摘录：通过对法度卵形封头旋压成形工艺进行合理的简化，利用几何要领确定了一次旋压成形经由中旋轮的分解轨迹。在此基础上，应用ANSYS/LS-DYNA软件建立了法度卵形封头旋压成形的三维有限元模子，并得到了相宜骨子要求的数值分析舍弃。证实模子舍弃和弹塑性有限元表面，对旋压成形经由中毛坯的变形机理进行了分析，得出了封头在成形经由中不同旋压阶段和不同位置的应力、应变以及厚度减薄率的散播限定，为封头旋压成形经由的磋商提供了有用的要领和可靠的依据。
枢纽词：法度卵形封头 数值模拟 有限元 应变散播
由于化工安装限制不断扩大，工艺开导逐渐呈现大型化的趋势。传统的封头冲压成形工夫在大型封头分娩中遭遇了好多艰苦。旋压成形工夫以其特有的优点，已成为大型封头的紧迫分娩技能，国表里对封头旋压成形工艺的磋商也不断深远【1】。跟着科学工夫的连忙发展，封头旋压成形工艺的数值模拟磋商得到了迅速发展并擢升到了一个新的阶段。
林波等东说念主【2】建议两模法和两轮法的旋压成形本质决策，并联想不同旋压本质决策的芯模和旋轮工装，建议了两轮法旋压超半球壳体的多说念次拉深旋压成形工艺。刘兴家等东说念主【3】建立了成形经由中各说念次旋轮分解轨迹限定参数间的递推关系， 求得各说念次旋轮轨迹的限定参数值， 较系统地建议了一种合理分拨各说念次旋压变形量的要领。Shimizu【4】和 Kawai等东说念主【5】对旋压工艺中一些旋轮的分解问题进行了扣问。这些磋商尚未触及模子策画时刻长，旋轮轨迹复杂和回弹严重的问题。
张艳秋等东说念主【6】对薄壁铝合金封头冷旋压成形经由进行了弹塑性有限元数值模拟，揭示了成形时的塑性变形流动限定，并分析了主要工艺参数对成形质料的影响限定及失效问题产生的原因。胡福泰等东说念主【7】用有限元数值策画的要领，合理确定了封头旋压策画的力学模子。张晋辉等东说念主【8】建立了锥形件剪切旋压的三维有限元模子，进而得回了偏离率、旋轮圆角半径、旋轮进给量、芯模转速及旋轮直径对LY12M锥形件剪切旋压力和壁厚差的影响限定。李文对等东说念主【9】建立了碟形封头冷旋压的三维有限元数学模子，分析了封头在冷旋压成形经由中应力应变的散播限定，策画了旋压力并分析了其变化的原因。
期骗数值模拟，不错对金属压力加工经由中金属的流动进行分析，从而得到应力应变散播限定等，进而量度金属变形情况以及对工艺参数进行优化。有限元分析软件便捷的操作以及超强的仿真性促进了数值模拟工夫在铸造和旋压等行业中的平常应用【10】，在保证工件质料、减少材料糜费、擢升分娩成果、缩小试制周期方面露馅出无可相比的优胜性。本文基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，建立了封头旋压成形的三维有限元模子，利用有限元模子，对封头成形经由中的应力场、应变场的变化进行分析，为封头旋压成形骨子分娩提供了可靠参考。
1大变酿成形表面基础
1.1大变形能源学数值策画要领
在骨子工程中，时常会遭遇几何大变形问题，举例板壳结构的大挠度、屈曲和过屈曲问题等，这时需要使用大变形条目下的应力与应变度量。
对于与变形历史不关系的弹性大变形问题不错给与全量要领磋商【11】，也即是平直求已知载荷与抵制作用下的结构变形与应变、应力。将变形前的构形行为参考构形，变形后的构形及相应的应变、应力行为待求量，给与牛顿法、拟牛顿法等要领进行迭代【12】。
对与变形历史联系的大变形问题，如材料粘弹性模子以及惯性等时刻效应，必须给与增量要领，行将时刻变量冲破成某个时刻序列：t=0, t1, t2,…, tn, tn+1，然后求这些冲破时刻点上的数值解。求解要领依参考构形选择的不同不错分为更新拉格朗日款式(U.L.)以及齐备拉格朗日款式(T.L.)【13】。更新拉格朗日款式在策画[t,t+Δt]区间的总共变量时，以t时刻的构形行为参考，应力、应变形色主要给与Euler应力和对于当前构形的无尽小应变；齐备拉格朗日以t=0时刻的构形行为参考构形，应力、应变形色主要给与Kirchhoff应力和对于启动构形界说的Green应变【14】。
1.2大变形能源学有限元基本解法与求解经由
求解弹性能源学振动响应主要有以下3类要领：时域要领、频域要领和响应谱要领。其中时域要领证实解法的不同又不错分为平直积分法、模态重叠法与景况空间法。平直积分法又不错分为中心差分法、Houbolt法、Wilsonθ法以及Newmark法等。中心差分法是LS-DYNA所给与的主要算法，在求解时，假设t=0, t1, t2,…, tn时刻的节点位移、速率与加快度均为已知，求解tn+1(t+Δt)时刻的结构响应【15】。
2法度卵形封头有限元模子的简化及参数确定
2.1封头有限元模子的建立
由于封头旋压成形经由比较复杂，影响因素较多，在数值模拟中，为了粗略建立形色其成形经由的有限元模子，有必要对骨子加工经由作念出合理的简化。在模子中，旋压辊与成形辊设为刚性体，并简化为2个直径疏浚的球壳。板坯预压成形部分为刚体， 需要旋压部分为变形骸， 变形骸部分简化为圆锥面， 与预压件刚体部分结尾相切。预压件刚体部分绕中心轴线动掸， 旋压辊和成形辊在地方平面内作念平面分解。为了使模拟条目与真确情况一致， 模子的工艺参数均与骨子责任参数疏浚。研讨是冷成形经由， 忽略温度变化的影响。
法度卵形封头尺寸通过查阅JB/T 4729—1994确定，选择直径为φ2 000 mm，厚度16 mm，直边部分40 mm的封头行为磋商对象。板坯材料选用为Q345R，材料性质见表1。板坯预压件给与shell163单位，预压件的尺寸应用周长法，通过MATLAB设施确定，LS-DYNA中建模需要的点的坐标也通过MATLAB设施策画得到。板坯预压件绕中心轴线旋转的速率取75 r/min。旋压辊和成形辊的直径均设为φ0.2 m。为了擢升策画成果，旋压辊和成形辊均给与shell163单位，厚度设为5 mm，摩擦总共取0.25。
表1封头材料参数
在模子中，总共单位均给与四面体鉴别网格，为了擢升策画精度，同期限定策画时刻，旋压辊和成形辊的单位尺寸设为0.1，板坯的单位尺寸设为0.05。最终建立的模子及网格鉴别如图1所示。
图1封头旋压成形有限元模子及网格鉴别暗意
2.2旋压成形旋轮轨迹实在定
椭圆封头由椭圆部分和直边部分构成，旋压成形工艺中两部分要分别旋制而成，建立封头旋压成形工艺有限元模子的枢纽在于给出精准的旋轮分解轨迹。在模子中，毛坯旋转的同期，成形辊和旋压辊按照给定的分解轨迹分解，使板坯变形，逐渐成为所要加工的款式。
对图1模子，为了能正确地模拟结构的响应，必须界说与指定时刻终止相对应的载荷，是以在ANSYS/LS-DYNA顶用一双数组参数界说载荷：一个界说时刻，另一个界说载荷。
与时刻数组相对应的是板坯旋转的角速率数组，应用MATLAB设施策画确定旋压辊和成形辊在x见地和y见地分解的位移数组。由于旋压经由中，毛坯绕主轴动掸，故旋轮只需作念平面分解。图2为旋轮在旋制封头椭圆部分时，在分解平面上轨迹的暗意图，因为旋压模子是对称结构，是以取其中的一半进行策画并输出旋压辊和成形辊位移数组数据。
图2旋轮轨迹策画暗意
3卵形封头旋压成形数值模拟舍弃的分析
3.1旋压成形数值模拟舍弃
将数组策画舍弃导入ANSYS/LS-DYNA，并将载荷分别施加到相应的part上。设施的策画时刻证实旋轮的转速和旋轮进给比确定，并体当今时刻数组里，载荷加载完成之后对模子进行求解并得到舍弃。
图3露馅的是在经过600 s经由舍弃时的成形暗意图，从中不错看出，通过数值策画的技能，已矣了封头从旋压启动毛坯结构到骨子居品的成形，数值策画的最终几何结构接近于骨子法度卵形封头结构，标明本文所开发的三维卵形封头旋压成形经由的有限元数值模子具有一定的可行性和可靠性。另外，从图3中不错看到封头成形的直边段出现褶皱，这是封头成形经由存在的一种主要颓势时势，需要表面磋商者或者骨子操作家介意研讨，并奋勉幸免褶皱颓势生成或铁心其在合理的界限内。
图3旋压成形数值模拟舍弃暗意
3.2封头旋压成形应力、应变场散播
封头旋压成形经由中4个不同期期的Mises等效应力云图如图4所示。由图4不错看出，等效应力最大值老是出当今旋压辊作用点隔邻的区域内，由于本模子选用理念念弹塑性材料，最大等效应力为345 MPa，因此一朝材料等效应力达到该值，金属应力将不再加多，而主要体当今塑性变形。同期，跟着变形量的变大，等效应力达到最大值的区域界限越来越大，这是因为此时发生了更为剧烈的塑性变形。
图4不同阶段mises等效应力云图
封头旋压成形经由中不同期期的等效塑性应变如图5所示，不同于等效应力云图，等效应变云图反应的是结构的变形行为。由图5不错看出，在旋压成形的启动阶段，也即是成形经由的小变形阶段，等效塑性应变很小，包含的区域也很小，随后的几个阶段，即成形经由的大变形阶段和直边成形阶段，毛坯的塑性变形较大，等效塑性应变逐渐增大，云图包含的区域也逐渐增大。
3.3封头旋压成形厚度减薄率变化散播
封头厚度减薄率是封头成形质料限定的一个相等紧迫的方针，封头旋压成形经由中不同阶段毛坯厚度的散播云图如图6所示。
图5不同阶段塑性等效应变散播云图
图6不同期刻封头厚度减薄率散播
由图6不错看出，在旋压启动阶段，毛坯厚度莫得显耀变化。跟着旋压成形的进行，厚度减薄率峰值逐渐加多，成形中期出现减薄率最大部位。如在225 s时，最大厚度减薄率为3.05%，而在445 s时，最大厚度减薄率为11.82%，标明在该段时刻内，塑性变形较为剧烈，最大厚度减薄率加多较快。在600 s时，最大厚度减薄率峰值11.86%，且位置与445 s 时相比不再进一步变化，评释剧烈塑性变形阶段之后变形经由趋缓，成形经由厚度减薄率不再不绝加多。
通盘成形经由，最大厚度减薄率11.86%，称心GB/T 25198—2010附录J中对DN 2000、口头厚度16 mm的卵形封头厚度减薄率不跨越13%的要求【16】。
3.4封头褶皱酿因素析
封头直边段某节点速率的时刻历程弧线如图7 所示。由图7不错看出，在旋压成形400 s当年，速率趋于闲隙，但跨越400 s以后，该节点速率出现一定的波动。在宏不雅上进展为此时结构端部，即直边段发生了褶皱，从而引起速率的变化。可见在封头成形后半部分，封头毛坯的金属流动经由复杂，易产生褶皱。同期也不错看出，跟着旋压经由的舍弃，褶皱表象显然减少，并逐渐趋于安详。
图7封头直边段某节点速率的时刻历程弧线
4结语
1) 证实旋压机的责任旨趣，聚会分娩骨子，利用几何要领求出封头旋压成形工艺中旋轮分解轨迹的策画公式。给与MATLAB设施已矣了旋轮轨迹的策画，并已矣了与ANSYS/LS-DYNA软件的对接， 为应用数值模拟的要领磋商封头旋压成形工艺提供了有用的改良要领和可靠的依据。
2) 基于ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件，应用MATLAB设施得到的旋轮轨迹，建立了封头旋压成形的三维有限元模子，对模子进行了合理简化。利用有限元模子，对封头成形经由中的应力场、应变场进行了分析，得到了封头旋压经由中不同阶段的应力场、应变场散播限定以及封头壁厚的变化限定。
3) 由数值分析舍弃可知，等效应力最大值出当今旋压辊作用点隔邻的区域内，何况跟着变形量的增大，等效应力最大值地方区域的界限也越来越大；在旋压成形经由中，跟着变形量的增大，等效塑性应变逐渐增大，变形区域也逐渐增大；在旋压启动阶段，毛坯厚度减薄率较低，及至发生剧烈塑性变形的阶段，毛坯的厚度减薄率逐渐增大并达到峰值，本文建立的参数下，减薄率粗略限定在12%以内，相宜关系法度要求。
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