轴对称电-热-力耦合有限元模型的研究

轴对称电-热-力耦合有限元模型的研究

随着能源和环境问题的加剧，节能技术和环保技术在材料形成领域得到了重视，连续在线加热形成方法已成为研究的重点。不同于传统的加热-成形方式,连续加热成形工艺能够在金属的成形过程对金属进行加热,有效减少工艺流程、缩短成形时间,提高能源利用率,是现代大力发展的先进成形技术之一。目前用于材料连续加热的加热方式主要有火焰加热、电阻加热、激光加热、感应加热等,而加热的成形过程包括了高强度钢板的温热成形、粉末冶金、局部锻造、半固态成形等多个领域。其中电阻连续加热工艺以其加热设备简单、热效率高、控制简单等特点被广泛应用。文献对电阻连续加热成形过程进行了分类及试验研究,证实了该工艺的可行性。但是金属的电阻连续加热成形过程是一个复杂的电-热-力耦合过程,在成形过程中,坯料电阻随着温度及坯料几何形状的变化而变化,导致加热温度及温度分布的变化,最终导致了金属流动模式的变化。而金属流动模式的变化又进一步影响坯料几何形状及坯料与模具的接触关系,使得坯料电阻及模具与坯料间的热传导发生变化。因此,单纯的试验难以对加热方式、变形速度和材料性能等因素对温度分布和金属流动模式的影响做进一步研究。为了获得控制金属温度场以及温度场与金属变形流动的关系,了解和掌握电阻连续加热成形规律,采用数值模拟与试验相结合的方法对成形规律开展研究将大大减小实验的盲目性,显著缩短研究时间和减少研究成本。本文采用电-热耦合与热-力耦合相互交替计算的方法建立了42CrMo4电阻连续加热镦粗过程的电-热-力耦合有限元模型,对成形过程中温度场、载荷及坯料几何形状的变化进行了有限元分析。通过与试验数据的对比验证了模拟的正确性,为电阻连续加热成形技术的进一步发展以及在工业领域中的推广应用提供理论指导。1电-热耦合值的模拟1.1有限元模型建立图1为42CrMo4电阻连续加热镦粗有限元模型。试验装置详细内容见文献。试验过程中,坯料直径为6mm,高度为8mm;模具直径为120mm,高度为30mm。由于模具的体积远大于坯料体积,为缩短计算时间,将模具的直径减小为18mm,高度减少为10mm,同时模具外边界上的温度可以看作室温。考虑到试验装置的轴对称,模拟中仅对工件和模具的一半进行分析。模具及坯料的有限元初始网格如图1所示,电-热耦合与热-力耦合分析所用几何模型及网格划分相同,但是选取的网格单元不同。电-热耦合分析中采用DCAX4E单元,而热-力耦合分析中采用CAX4RT单元。上下模具各75个单元,96个节点;坯料共划分400个单元,451个节点。1.2tzm电阻率在金属的电阻加热过程中,金属内部各节点由焦耳效应产生的热量由该点电势和电阻率决定。金属材料的体积电阻随温度变化而变化,图2给出了坯料材料42CrMo4及模具材料TZM电阻率随温度变化的曲线。由于成形过程中接触面压力非常大,而接触电阻随压力增大而减小,所以忽略成形过程中接触电阻对加热温度的影响。成形系统内各节点电势将随塑性变形过程中坯料几何形状的变化而变化。对于系统内各点电势的确定,在电-热模拟过程中,假设下模下端面电势为零,各点电势可由以下方程获得:式中:r、z分别为径向和轴向坐标;u为电势;ρ为材料电导率。上述方程的求解都可在有限元分析中转变为求泛函数极值的变分问题进行求解。1.3变形时坯料与模具间的生热在金属的塑性变形过程中,由塑性变形功转化的热量及变形时坯料与模具间的摩擦生热被考虑,其中由塑性变形功转化的热量为:而由工件与模具接触面摩擦产生的热量为:式中:τ为摩擦力;|△v|为质点相对运动速度。1.4模拟的热-力耦合分析在电-热-力的耦合分析中,由于真正意义上的耦合求解目前还未有报道,所以采用了准耦合的解法,即将电-热耦合与热-力耦合分别进行求解。求解过程为:(1)通过电-热分析得到坯料成形前的温度场;(2)将该温度场导入热-力耦合分析中求解单位时间内坯料塑性变形;(3)将得到的温度场及各节点的位移导入下一个电-热分析,计算得到下一单位时刻内系统的温度场;(4)循环第2和第3步直到整个成形过程结束。其中电-热耦合与热-力耦合分别采用通用有限元软件ABAQUS中的电-热耦合和热-位移模块进行分析,而各分析步之间温度场和节点位移的相互转化由自编的程序完成。值得一提的是在整个电-热-力耦合模拟中,各单位时间内的热-力耦合分析是通过将一个热-力耦合模型分段而形成的,这样保证了各部分模拟数据的联系,使塑性变形过程中应力应变的分布得到继承。最后,用批处理文件将所有模拟及数据传递整合,使得所有模拟步骤在ABAQUS中一次完成,大大减少了运算时间。2粗过程模拟为了验证数值模拟的正确性,对42CrMo4棒料的电阻连续加热镦粗过程进行了数值模拟。在试验中首先采用电阻加热将坯料加热到1000℃以上,保温5s后,上模以1mm/s匀速下压,下压过程中电流强度为1000A,当最大压力达到30kN时成形结束。2.1坯料在粗变形过程中的温度场分布图3为成形过程中坯料中心处温度变化模拟与试验结果的对比图。试验中温度数据由置于坯料中心孔内的热电偶获得。从图3可见,模拟与试验结果基本吻合。由于在成形过程中,坯料高度降低,直径增大,导致坯料电阻减小,从而由于电阻加热产生的热量减少。另一方面,成形过程中,坯料与模具的接触面增加也导致传导进入模具中的热量增加。综上所述,在坯料的镦粗变形过程中,坯料的温度急剧地下降。坯料在不同时刻的温度场分布如图4所示。成形过程中,坯料的热源主要来自于焦耳热,而热损失主要通过热传导的方式进入模具。由于变形过程非常短,通过辐射损失的热量可忽略不计。因此坯料的高温区位于坯料的中部,最低温度出现在与模具接触的部位。温度的分布直接影响了金属的流动方式,从图中可看出,金属的流动主要发生在坯料的中部。2.2试验和模拟结果对比图5为成形过程中成形载荷的试验与模拟结果对比图。由以上成形过程中坯料温度变化可知,在保持加热电流强度不变的情况下,坯料温度将迅速下降,从而导致载荷的增加。从图5可知,模拟和试验结果基本吻合,模拟值略大于试验结果,最大误差为28%,出现在1.5s处。误差原因主要是由于所预测的温度下降率大于试验中坯料温度的下降(见图3)。2.3坯料和模具材料的表面硬度对接触面的影响数值模拟与试验结果中的工件截面对比如图6所示。通过比较得到,数值模拟的坯料形状与试验中坯料形状虽略有差异,但基本形状保持相似。在电阻连续加热成形过程中,由于坯料和模具材料的表面硬度都较大,导致接触面不均匀接触,从而导致了锻件上下接触面及接触面各部分的温度差异,最终导致零件变形的不对称。而在模拟中,接触面被假设为理想接触。3减少模拟时间的影响(1)利用有限元方法,开发了用于金属带电塑性成形数值模拟的通用电-热-力耦合有限元模型。采用自编程序完成了电-热耦合及热-力耦合之间的数据传递,用批处理文件使所有模拟顺序完成,大大减少了模拟时间。(2)在电阻连续加热过程