[發明專利]輪輻三旋輪錯距強力旋壓工藝的有限元數值模擬方法

在審

• 申請號: 201310428171.X
• 申請日: 2013-09-18
• 公開（公告）號: CN103514325A
• 公開（公告）日: 2014-01-15
• 發明（設計）人: 路平;張云開
• 申請（專利權）人: 華僑大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 泉州市文華專利代理有限公司 35205
• 代理人: 廖仲禧

技術領域

本發明涉及汽車輪輻的三旋輪錯距強力旋壓工藝，特別是涉及一種輪輻三旋輪錯距強力旋壓工藝的有限元數值模擬方法。

背景技術

汽車的車輪主要有鋁合金和鋼兩種材質，隨著變厚度等強度設計和高強度鋼板的應用，鋼制車輪在承載能力和經濟性方面表現出更大的優越性。鋼制車輪通常是由輪輞和輪輻焊接而成，其中輪輞常采用滾壓成形制造，輪輻采用旋壓成形制造。

輪輻錯距旋壓成形，是在旋壓成形制造中將兩個或三個旋輪在軸向錯開，布置于不同的空間平面內，在徑向依次使板坯減薄以獲得所需的輪輻制件。錯距強力旋壓能夠在一道工序中完成原來需要幾道工序才能完成的工作，具有生產效率高、產品精度高的優點。在輪輻錯距旋壓成形過程中，因為一道工序中既有普通旋壓成形特點又有強力旋壓成形特點，板坯變形過程復雜，當模具設計和工藝參數施加不當，輪輻會出現貼模性不好、壁厚不均勻等缺陷。針對重型鋼制輪輻三旋輪錯距強力旋壓工藝，現有的研究方法往往是單純依靠試驗方法，該方法存在周期過長、成本過高等缺陷，嚴重制約了輪輻三旋輪錯距強力旋壓工藝的發展。

發明內容

本發明的目的在于提供一種輪輻三旋輪錯距強力旋壓工藝的有限元數值模擬方法，通過有限元數值模擬方法獲得輪輻成形過程中金屬的流動規律，得到工件的應力、應變、厚度等物理場分布數據，進而在實際生產前就能預先評估輪輻成形性能，從而能夠有效改進工藝設計方案，提高輪輻產品質量，降低生產成本和縮短產品研發周期。

本發明一種輪輻三旋輪錯距強力旋壓工藝的有限元數值模擬方法，具體步驟如下：

步驟1、構建輪輻三旋輪錯距強力旋壓成形有限元計算模型：

①根據生產實際在ABAQUS軟件中建立板坯的幾何模型，使用三維八節點減縮積分實體單元C3D8R作為計算分析單元，將板坯進行網格化處理，通過單向拉伸實驗獲得板坯的工程應力-工程應變數據，將其轉變為真實應力-真實應變數據后，以該數據定義板坯的材料屬性；

②在ABAQUS軟件中建立輪輻三旋輪錯距強力旋壓成形工藝的幾何模型，該模型包括尾頂、芯模、由粗旋輪、第一精旋輪和第二精旋輪組成的三個旋輪和坯料；然后安放布置各幾何模型的位置，所述三個旋輪在空間上間隔120°呈均勻分布，旋輪安裝角均為15°，粗旋輪與第一精旋輪，第一精旋輪與第二精旋輪之間的軸向錯距值均為6mm；

③施加仿真模型邊界條件，包括旋輪的進給速度、總的成形時間和芯模的轉速；

④模型的接觸對包括粗旋輪-坯料外表面、第一精旋輪-坯料外表面、第二精旋輪-坯料外表面、芯模-坯料內表面、尾頂-坯料外表面、尾頂體-坯料內環面共6對接觸對，各接觸對采用面面接觸方式，接觸算法采用罰函數法；

⑤加載三個旋輪的軌跡曲線：其中第二精旋輪的圓弧頂點軌跡曲線是輪輻的外形母線，該曲線是采用圓弧分段進行光滑過渡連接的復雜曲線，第一精旋輪和粗旋輪的軌跡曲線通過將第二精旋輪的軌跡曲線偏置獲得，在有限元計算模型中將曲線離散為許多個離散點，然后采用位移加載的方式進行加載；

步驟2、驗證仿真模型的正確性：

計算輪輻成形過程中變形體動能與內能的歷史比值，以及偽應變能與內能的歷史比值，如果所述動能與內能的比值在成形過程中不超過閾值，則可以認為板料變形是在準靜態下發生的；

為了進一步驗證計算模型的正確性，采用Geomagic?Qualify軟件將模擬仿真所得到的零件模型與輪輻的CAD設計模型匹配對齊后，將兩個模型在外形尺寸上進行對比，若仿真結果的零件模型與輪輻CAD設計模型幾何形狀尺寸吻合較好，則驗證了所建立模型的正確性；

步驟3、利用ABAQUS軟件的后處理模塊，觀察分析錯距旋壓成形過程中輪輻的應力、應變和厚度的物理量的變化和分布情況，及時發現輪輻的成形質量缺陷：

（1）對輪輻的等效應力在整個成形過程中的分布及變化進行分析，若該些位置的等效應力值大于閾值，則該些位置是輪輻成形過程中易出現開裂質量問題的危險區域；

（2）對輪輻的等效應變在整個成形過程中的分布及變化進行分析，通過應變云圖可以分析材料的變形程度，在周向上等效應變值相同就能夠表示材料在周向上變形程度相同，材料變形均勻，不容易出現起皺的缺陷，同時如果大部分坯料都發生塑性變形，坯料的成形性就好，不容易出現板坯不容易貼模或貼模度差的問題；

（3）對輪輻的厚度在整個成形過程中的分布及變化進行分析，通過厚度云圖，能夠發現輪輻是否出現局部過度減薄，在周向厚度是否相同的情況。