（材料加工工程专业论文）锻模材料与工作性能最佳耦合的基础研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 锻模是制造业中重要的基础工艺装备。利用它成形锻件时，其 承受脉冲的热负荷和脉冲的机械负荷。型腔表面在热负荷的反复作 用下可能会发生四种形式的损伤：热疲劳、相变、回火和塑性变形； 在机械负荷的作用下主要发生脆性破裂、机械裂纹、机械磨损和塑 性变形四种损伤。这些损伤严重影响锻模的寿命。 生产实践表明，如何提高锻模的寿命是个综合性问题。其研究 内容涉及到锻模的材料与工作性能的耦合问题。本文将以锻模为研 究对象，对此耦合问题进行基础研究。 在锻模的实验研究、生产经验和调查统计的基础上，分析了其 失效形式和失效机理，得出引起锻模失效的最根本原因是负荷。因 此，要提高锻模的寿命，必须了解作用在锻模上的各种负荷及其影 响锻模寿命的机理。 文中用有限元法仿真了热锻模受热受力的过程。首先，将热锻 模热力过程划分成吸热过程和散热过程的交替循环，并建立锻模的 吸热模型和散热模型。为了得到锻模的热平衡状态，提出试探法的 新思路求解最佳工作节拍。并按此工作节拍仿真出锻模在工作过程 中的温度场。其次，根据温度场的变化求解锻模的温度应力。温度 应力即为热负荷使锻模产生的应力。再次，根据机械负荷求解锻模 i 武汉理工大学硕士学位论文 的机械应力。最后，将温度应力和机械应力按时间和空间进行叠加， 得到锻模的综合应力。得到了综合应力，就能从微观上真实反映锻 模的失效原因。 文中以一具体实例一一终锻模为例，分析了热力过程，得到锻 模温度场、应力场的数据。根据温度场的变化规律，将锻模划分为 波动区、平衡区和下降区，并通过超调量深度曲线确定了波动 区的厚度。根据应力场的数据，得出结论：锻模的失效主要是温度 应力引起的，其失效形式主要是塑变失效和热疲劳失效。从结论可 以看出，提高热锻模寿命的有效途径有：选用梯度材料、加强强化 层性能、润滑冷却和预热。只有将这些因素综合考虑，才能使锻模 在最佳耦合状态下工作，寿命得到有效提高。 关键词：锻模，材料，工作性能，耦合 i l a b s t r a c t f o r g i n g d i ei s i m p o r t a n t b a s i ct e c h n i c s e q u i p m e n t i n m a n u f a c t u r i n g w h e ni ti su s e dt of o r g ew o r k p i e c e s ，i te n d u r e sp u l s i n g h e a ta n dm a c h i n e1 0 a d s u r f a c eo fd i eo c c u r sf o u rd a m n i f i c a t i o ns u c ha s t h e r m a lf a t i g u e ，p h a s ec h a n g e ，t e m p e ra n dp l a s t i cd i s t o r t i o nu n d e rh e a t l o a d s u r f a c eo fd i eo c c u r sf o u rd a m n i f i c a t i o ns u c ha sb r i r l e n e s sb r e a k ， m a c h i n ec r a c k ，m a c h i n ew e a ra n dp l a s t i cd i s t o r t i o nu n d e rm a c h i n el o a d a l ld a m n i f i c a t i o ni n f l u e n c e ss e v e r e l yl i f eo f d i e m a n u f a c t u r ea n d p r a c t i c es h o w t h a th o wt oi m p r o v el i f eo fd i ei sa c o m p l e xp r o b l e m i t s r e s e a r c hc o n t e n tc o m e sd o w nt o c o u p l i n go f m a t e r i a la n dw o r k i n gp r o p e r t i e s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ec o u p l i n g p r o b l e m ，f o r g i n gd i ei sa sr e s e a r c ho b j e c ti nt h et h e s i s i ti sc o n c l u d e dt h a tl o a di st h em o s tf u n d a m e n t a l i t yr e a s o nl e a d i n g t od i s a b l e m e n to fd i ea f t e r e x p e r i m e n t a t i o nr e s e a r c h ，m a n u f a c t u r e e x p e r i e n c ea n ds t a t t h u s ，l o a da n di t s a c t i o ns h o u l db ef o u n do u tt o i m p r o v e l i f eo fd i e f o r g i n g d i e sh e a t f o r c e p r o c e s s i ss i m u l a t e d b yf e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) f i r s t l y , f o r g i n gd i e sh e a t - f o r c ep r o c e s si sd i v i d e d i n t oa l t e r n a t el o o po fd e c a l e s c e n c ep r o c e s sa n dh e a t l o s s i n gp r o c e s s t h em o d e l so fd e c a l e s c e n c ea n d h e a t - l o s s i n ga r ee s t a b l i s h e d e x p l o r i n g m e t h o di sf i r s tp u tf o r w a r dt og e tb e s tw o r k i n gr h y t h mf o rh e a tb a l a n c e o f d i e t e m p e r a t u r ef i e l do f d i ei ss i m u l a t e du n d e rt h er h y t h m s e c o n d l y , t e m p e r a t u r es t r e s si s s o l v e db yc h a n g eo f t e m p e r a t u r ef i e l d ，a n di t i s f r o mh e a tl o a d t h i r d l y ，m a c h i n es t r e s si ss o l v e db ym a c h i n el o a d f i n a l l y , i n t e g r a t e ds t r e s si sg o t t e nf r o mt e m p e r a t u r ea n dm a c h i n e s t r e s s a d d e da st i m ea n ds p a c e i n t e g r a t e ds t r e s sc a nr e f l e c tr e a l l yd i s a b l e m e n t r e a s o n so f d i ei nm i c r o c o s m i c a ne x a m p l eo ff i n a l d i ei s i n v e s t i g a t e df o rh e a t - f o r o ep r o c e s so f d i e ，a n dd a t aa b o u tt e m p e r a t u r ef i e l da n ds e v e r a ls t r e s sf i e l da r eg o t t e n i 武汉理工大学硕士学位论文 d i ei sd i v i d e dj n t ot h t e ep a r t s w a v ez o n e b a l a n c ez o n ea n d d e s c e n d i n g z o n ea s c h a n g ed i s c i p l i n a r i a no ft e m p e r a t u r ef i e l d ，a n dt h i c k n e s so f w a v ez o n ei sg o t t e nb yc u r v eo f o v e r t a k i n g d e p t h i ti sc o n c l u d e dt h a t d i s a b l e m e n to fd i ei s m a i n l yb yt e m p e r a t u r es t r e s sa n dd i s a b l e m e n t f o r mi s m a i n l yp l a s t i ca n dt h e r m a lf a t i g u ed i s a b l e m e n tf r o md a t ao f s t r e s s f r o mt h o s ea c h i e v e m e n t s ，w a y st oi m p r o v ef i f eo fd i ea r eg r a d s m a t e r i a l ，c o n s o l i d a t i n gs u r f a c e ，l a b r i c a t i o na n dw a r i n u p i ft h o s e r e a s o n sa r cc o n s i d e r , l i f eo fd i ei si m p r o v e da sb e s tc o u p l i n gs t a t e k e yw o r d s ：f o r g i n gd i e ，m a t e r i a l ，w o r k i n gp r o p e r t i e s ，c o u p l i n g 茎堡堡三奎堂堡主堂鱼堡壅 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 1 引言 第一章绪论 现行热模锻工艺是将金属毛坯加热至锻造温度，取出后用模锻 设备进行锻造，然后再切除飞边得到锻件。这种模锻工艺的加热是 在未加控制的气氛中进行的，使得方法简单，加热温度较高，而且会 属被加热后塑性较好，变形抗力较小，成形性能良好，另外锻造温 度范围广，对毛坯限制较小，因而得到广泛地应用。 在热模锻过程中，锻模承受机械负荷和热负荷，在两者的共同 作用下，锻模形成各种损伤，包括磨损、机械裂纹、热裂纹、塑性 变形等。这些损伤形式严重影响锻模的工作，甚至使之失效。因此， 可将热负荷和机械负荷视为影响锻模寿命的最根本因素。 1 2 锻模寿命研究现状及不足之处 要提高锻模的寿命，必须了解作用在锻模上的各种负荷及其影 响锻模寿命的机理。这样才能在正确利用各种负荷的同时，严防不 合理的负荷对锻模造成的不良影响。 针对上述问题，国内外学者以锻模的实验研究、生产经验和调 查统计为基础，取得了不少的成果。 常州戚墅堰机车车辆厂郭志仁高工编写的讲义热锻模的寿 命，简要阐述了热锻模的损坏形式和损坏机理，较全面地介绍了热 锻模的寿命与锻模的质量、锻件、锻模使用、设备以及润滑等一系 列因素的相互关系0 1 。这篇文章没有提出求解温度场、温度应力场、 机械应力场和综合应力场的方法。 上海交通大学阮雪榆院士用有限元迭代法分析了热锻过程中工 模具温度场的情况”1 。该方法步骤如下： 塞堡望三丕堂堡主堂堡垒塞 一 假设或计算f 时刻的温度场t 。 用n e w r a p h s o n 叠代法求解t + a t 时刻的温度场：将，时 刻的温度值t 作为求解i + a t 时刻温度场的初始值， 丁 ，= r ；0 求出温度变化最丁h t 1 ) ，更新温度值 丁等t m ( 0 + 。a t ( o ，。 将，+ ，时刻的收敛解丁嚣作为计算下一个时问步温度 场的初始值丁：= = 丁，重复( 2 ) 步直到所要求的时刻 为止。 这种有限元迭代法只求解了工模具的温度场，没有涉及温度应 力场、机械应力场和综合应力场，不能全面反映锻模的真实工作情 况。 在国外，美国和欧盟率先将有限元法和计算机技术相结合，分 析了锻模在机械负荷、热负荷作用下形成的各种场。具体做法为： 首先将模具划分为若干小单元，并将作用力按等效原则移置到节点 上去，这样一个过程称为离散化；接着进行单元分析，了解一个单 元里节点力、节点温度和节点位移的关系；最后是单元综合，得到 节点平衡方程式，即控制方程： f f ) _ 冲】 占) 【q o + k o = p 其中：f f _ 结构外载荷向量； 【女】结构刚度矩阵： 研结构节点位移向量； c 热容矩阵； k 热传导矩阵； p 温度载荷列阵； ) ) ) l 2 3 ( ( ( 一 丛堡堡三奎堂堡主堂垡迨壅 - _ _ h _ - 一 0 一一节点温度列阵； 6 节点温度对时间的导数列阵，6 = d 。 在已知节点力的情况下，联系边值条件，求出节点位移，然后求得 各单元应力、温度或节点应力、节点温度。这些分析仅局限于次 模锻过程。 综上所述，困内外研究锻模问题，由牛产实践总结出的理论颇 多，而且只分析一次模锻过程中的各种场变化情况，甚至将瞬念问 题折算成静态问题进行分析。由于模锻工作节拍对锻模的寿命影响 很大，特别是由工作节拍决定的热负荷影响更大，忽略这些，分4 1 j i 的结果都不全面，甚至会导致错误，不能正确指导锻压牛产。 1 3 本文主要研究内容及意义 针对上面提出的问题，本文在分析合理工作节拍下连续模锻过 程的基础上，求出锻模在热平衡状态下各种场的变化情况，确定锻 模在材料与工作性能方面的最佳耦合。 解决这个问题，即提供了锻模在连续模锻过程中各种场的信息， 可用于指导锻模的设计；同时，研究成果将为防止锻模失效提供科 学依据，采取相应措施减缓锻模失效，最大限度地提高锻模寿命。 壁堡堡三盔堂堕主堂垡堡壅 _ _ _ - _ _ _ _ _ 一 第二章热锻模热力过程有限元仿真基础 2 1 引言 锻模的损坏是各种影响因素综合作用的结果。不管是直接影响 因素( 锻件的质量和锻件等) ，还是间接影响因素( 模锻设备类型和 生产纲领等) ，都是通过改变锻模所受的负荷来影响锻模寿命的。因 此，可将负荷视为影响锻模寿命的最根本因素。要提高锻模的寿命， 必须了解作用在锻模上的各种负荷及其影响锻模寿命的机理。 2 2热锻模热力过程中的负荷及其产生的影响 荷。 锻模在工作过程中承受两种不同类型的负荷：热负荷和机械负 2 2 1热负荷及其产生的影响 热负荷来源于型腔表面与热锻件接触时的热传导和锻件沿型 腔表面滑移时产牛的摩擦热效应。其大小除与锻件的温度、变形强 度、润滑等因素有关外，丰要取决于型腔表面与锻件在高压下接触 的持续时间。 在锤或压力机上模锻时，锻模所受的热负荷按如下规律进行变 化： 加载时，型腔表面的温度迅速上升到峰值。峰值的高低丰要 取决于型腔的工况条件。 卸载后，型腔表面的温度迅速下降，峰值温度呈现的时间极 短，具有脉冲特征。 型腔表面的瞬时高温只影响到厚度极薄的表面层。 因此，在连续牛产的情况下，热负荷以脉冲的方式周期性地施 武汉理工大学硕士学位论文 加在型腔表面上。型腔表面在热负荷的反复作用下可能会发牛四种 不同形式的反应：热疲劳、相变、回火和塑性变形。它们都会在不 同程度上加速锻模的损坏，使其寿命大大降低。 ( 一) 热疲劳 在受高温影响的型腔表面层中，由于各点温度不同，形成了三 维方向的温度梯度。随着型腔表面的骤热和激冷，受其影响的各点 也将发生相应的膨胀或收缩，并承受由邻近各点约束而产牛的应力 ( 压应力或拉应力) 。以型腔表面上某点为例，骤热时，承受由邻近 各点阻碍其膨胀而产生的压应力；激冷时，承受由邻近各点阻碍其 收缩而产生的拉应力。这说明在一次热脉冲作用的过程中，型腔表 面各点要承受一次方向相反的交变应力的作用。这个作用称为热冲 击，相应的应力称为温度应力，因热冲击作用而引起的疲劳称为热 疲劳。当某瞬问因温度变化产牛的应力大于模具材料的热疲劳极限 时，就会形成热疲劳裂纹。热疲劳裂纹首先出现在承受热冲击最激 烈的型腔表面上。 热冲击的激烈程度与热脉冲循环的上、下限温度有关，即与型 腔表面的峰值温度和模体温度有关。上、下限温度之差形成温度应 力，它影响锻模的热疲劳寿命。由于下限温度基本等于模体预热温 度，所以，降低锻模在工作过程中的峰值温度是提高其热疲劳寿命 的最有效措施。其它诸如为了减少模具截面上的温度梯度而增大模 具钢的热传导系数等方法，均因锻模的热脉冲过程极为短暂而难以 收到明显的效果。 ( 二) 相变 锻造时，型腔表面的峰值温度很高，但时间却很短。这意味着， 峰值温度一经呈现，就立即被激冷。在这种情况下，如果型腔表面 的峰值温度超过模体材料的奥氏体化温度，而模体温度又低于模具 材料的马氏体相变温度( m s ) 时，那就会在型腔的高温表面层中发 牛相变，形成马氏体组织。 马氏体组织的出现不但同时伴随着体积的增大，使型腔表面层 中的应力状态更加复杂，还会使型腔表面层脆化，冲击韧性降低。 此外，当硬而脆的马氏体层被击碎时，除有可能形成裂纹外，破碎 的硬粒子还会作为研磨剂使型腔表面的磨损加剧。资料 1 显示，马 氏体相变是导致锻模损坏的最大危险，如果不发生马氏体相变，锻 蓝堡堡三奎堂堡主堂垡堡壅 - _ _ _ _ _ ，_ 。_ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ - 。1 1 模寿命至少可以提高7 倍。 ( 三) 回火反应 型腔表面在热负荷的反复作用下，无论是否发牛相变，都会产 生回火反应。型腔表面发生回火反应后，其机械性能大大下降。回 火反应的速度取决于型腔表面的峰值温度。峰值温度越高，回火速 度越快，型腔表面层的机械性能恶化也越迅速。 ( 四) 塑性变形 锻模在工作时，承受很大的应力，而且应力分布不均匀。当其 某个部位所受的应力超过了当时温度下锻模材料的屈服极限时，就 会以滑移、孪晶、晶界滑移等方式产牛塑性变形，造成锻模失效。“。 在多轴应力状态下，判断锻模是否发牛塑性变形可以使用v o n m i s e s 判据 孑= 击厄i 而孑万石二再万丽弧 ( 2 1 ) 式中孑等效应力； 盯。锻模材料在工作状况下的屈服强度； 盯，、仃，、盯：、f ，、f 。、f 。应力分量； 如果( 2 - 1 ) 式成立，则锻模会发生塑性变形。 综上所述，热负荷不仅是影响锻模寿命的丰要负荷，而且在不 同的温度下会以不同的机理去影响锻模的寿命。 2 2 2 机械负荷及其产生的影响 设备施加在锻模上的负荷称为机械负荷。它是锻模在工作过程 中所承受的各种机械应力( 如压应力、拉应力、剪应力等) 的根源。 锻模在机械负荷的作用下，可能会以脆性破裂、机械裂纹、机 械磨损和塑性变形四种形式而损坏。 ( 一) 脆性破裂 武汉理工大学硕士学位论文 锻造过程中，设备故障( 如锤杆与锤头紧固不良) 、锻模安装不 _ - - h ( 锤头燕尾与锻模燕尾紧贴不良、楔块松动) 、无锻件空击、锻造 温度过低、锻模预热不良、模块存在内部缺陷等原因，都会导致锻 模产牛脆性破裂。脆性破裂属于非正常损坏，在锻模使用中应该慎 重对待，尽量避免。 ( 二) 机械裂纹 机械负荷与热负荷一样，也以脉冲的方式周期性地作用在锻模 上。锻模在这种脉冲式机械负荷的作用下，有可能产生机械疲劳破 坏。其过程为：加载时，型腔中的某( 些) 点特别是承受着较 大弯曲力矩作用的点一一要承受很高的脉冲机械应力的作用，并且 逐渐疲劳。在此情况下，如果某瞬时的机械应力大于模具材料的疲 劳极限时，就会产生裂纹胚，并随着机械负荷的反复进行而不断长 大，形成机械疲劳裂纹。当该裂纹长大到某一极限尺寸时，某瞬间 的峰值机械应力就会使锻模破裂。 ( 三) 机械磨损 在一般情况下，机械磨损是锻模最普遍的损坏形式。 对锻模而言，型腔表面上的摩擦和磨损状态丰要取决于型腔各 邮位的受力状态。根掘各i i | i 位所承受的负荷特征，可将艰腔表i i 人 致划分为三个区域：压力区、剪力区和过渡区。 在压力区域中，锻件沿型腔表面基本不滑移，型腔表面丰要承 受压应力的作用。该压力的特点是在整个区域内分布不均匀，在压 力区的中心部位可能产生很高的压应力；此外，由于锻件和型腔表 面接触不均匀，在局部接触区( 或点) ，因为应力集中也可能产牛很 高的压应力。在这两种因素的共同影响下，局部地区会出现高压触 点，它可能将型腔表面压凹，也可能发牛粘结。结果，型腔表面不 断糙化，逐渐变成点状的坑穴，最后扩展成网状的压痕。 在剪切区域中锻件沿型腔表面滑移，出于摩擦的结果，型腔表 面要承受剪切应力的作用。在这种情况下，由于锻件和型腔表面接 触不均匀( 特别是型腔表面已因回火而软化时) ，该剪切应力就会将 型腔表面拉伤，形成与锻件滑移方向一致的沟槽。 过渡区域一般位于压力区和剪切区之间。在这个区域中，型腔 表面要同时承受压应力和剪叨应力的双重作用。因此，该区域就兼 有上述两个区域的磨损特征，即沿锻件的滑移方向形成具有椭圆形 武汉理工大学硕士学位论文 凹口的问断沟、槽。 锻模的结车句j 眵状1 i 川，j ：述兰个区域的分枷陆况及j 腑坝的f l i 度均不相同。一般来讲，剪切区的磨损量最大，过渡区最小，压力 区居中。 ( 四) 塑性变形 锻模在负荷的作用下会发牛塑性变形。其机理与2 2 1 节中的 塑性变形原理是一样的，都是在不破坏整体性条件下的不可恢复的 形状改变，是锻模中个别晶粒的原子群被迫产牛的不可逆位移的结 果。 2 2 3 综合应力的生成 热负荷和机械负荷是影响锻模寿命的主要负荷。尽管这两种负 荷的性质不同，但由于他们同时作用在锻模上，故对锻模的损坏起 着相互促成的作用。其中，热负荷的作用是不断恶化锻模的工作性 能；而机械负荷的作用则是使性能业已恶化的锻模加速损坏。因此， 在分析破损原因时，要将热负荷产生的温度应力和机械负荷产牛的 机械应力叠加成综合应力。只有考虑综合应力，才能准确地反映锻 模损坏的根本原因，制定出相应的有效措施。 2 3 有限元仿真h 1 2 4 1 3 0 1 随着电子计算机的广泛应用，各种有限元软件相继出现。可以 将这些软件引入到热锻模热力过程分析中。 2 3 1 有限元软件基本原理1 有限元法是将实体的对象分割成不同大小、引t 类和小区域的方 法。具体作法是根据不同领域的需求推导出每一个元素的作用力方 程，组合整个系统的元素并构成系统方程组，最后求解方程组。 有限元法的特点可以概括为： 1 整个系统离散为有限个元素。 武汉理工大学硕士学位论文 2 利用能量最低原理和泛函数值定理转换成一组线性联立方程 组。 3 处理过程简明。 4 整个区域做离散处理，需庞大的资料输出空问与计算机内存。 5 线性、非线性问题均可解。 一般的有限元软件包含前置处理( p r e p r o c e s s i n g ) 、解题程序 ( s o l u t i o n ) 和后置处理( p o s t p r o c e s s i n g ) 。 一前置处理 1 建立有限元素模型所需输入的资料，如节点、坐标资料、元 素内节点排列次序。 2 材料特性。 3 元素切割的产生。 4 边界条件。 5 负载条件。 二解题程序 i 元素刚度矩阵 k 】。 2 系统外力向量的组合f f 。 3 线性代数方程 k u ) = f ) 的求解。 4 通过资料反算法求应力、应变、反作用力等。 三后置处理 将解题部分所得的解答如：位移、应力、反力等资料，通过图 形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。 有限元软件的流程图如图2 - 1 所示。 2 3 2a n s y s 软件概述抽1 a n s y s 软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通 用有限元软件，广泛用于工业和科学研究中。 1 a n s y s 的发展 1 9 7 0 年，j o h ns w a n s o n 博士洞察到计算机模拟工程应该商品 化，于是创建了a n s y s 公司。3 0 多年来，该公司致力于设计分析软 件的丌发，不断吸取新的计算方法和计算技术，领导着世界有限元 武汉理工大学硕士学位论文 建立有限元模型 ( 材料性质、儿何形状的定义、元素切 割的产生) j r 加边界条什、加负荷条仆、加时间变化f 形 1 l 分析 上 分析结果显示、打印 图2 - 1有限元分析流程图 技术的发展，并被全球工业广泛接受，其用户遍及全世界。 a n s y s 程序的第一个版本与今天的版本相比已有了很大的区 别，它仅提供了热分析及线性结构分析功能，像当时的大多数程序 一样，它只是一个批处理程序，且只能在大型计算机上运行。 7 0 年代初，a n s y s 程序中融入了新的技术以及用户的要求，从 而使程序发生了很大的变化，非线性、子程序以及更多的单元类型 被加入了程序。7 0 年代术，交瓦方式的加入是该程序最为显著的变 化，它大大地简化了模型牛成和结果评价( 前处理和后处理) 。在进 行分析之前，可用交互式图形来验证模型的几何形状、材料及边界 条件：在分析完成之后计算结果的图形显示立即可用于分析检验。 现在，a n s y s 软件的功能更加强大，使用更加便利。其分析模 拟工具支持多种工作平台，并在异种异构平台上兼容各种数据，而 、lljllilll、r-j_、j 武汉理工大学硕士学位论文 且提供了多场耦合分析功能。 2 a n s y s 的特点 ( 1 ) 友好的用户界面 a n s y s 程序功能强大，涉及范围广，但通过它的图形用户界面 ( g u i ) 可以使其易学易用。通过g u i 可方便地交互访问程序的各种 功能、命令、用户手册和参考材料，并可一步步地完成整个分析。 ( 2 ) 直观的图形显示 完全交瓦式图形是a n s y s 程序中重要的组成部分，可以用来校 验前处理中的数据和检查后处理中的求解结果。 ( 3 ) 多种处理器 a n s y s 按功能可分为若干个处理器：个前处理器、一个求解 器、两个后处理器、几个辅助处理器( 如设计优化器) 等。阿处理 器用于牛成有限元模型，指定随后求解中所需的选择项：求解器用 于施加载荷和边界条件，然后求解；后处理器用于获得并检查结果， 以对模型作出评估。 ( 4 ) 通用的数据库 a n s y s 程序使用统一的集中式数据库来存贮所有模型数据和求 解结果。模型数据通过前处理器输入到数据库中：载荷和求解结果 通过求解器输入数据库中；后处理结果通过后处理器输入数据库中。 数掘写入数据库中后，可以被所有的处理器使用。 ( 5 ) 通用的文件格式 a n s y s 文件包括数据库文件、计算结果文件、图形文件等。程 序生成的文件格式允许在不同硬件系统中移置，即，在某一种计算 机系统中生成的文件。可以传输给另一系统。 ( 6 ) 程序的可用性 a n s y s 软件实现了异种异构平台的网络浮动，可运行于w i n d o w s 9 5 或w i n d o w sn t 环境下的p c 机、工作站及u n i x 操作系统下的各 种工作站，直至巨型计算机。 3 a n s y s 数据接口程序 a n s y s 软件可与许多c a d 软件共享数据，并为各个工业领域的 用户提供了分析各种问题的能力。a n s y s 设计数据接口程序提供完 全与设计数据相关联的分析方案，并能通过良好的用户界面完成分 析。利用a n s y s 的数据接口，可精确地将在c a d 系统下牛成的几何 基堡堡三盔堂堡主堂垡迨奎 _ _ _ _ _ - _ 一 数掘传入a n s y s ，而后准确地在该模型上划分网格并求解，这样j 1 户能方便地分析新产品和部件，而不必因为在分析系统中重新建模 2 4 热锻模热力过程有限元求解 出2 2 和2 3 节内容可知，热锻模的热力过程是一个复杂的过 程，可以用a n s y s 软件分析。 2 4 1 温度场求解 热量从锻件传入到锻模、从锻模的一部分传递到另一部分，都 改变着锻模的温度”1 。在整个热传导过程中，锻模内各点的温度是 其位置坐标( x ，y ，z ) 和时阳jt 的函数： 0 = o ( x ，y ，z ，t ) ( 2 2 ) 在任一瞬时，锻模内所有点的温度值的总体，称为锻模的温度场。 2 4 1 1 基本热传导方程 在一般三维问题( 包括热锻模热力过程) 中”1 ，瞬念温度场的 场变量0 = o ( x ，y ，z ，f ) 在直角坐标中应满足的微分方程是 p c 詈一昙( 尼，一号( 后，一昙( 后：罢) - 加= 。c 在臼内， ( 2 - 3 ) 式中：0 = o ( x ，y ，z ，r ) 瞬态温度场的场变量。 p 材料密度； 亟坚堡三盔堂堡主堂垡迨壅 _ - 一一 r 材料比热： 儿、膏，、 。材料沿而j ，z 方向的热传导系数； 卜物体内部的热源密度； 臼求解域。 此方程即热量平衡方程。式( 2 - 3 ) 中第l 项是微元体升温需要的热 量：第2 、3 、4 项是由j ，y 和z 方向传入微元体的热量；最后项 是微元体内热源产生的热量。微分方程( 2 - 3 ) 表明：微元体升温所 需的热量应与传入微元体的热量以及微元体内热源产牛的热量相平 衡。由于锻模材料各向同性，所以缸= 冉，= 允= “最后一项是微元体 内热源产牛的热量，由于锻模在工作过程中基本兀相变，所以内热 可忽略不计。则式( 2 - 3 ) 可写为： p c 鲁叫擎+ 争+ 旁c 在 ( 2 - 4 ) 2 4 1 2 温度场的边界条件 求解域臼的温度场分布，必须知道锻模的边界条件。边界条件 可分为三类，其表示如下： 囊a o 臻o ( 0 。- o 篓) 女( 暑疗。+ 等，? ，+ 暑脚= g( 在r ：边界 t ( i 门，+ 暑胛，+ 暑神= ) ( 在l 边界上) j 式中 ( 2 5 ) 卜材料沿，j ，z 方向的吸热系数 仇、肌儿边界外法线的方向余弦。 一 一 丛坚塑三查堂堡主堂垡堡壅 -_一 一0 = 一o ( f ，) r 边界上的给定温度 q = q ( f ，) 一一r ：边界上的给定热流量； h 一热系数； o 。= 0 。( r ，) 一一在自然对流条件下，是外界环境温度；在 强迫对流条件下，是边界层的绝热壁温度。 臼域的全部边界r 应满足 r + r 2 + 1 1 ，= r ( 2 6 ) 在r 边界上给定温度石= 西( r ，f ) 称为第一类边界条件，它是强 制边界条件。在r ：边界上给定热流量q = g ( r ，) ，称为第二类边界 条件，当q = o 时就是绝热边界条件。在r ，边界上给定对流换热的条 件，称为第三类边界条件。第二、三类边界条件是自然边界条件。 如果是回转体锻模，由于对称性，方程就退化为二维问题的热 传导微分方程( a n s y s 软件中，选用y 轴作为对称轴) p c 鲁叫擎+ 争c 训 这时场变量0 = o ( x ，y ，f ) 不再是。的函数。场变量应满足的边 界条件是 塾坚堡三盔堂堡主堂垡堕壅 一 o = o ( r ，) ( 罢 嚣砌吲r ，f ) ( 在1 1 边界上) ( 在r ：边界上) ( 等 - 雾y i ( o - o ) ( 在r ，边界上) 求解瞬态温度场问题是求解在初始条件下，即在 = o 。 ( 当t 2 0 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 一l 【) ) ( 2 1 1 ) 条件下满足瞬态传导方程即边界条件的场函数o ， 应是坐标和时 f b j 的函数。 2 4 1 3 瞬态温度场的有限元法”8 瞬态温度场的场函数温度不仅是空间域q 的函数，而且还是时 间域f 的函数。由于时间和空间两种域并不耦合，因此建立有限元 格式时可以采用部分离散的方法“3 。 2 4 1 2 节将锻模的温度场问题简化为二维问题，下面建立它 的瞬态温度场有限元的格式。首先将空间域q 离散为有限个单元 体，在典型单元内温度。仍可以近似地用节点温度0 ，插值得到 注意此时节点温度是时间的函数，即 ：6 ：兰( w ) o ，( r ) ( 2 - 1 2 ) 插值函数n ，只是空间域的函数a 构造0 时已满足r 上的边界条 、， 墓塑望三盔堂堡主堂垡堡壅 _ 一 件，因此上式代入场方程( 2 7 ) 和边界条件式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 时将j “牛 余量 贮t c 哿+ 哿m 等d x d1 ， r r ，= t ( i a o 陷+ 百a o 门，) 一q 吒叫等 等矿旧。 令余量的加权积分为零，即 ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 一1 5 ) 上r n 彩。d q + i ：rr ：国：d f + i ，尺r ，缈，d f = o ( 2 一1 6 ) 按伽辽会选择函数 缈l = ， ( ，。l ，2 ，n o ) 缈2 2 国3 2 一国 ( 2 一1 7 ) ( 2 一1 8 ) 经分部积分后可以得到用以确定r 1 个节点温度o 的矩阵方程 c o + k o = p ( 2 一l g ) 这是一组以时问，为独立变量的线性常微分方程组。式中 武汉理工大学硕士学位论文 c 热容矩阵； 热传导矩阵； p 一一温度载荷列阵： 0 ：1 卜点温度列阵； 6 一一节点温度对时问的导数列陀6 = d 。 其中，c 和k 都是对称正定矩阵。 矩阵 、c 和p 的元素由单元相应的矩阵元素集成， 其中， k ，= e k ；+ z h ；、 f c 。= z c ： - ( 2 2 0 ) 。 j p ，= p ：+ p ；，+ p 乙 铲枷警学+ 警q ( 2 - 2 1 ) 是单元对热传导矩阵的贡献 h ；2k ，n d r 是单元热交换边界对热传导矩阵的修正 c ；= l n ，n u 是单元对热容矩阵的贡献； ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 武汉理工大学硕士学位论文 p ：，= k 。p q n ，夕q 2 4 ) 是单元热源产生的温度载荷 p ：，= l ；q n d f 是单元给定热流边界的温度载荷 ( 2 2 5 ) p e 埘。 ；向o 。n , d r ( 2 - 2 6 ) 是单元对流换热边界的温度载荷。 至此，已将时间域和空间域的偏微分方程问题在空问域内离散 为 个节点温度o ( t ) 的常微分方程的初值问题。对于给定温度值的 边界f i 上的胛个节点，方程组( 2 - 1 9 ) 中相应的式子应引入以下 条件 o ，= 西( f - 1 , 2 ，胛1 ) ( 2 2 7 ) 式中i 是r 。上 l 。个节点的编号。 根据上述求解原理，可作出求解温度场的程序框图( 图2 - 2 ) 。 2 4 2 温度应力场求解啪1 汹1 为了得到锻模体内的温度应力，须进行两方面的计算“1 ：( 1 ) 按照热传导理论，根据锻模体的热学性质、边界条件等，计算锻模 内各节点在各瞬时的温度，即所谓“决定温度场”，而前后两个温度 茎堡堡三奎堂堡主堂篁迨奎 - _ - _ _ _ _ - - _ - _ 一 图2 2 求解温度场的程序框图 - 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 场之差就是锻模体的变温。这一部分, - l p a h ! i 过2 4 i 节介绍的方法 进行求解。( 2 ) 按照“热弹性力学”，根据锻模体的变温来求出其内 各点的温度应力，即所谓“决定应力场”。本节即介缁温度应力的求 法。 a n s y s 提供了三种进行温度应力分析的方法： ( 1 ) 在结构应力分析中直接定义节点的温度。如果所有节点温 度已知，则可以通过b f 、b f e 或b f k 命令直接定义：1 7 点的温度。1 y 点温度在应力分析中作为体载荷，不能作为节点自山度。 ( 2 ) 直接法。首先进行热分析，然后将求得的节点变温作为体 载荷旋加在结构应力分析中。 ( 3 ) 间接法。使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得 到热分析和结构应力分析的结果。 本文将使用第二种方法。因为热锻模热力过程属于瞬态分析， 可以通过求解两个温度场的差值得到各节点的变温，并将此作为体 载荷施加到结构应力分析中去，符合间接法的要求。求解温度应力 的程序框图见图2 3 。 2 4 3 机械应力场求解 按照有限单元法，进行锻模机械应力分析的解题步骤如下。 1 单元剖分和插值函数的确定 根据锻模的几何特征、载荷情况及所要求的应力点，建立由一 种或几种单元所组成的计算模型。再按单元的性质和精度要求，写 出表示单元内任意点的位移分量函数甜( 石，y ，。) ，v ( x ，y ，z ) ，w ( x , y ，z ) 或位移全量函数d = s ( x ，y ，z ) a 。 利用节点处的边界条件，写出以盯表示的节点位移g 。= 扰v w 甜2v 2w 2 并写成 g 。o ( 2 2 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 求c 。及盯= c 。q 。，并代入d = s a ，得 d = s c 。q 。= n q 。 ( 2 2 9 ) 它是用节点位移表示单元体内任意点位移的插值函数式。 图2 - 3 求解温度应力的程序框图 武汉理工大学硕士学位论文 2 单元特性分析 根据位移插值函数，由弹性力学中给出的应变和位移关系，可 计算出应变为 s=b g ( 2 3 0 ) 式中b 应变矩阵。相应的变分为 万占= b 万g ( 2 3 1 ) 自物理关系，得应变与应力的关系式为 盯= d 占= d b q ( 2 3 2 ) 式中，d 为弹性矩阵。 自虚位移原理i 占占k p = 叼p t f 。，可得到单元节点力与位 移之间的关系式为 ，e = k c q t ( 2 - 3 3 ) 式中，k 是单元特性，即刚度矩阵，并可写成 后= i b 7 d b d v ( 2 - 3 4 ) 3 单元组集 把各单元按节点组集成与原结构相似的整体结构，得到整体结 基望堡三奎堂堡主堂焦坠銮 _ 一 构的节点力和节点位移的关系，即整体结构平衡方程组 f = 幻 式中女整体结构的刚度矩阵； 总的载荷列阵： g 整体结构所有节点的位移列阵。 对于结构力学载荷列阵厂可包括 ( 2 - 3 5 ) ， ：，+ 厂+ 厂 ( 2 - 3 6 ) 。 jr，j p 式中 厂，= f 7 p 体积力转移) 厂。= f n 7 p p ( 表面力转移) 厂。= n 7 _ ( 集中力转移) a 4 解有限元方程 a n s y s 软件可以自动选择计算方法解有限元方程，得到各节点 的位移。在解题之前，必须对结构平衡方程组进行边界条件处理。 然后再解出节点位移q 。 5 计算应力 在计算出各单元的节点位移q 。后，自s = 占口和c r = d 6 即可求 出相应的节点应力。 2 4 4 综合应力求解 通过2 4 2 和2 4 3 节可以求出锻模的温度应力和机械应力。 两种应力可以用坐标应力的形式表示出来，将它们按位置和时刻叠 一 墓堡里三奎堂堡主堂垡堡壅 - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 加起来，并以等效应力的形式表示出来，即可得到综合应力a 综合 应力计算公式： 盯= 西l 瓜；瓜2 i 而2 瓦丽2 瓦蠢2 2 鬲2 ( 2 - 3 7 ) 式中： 仃，2 仃。+ 仃血，下标含矿表示是温