粘性流动。

      经有限兀离散化阳到以节点速度分量为未知数的非线性，程组后采用对式5进行反复迭代，直至速度误差范数泛=，1其中定义为，7或节点误差沿数而士达到预宄指定的值如10为止。

      2刚4占塑性有限元应用中的具体技术2.1模具形状的描述锻模形状千差万多数为光滑过渡。为便于处理边界条件和脱模接触问，必须选用种合理的数学描述方法来处理任意形状的模具。大多数系统均采用以数条直线圆弧和样条曲线的组合来对模具进行描述的方法。若有限元分析软件本身造型功能有限，对于复杂对象的几何建模多借肋于专的，0软件，然后通过定的阁形标准如1；13，51等。丈现，0 0.系统间的数据转换。

      2.2单元畸变与网格再划分刚粘塑性有限元解决的都是大塑性变形问，材料在流动时极易使相应的单元形状产生过度变形导致畸变，使等差变换不能顺利进行。为保证分析结果精度，必须适时进行网格再划分。网格再划分技术包括以下内容1网格畸变程度的判断准则，即判断何时进行网格再划分；2在锻件当前轮廓内生成疏密程度合理的新的网格系统；3进行新旧网格节点的包含测试，确定出新网格节点和新单元中心落入的旧单元；4将与历史有关的量从旧网格系统传递到新网格系统1成新的计算用文件。

      2.3摩擦边界条件的处理摩擦力可用反正切函数限为摩撺因子为接触而上村料上遵几的相对速度可记义为，卞其中为元接触面上的节点数；从为单元接触节点的形函数；为接触结点沿模具面的切向相对滑动速度。这样，摩擦对单元刚度矩阵和载荷列阵的贡献为2.4初始速度场的生成山前，论可知，要进行迭代，就必须给定1个初始速度场。通常都人为地假设个初始速度场，但给出的初始速度场往往难以使，迭代收敛，无法求出分析结果。目前多数有限元分析软件均采用直接迭代法自动生成初始速度场，对于不同的锻造成形问。1户只需输入初始状态下儿个边界接触点的速度约柬倍总。系统即可自动运，生成初始速度场，然后就1进；031；0 15脱模问的处理山尸锻造过程为。稳态成形过程。变形体的边界不断变化，也就是说对尸已接触模具的边界节点时会随变形过程的进1而脱离模具。接触节点圮否脱离模几要根据接触节点的受力状态来判断。若接触节点的节点力或应力在模具而法线上的投影小于零压力，则不该节点在下步内仍与模具相接触；反之，若接触节点的节点力在模具面的法线方向上的分量大于零力，则说明该节点将脱离模具，成为自由边界节点，随之解除接触约束条件。

      3应用举例运用某有限元分析软件对某型号航空用螺栓的镦挤成形过程进行了有限元模拟，并根据分析结果进行了模具的优化设计。

      采用轴对称坯料，材料为，169，模具也是轴对称的，材料为模具钢。在本实例中，由于螺拴的儿何形状约，条件。以及外载荷都几有对称性。所以螺栓的应九应变。位移冷邡妃轴对称的，因此可把实际的维问转化为简单的平面维问，并取其纵向截面的分之进行研究。1为利用软件自带的建模功能所建的几何模型，并自动进行了网格划分。由于金属在成形流动程中，会与阴模及夹套产生很大的摩擦，故在其面分别建立了对接触副，如步进行，即每步的成形结果作为下步有限元模拟的初始条件每步成形过程分别求解，制1后处理程序对所求问解答进亍观察分析。阁4为第步成形过程中的变形过程，由金属在成形不同阶段的塑性流动状态可以看出，在步镦挤过程中，每步都有不同程度的充不满现象，这必然导致锻件精度不高，后继加工繁琐，材料浪费率。同时，在与螺栓头局杆部纠接处的圆缫付应的狐湖角部分，应力触响模具的使用寿命。鉴于此提出以下两点修改建议1焯大模具圆角半径；2，加镦挤工步。

      实践证明，该有限元模拟结果与实验结果基本上致。模拟出的金属流动情况同实际情况大致相同。流线分布比较均匀流畅。未产生折拎断裂等缺陷，金属充不满的情况也与丈际相符。这同时也验证了有限元模拟技术在解决热锻成形问方面的可行性实用性和可靠性。

      4结束语成功地进行了模拟，得到了零件成形不同阶段的各种力学参数和变形结果，并根据模拟结果对模具进行了优化设汁。1时。本次模拟过程也存在着不足之处由于该镦挤过程是迎过多个。步来进行的对每工步的模拟都需屯新进行网格划分这就使得不工步间木来应该连续的金，流线变得杂乱无章，不便于对零件整个成形过程流线分布的考察和分析，而实如对某些重要零件的这分析恰恰是极为重要的，这还有待作者以后对此做进步的完善和改进。

      3，148如4，2131世界塑性加工最新技术译文集以。北京机械工业出版社，2000.

      4赵国群。轴对称锻造过程金属流动规律的有限元模拟。模具技术，1992，1.

      5高振艳。有限元模拟金属塑性变形的网格划分与再划分技术及其应用儿吉林工业大学学报，1993，232.