機械專業(yè)外文文獻翻譯-外文翻譯--室溫下流變成形時對稱部位的計算機仿真 中文版

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1 室溫 下 流變成形 時 對稱部位 的 計算機仿真 胡云貴 李素陽 羅瑩佘 朱慧玲 譯 摘 要 ： 以 某一種 產品為例，結合模型的流變理論和 廣泛應用于工程 的有 限元計算方法 ，本文 闡述了在室溫條件下 軸 對稱金屬 零件 流變 成形 的計算機仿真 。 關鍵詞 :軸 對稱 零件 ; 計算機仿真技術 ; 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 技術分析和程序設計是非常重要的 而且 它不僅要 對 技術 進行 研究 更 需要 合理地安排成形的過程 。 合理的工藝處理技術 是 決定成形成 功或者失敗的 一個極為關鍵的因素 ， 與 此同時 ， 它還在很 大 程度上 影響 了模具 的 使用壽命 。 傳統(tǒng)的生產 方法 通常依賴于 人 們的經驗 ， 因此 在 工藝設計 時 ， 難免 會受到 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 有必要對模具的參數(shù) ， 如模具的半徑 ， 錐 度 和弧度 進行 修改 ， 而 當前 的技術參數(shù) ， 如成形溫度和變形速度或應變速率 也 必須加以 改 正 。它 將不可避免地 須 要花費大量的人力資源 ， 物力和時間 ，并且 導致了 生產率的降低。 當然 ， 也就不能 推進符合 標準 的現(xiàn)代工業(yè) 。 計算機仿真是應用電子計算機對系統(tǒng)的結構、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行動態(tài)性比較逼真的模仿。它是一種描述性技術 ，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、有條件的計算機仿真實驗來刻畫系統(tǒng)的特征，從而得出數(shù)量指標，為決策者提供有關這一過程或系統(tǒng)得定量分析結果，作為決策的理論依據(jù) 。 隨著計算機的發(fā)展 ， 計算機仿真 技術的 重要 性 日益更加突出 。 通過計算機模擬復雜的計算可以很大 程度上 的提高 設計速度和精度 ，而且可以減少 大量的體力勞動 。 在 計算機仿真過程 中，將 不同類別的模具參數(shù)和工藝參數(shù)都放進電腦可 得到 不同的計算機模擬 仿真結果，從 而可以實現(xiàn) 得到 最佳的方案選擇 ， 以便優(yōu)化設計結果 。 計算 機 的 模擬過程 ， 并不需要很長時間 ，僅僅 需 要 幾個小時進行計算和仿真 。 2． 計算機模擬流變成形軸 對稱 部分 的 機械基礎 計算機仿真處理流變成形 中的 軸 對稱 部分 ， 本文側重于計算機模擬流變成形時受前后 擠壓 軸對稱 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 標準 模型 (如圖 1（ b）所示 )。在單軸應力狀態(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 分別是總應力和總應變， ??和 分別是 應力和應變率 ，p?是 塑性粘度 。 圖 1（ a)基本視圖 ;(b)標準 模型 ;(c)單元分離。 在復雜 應力狀態(tài) 下， 其 基本結構 關系 是 12 2 ( )si j i j i j i ? ? ? ?? ? ? ?（ 3） 這里的表 塑性應力分量 ， 2表粘性應力分量 。 1 2 ?? ， 2 2ij ??? （ 4） 在流變力學 的 分析方法 中 ，沒有必要 對 固體和液體加以區(qū)分 。公式（ 3）可以轉換為 2 ( )ij ? ?? （ 5） 在這里 ( ) ( )???（ 6） 可視為一種廣義的粘度 。 3． 流變成形軸 對稱 部分采用了計算機仿真的計算方法 3 在此流變成形軸 對稱 部分的 成形 過程中計算機 仿真 模擬方法作為有限元計算方法 。采 用這種方法 ，鋼 坯應該先裝箱，然后 才是 插值 函數(shù)的建立 。在此之后，應變矩陣 ， 應力矩陣及剛度矩陣應制定并 且還要在 最后 采用 綜合分析，全 方位 剛度矩陣應該 是矩陣 [4， 5]。當 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）。 假設插值是 [N]和節(jié)點位移 ??e? ，通過插值，可 以得到單元 位移 ( f )： ? ? ? ? ? ?? ? ? （ 7） 考慮幾何應變關系 ，這里的 位移 為： ? ? ? ? ? ?1 ()2 ef f B??? ? ?（ 8） 這里 的 ? ? ? ? ? ?? ?12B N N? ? ? ?是應變矩陣 。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 應力矩陣 ， 基于 虛擬工作 原理 得到： ? ?? ? ? ? ? ? ? ?vF d v? ? ???? ??? (11) 這里的 ?? 節(jié)點力的矩陣元素 ； ? ?T?? ， ??? 分別為 應變 和 應力 單元。 通過公式 (8)及 (10)公式 (11)可改 進 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，將會實現(xiàn)全 方位的 剛度。 圖 2 金屬 在 型腔 中的 流動 4 4． 計算機仿真流變成形軸 對稱 部 位時 數(shù)據(jù)的輸入和輸出 基于上述理論 的各 項 要求 ， 通過 仿真軟件 便 可以設計 了。 經過幾何學 分析的數(shù)據(jù) ，如 部分機械性能 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 時 ，在三個特定時期的 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 中的流動有著 重要的作用，這項技術參數(shù) 可以使我們更 理性的判斷。 圖 3 （ a） 速度場 (b) 主應力場 (c)模具邊界的節(jié)點力 如圖 3(a)所示 顯示 時間與速度場的關系， 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，才能決定設計參數(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力場和節(jié)點力在某一個時間 點 模具邊界 的受力情況。圖 3(b)顯示 主應力的某一粒子的定向環(huán)節(jié)相互垂直。 從 一個主應力場 開始， 我們可以掌握工件任何粒子的應力狀態(tài) ， 這使得 我們可以 方便地進行力學分析 。從圖 3（ c）我們 我們可以清晰地看到 集 合 適用于 模具的 結點 ， 然后，我們可以進行分析，以檢查 模具邊界受力是否 合理 ，從而 進一步確定是否有必要 對 塑造參數(shù)和技術參數(shù)重新 制定 。 5 圖 4（ a） 動模 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。通過計算機模擬 擠壓力量的 曲線 ， 擠出 料 的移動和固定的結晶 在 X 和 Y 方向 均可 得到。通過圖 4（ a） ，我們可以選擇一個合適 壓力 。 在鍛造和擠壓 成形的過程中 ，如果某些參數(shù)不加以合理設計 ， 工件可能 會發(fā)生 褶皺 ，成為一 件廢品。通過計算機 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稱部位有沒有 褶皺 。 通過分析得出的結果進行計算機仿真 ， 改 進 設計參數(shù) 從而得到 預期的效果 。于是 ， 我們可以選擇最佳的一套參數(shù) ， 實現(xiàn)優(yōu)化設計 。 應當指出，盡管計算機仿真技術現(xiàn)在可以幫助解決許多復雜的沖壓成型模具與工藝設計問題，但它并不是萬能的。如果金屬材料在塑性變形時的特性超出了現(xiàn)在的本構關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，那么計算機仿真的結果就會離實際情況相差甚遠。即使計算機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計中得到成功的應用。那是因為仿真模型的建立和仿真結果的合理解釋也對仿具技術的成功應用有決定性影響。一個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果。因此使用計算機仿真軟件的人員一定要具備足夠的背景知識，主要包括與沖壓成型過程有關的基礎力學知識、計算力學知識、有限元方法知識及計算機應用知識等。 5 結論 通過計算機模擬軸 對稱 零件 流變成形 ， 可以實現(xiàn) 對 模具產品結構的優(yōu)化設計 ，從而降低 工人 的 勞動強度 ， 使得 模具 的 設計和制造的 生產 周期 明顯 縮短 。與 6 此同時， 設計成本和生產 成本 也 可大大降低 ， 產品的質量 得到 明顯 的 提高 而且 經濟效益 也 得到了很大程度的增長 。 在將來， 有必要進行進一步的研究 ， 使得 計算機仿真 技術不僅可以應用于 流變成形過程 中 的 非軸對稱 零件 ， 而 且還可以應用于 高溫 情況 下 。 7 參考資料 [1]994. [2]on s )(1997)37～ 41. [3]on s 2)(1997)11～ 13. [4]990,147. [5]983,221. [6]E a 63)(1997)678～ 683.