基于弹塑性有限元法的环件冷辗扩高度非线性特性研究

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Research on Highly Nonlinear Characteristics of Ring Cold Rolling Based onElastic-Plastic Finite Element M ethodMiao Ying--yun(Shanghai Donghao Test Technology Co.，Ltd.，Shanghai 201203，China)Abstract：A 3D elastic-plastic coupled dynamic model with multiple clearances for ring cold roling is establishedbased on LS-DYNA platform，and the influencing rules of highly nonlinear characteristics of strain field，cross sectionshape，roling force，metal flow and forming size precision in cold roling process are simulated and analyzed.The resultsshow that the error between the theoretical and simulant result is small，and the stimulan t result is of high credibility。

Key words：ring；cold roling；elastic-plastic analysis；finite element method；highly nonlinear characteristic环件冷辗扩是借助于辗环机使环件壁厚减雹直径扩大和截面轮廓成形的塑性加工工艺，具有节能、节材、优质、高效和低噪声等优点，广泛应用于航天航空、汽车、船舶、冶金、化工和能源等领域 。

自20世纪6O年代开始，国内、外众多学者通过试验研究、理论解析和数值模拟，研究分析了环件冷辗 扩 机理 和 工艺 参数 对 成形 的影 响规律 。但是，迄今为止，对冷辗扩成形过程的高度非线性特性研究尚未见报道。冷辗扩是材料非线性、几何非线性和接触非线性耦合作用的高度非线性复杂成形过程，成形过程中环件的材料加工硬化、残余应力和回弹变形不可忽略，单纯采用试验方法和理论解析很难解决所面临的问题，因此有必要采用先进的基于弹塑性有限元法的高度非线性本构方程来求解其成形过程，从而实现冷收稿日期：2012-08-27；修回日期：2012-10～08辗扩全方位的虚拟仿真，以获得成形过程全方位的历史信息。

1 环件冷辗扩有限元模型及边界条件1.1 模型建立建立合理的环件冷辗扩模型是实现环件冷辗扩过程三维模拟的关键。由于环件冷辗扩过程具有三维变形、高度非线性、连续渐变、非对称和非稳态等特点，是-个多因素耦合作用下的复杂成形过程，文中结合冷辗扩实际过程，且考虑冷辗扩三维弹塑性多间隙耦合的特点，基于三维造型软件 UG 和功 能 强 大 的 CAE应 用 软件 包 HY-PERMESH建立了环件冷辗扩三维弹塑性多间隙耦合动力学有限元模型，如图l所示。

由于驱动辊、导向辊和芯辊的变形量较小，可忽略其变形，将其处理为刚体。环件为变形体，为精确模拟整个成形过程，环件采用规则八节点六面体单元进行离散，应用ALE自适应网格划分技· 34· 《轴承)2013.No.3图 1 三 维弹 塑性有 限元模型术以避免环件在成形过程中由于变形量过大导致的网格畸变，使模拟能够准确、顺利进行。为保证成形的稳定性和环件的圆度，环件、驱动辊和芯辊初始状态带有 0.5 mm的倒角，两个导向辊始终向着环件变大的方向运动且时刻与环件接触，施加适当的压力，导向辊运动曲线如图2所示。

I 时间 t/s图 2 导向辊运动控 制曲线为模拟环件与驱动辊、芯辊及导向辊之间的动态接触过程，分别在驱动辊、导向辊外表面与环件表面定义了2个接触对，在芯辊外表面与环件内表面定义了 1个接触对。在每个接触对的接触界面上考虑初始间隙以及存在的摩擦作用和相对滑移现象。由于导向辊与环件之间的摩擦力非常小，故只考虑驱动辊、芯辊与环件之间的摩擦作用。摩擦模型采用常剪切摩擦模型，相对滑移现象采用物体间有大量相对滑移时很有效的自动面- 面接触模型，并以沙漏效应较小的罚函数法作为接触界面算法。为准确模拟成形过程，摩擦因数取为0.3，接触刚度取为 0.6。为考虑环件轴向微量变形，除驱动辊与环件轴向间隙为0.16 mm外，其余接触间隙都为0.01 mm。

1.2 模拟条件由于在实际冷辗扩过程中，进入轧辊之前和流出轧辊之后材料是相连的，加之冷辗扩每转进给量较小，材料在入 口的堆积和出口的弹性 回复都将对环件的质量产生较大的影响。因此，环件材料需采用弹 -塑性本构方程，并考虑环件残余应力和回弹变形。模拟环件材料为 GCrl5，弹性模量为 210 GPa，泊松比为0.3，密度为7 810 kg/m ，780 退火状态下试件在常温时的真实应力与塑性变形的关系如图3所示。

凸-羔 憾U 0. 2 0.4 0.6 0.8 1.0塑性应变图3 材料应力 -应变曲线在环件冷辗扩过程中，驱动辊转速为10 tad/s，驱动辊和环件摩擦带动环件旋转，而芯辊做进给运动，进给速度为 1 mm/s，给环件施加辗扩力，辗扩总时间为 4.2 S。环件通过驱动辊和芯辊构成的辊缝时发生局部塑性变形，使壁厚变雹直径扩大、截面轮廓成形。芯辊和导向辊在冷辗扩中不承受转矩，可以在环件的摩擦作用下自由转动，其中导向辊用以保证环件的平稳转动。

2 模拟结果与分析采用环件冷辗扩三维有限元仿真模型对环件冷辗扩过程进行了模拟分析，获得了成形过程中应变尝截面形状、辗扩力、金属流动和成形尺寸精度等高度非线性特征。为了更好地反映整个环件的应变和截面随时间的变化，在环件的表面和内部，沿径向依次取如图4所示的 3个跟踪点进行分析。

图 4 跟踪点位置2.1 应变场分布图5为环件内、外表面和中层点处的应变变化曲线∩见，环件等效应变外表面P 处最大，中层Ⅺ Ⅺ Ⅺ 咖 鲫 伽 瑚缪莹赞 ：基于弹塑性有限元法的环件冷辗扩高度非线性特性研究初始咬人阶段，环件虽产生塑性变形，但基本上没有周向金属流动，仅仅由塑性变形而产生环件直径扩大；随着咬人的不断深入，辗扩力和摩擦力逐渐增大，金属流动不单单只使环件直径扩大，环件内部金属还朝着与其旋转方向相反的方向产生周向流动，