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基于有限元模拟技术的反向模拟式设计——基于锻件形状复杂程度的控制准则——工件形状复杂系数及边界条件控制准则

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在锻造生产中,具有深腔槽、小圆角半径和薄截面的锻件增加了锻造成形的难度。实际上,锻件形状的复杂程度代表了锻造成形的难度。初始简单形状(例如圆柱体)的坯料经过锻造成形成了具有复杂形状的锻件,一般而言,终锻件形状越复杂,需要的成形工序越多。因此,工序数目和每个工序对应的模具形状与工件形状的复杂系数相关。对于轴对称锻件,不论其多么复杂,工件都是从圆柱形坯料开始进行锻造成形。为此,有必要确定终锻件形状和初始坯料形状的关系。由Teterin提出的锻件形状复杂系数建立了棒料与最终形状之间的联系,并被广泛地应用于锻模飞边槽的设计。轴对称锻造中的形状复杂系数S(也称为几何难度系数)是轴对称锻件截面几何形状复杂程度的表征。其值如下: S=αβ 式中,α为轴向形状复杂系数;β为形状复杂系数。其定义如下:

式中,P、F分别为轴向横截面的周长和表面积;Pc、Fc分别为轴向横截面形状外接圆柱体的周长及其表面积;Rg为对称轴到半个轴截面的重心或质心的距离;Rc为外接圆柱体的半径。 对于多工序锻造过程来说,终锻工序的形状复杂系数由下式决定:

式中,Sff为终锻件的形状复杂系数;Sfp为预锻件的形状复杂系数。 若锻件形状为一圆柱体,则Teterin形状复杂系数等于1。当给定的终锻件的形状复杂系数越来越大时,这就意味着需要进行多工序锻造。因此,形状复杂系数是一个重要的工艺设计参考因素。在锻造过程有限元正向模拟过程中,形状复杂系数随着模具的不断压下而增大。当金属充满锻模型腔时,锻件的形状复杂系数增至最大。在模具行程的结束阶段,使金属尽量能够较迅速地填充深腔,从而减少锻造力较大的模具行程,在充满型腔后再使多余金属溢出形成飞边,是我们想达到的理想结果。因此,在终锻过程的结束阶段,理想的预锻和终锻过程应使变形体的形状复杂系数随着上模压下行程而迅速增大。相应地,如果进行反向模拟,随着模具的分离,形状复杂系数应该以同样的方式减小。这就定义了节点脱离模具的控制准则,即在反向模拟中,最大限度地减小锻件的几何复杂系数。 在反向模拟中,每一步从模具上释放一个接触节点。节点的选择是通过试验搜寻而获得的。在搜寻过程中,轮流释放每个边界接触节点,进行反向模拟,同时计算对应的形状复杂系数并进行比较,产生最小形状复杂系数的节点将在该步内脱离模具。在反向模拟过程中,可根据锻件的几何形状,对锻件边界节点进行分组,每组中的节点相邻,每组的端部节点一般取为模具型腔内凹处的节点,处于每组节点端部的节点是可能较早脱离模具的节点。上述对边界节点进行分组处理的目的是为了节省计算时间。选择节点以后,初始的优先权就给了位于模具型腔内角半径附近的节点,这样可保证预锻模具型腔内角半径大于终锻模具的内角半径,这也符合预锻模具的设计规则和常识。 利用形状复杂系数作为控制准则提供了边界条件的控制方法,它仅仅依靠边界节点的坐标而与节点或模具的速度不直接有关。因此,这个准则可以同时应用于运动或静止的模具,从而对于上下不对称的工件,在其上、下部分提供了一致的形状控制方法。

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