Q form材料數據庫的完善與應用

李曉光,劉 君,李治華,閔慧娜,李 凱,曾衛東

(1.沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司,遼寧 沈陽 110043) (2.西北工業大學材料學院,陜西 西安 710072)

Q form材料數據庫的完善與應用

李曉光1,劉 君1,李治華1,閔慧娜1,李 凱1,曾衛東2

(1.沈陽黎明航空發動機(集團)有限責任公司,遼寧 沈陽 110043) (2.西北工業大學材料學院,陜西 西安 710072)

Q form是基于有限元計算方法專門用于解決鍛造問題的專業化的模擬軟件之一,模擬速度快、實用性強、用戶效益高,但是Q form自帶的材料數據庫存在合金種類稀少且常用合金數據缺乏等不足,急需完善。在 Q form原有材料數據庫的基礎上,對國內外常用合金數據進行了搜集和處理,建立了涵蓋常用的 31種鋼、26種高溫合金和13種鈦合金的材料數據庫,并成功地將材料數據庫嵌入到 Q form有限元模擬軟件中。最終完善了 Q form材料數據庫,并驗證了所添加材料的可靠性,從而為Q fo rm有限元模擬提供更廣泛和可靠的數據。

Q form數據庫;有限元模擬;搜集和處理數據;材料數據庫

1 前 言

隨著計算機軟硬件技術、金屬塑性流動理論和計算機圖形學等交叉學科的迅猛發展,有限元數值模擬技術得到了快速發展,以數值模擬等先進方法解決工業生產中的實際問題已成為金屬成形技術的發展方向[1-2]。與此同時越來越多成熟的金屬塑性成形專業化有限元模擬軟件應用到實際生產中,如國外有俄羅斯的 Q form、美國的 Deform 2D/3D, Super form和 Super forge以及法國 Forge 2D/3D;國內有 Mafap(M ass Forming Analysis Program)等,其中Q form是基于有限元計算方法開發專門用于解決鍛造問題的模擬軟件,具有簡單明了友好操作界面、全自動向導功能、模擬過程自動完成等優點[3]。然而 Q form自帶的材料數據庫不僅合金牌號形式不統一,而且缺乏國內外生產中常用合金,如0C r18N i9等鋼、Ti-6A l-4V等鈦合金和 GH 4169等高溫合金,成為了Q form有限元模擬軟件在工程實際中應用的瓶頸,因此迫切需要完善Q form材料數據庫。作者在Q form原有材料庫的基礎上,對國內外常用合金數據進行了搜集和處理,建立了涵蓋常用鋼、高溫合金和鈦合金等一共 70種的合金牌號的材料數據庫,成功地將材料數據庫嵌入到Q form有限元模擬軟件中,完善了 Q form材料數據庫,并驗證了所添加材料的可靠性。

2 Q form軟件材料數據庫開發

2.1 數據的搜集

利用Q form模擬軟件進行數值模擬時,要用到材料的密度、彈性模量、比熱容和熱導率等物理性能數據,特別是材料的流動應力應變數據,因此所建立的材料數據庫不僅要確保數據來源可靠而且也要保證數據內容完備。

材料數據庫中新增合金的數據主要來源于國內外權威的材料手冊,如《中國航空材料手冊》等[4-6]。此外,還有一些來自于權威書籍,如《金屬塑性變形的阻力》等[7]和國內外重要的學術期刊、會議論文集、碩博士論文、有限元模擬軟件以及本課題組通過試驗測試獲得的數據[8-10]。

2.2 數據的處理

材料的性能數據一般以表格數據和圖片兩種形式給出,對于以表格數據的形式給出可以直接采集,而對于以圖片格式給出的物理性能參數以及流動應力應變數據,我們通過數字化提取軟件 Engauge Digi -Tizer對圖片進行數據采集。該軟件可以將掃描的曲線圖片轉化為數據與等式,從而實現曲線的數字化采集。具體采集過程為:應用 Engauge DigiTizer圖形數字化軟件將如圖1a所示的 1Cr13流動應力 -應變曲線導入軟件中,選擇 Digitize菜單欄中的Axis Point完成圖片坐標原點以及橫縱坐標范圍的設置,然后選擇相同菜單欄中的 Curve Point對圖片中的曲線進行坐標點的采集,采集結果如圖1b所示。

圖1 圖片格式數據的采集過程:(a)數據圖片;(b)采集界面Fig.1 Collection process of image form at data:(a)data image; (b)collection interface

將采集好的數據統一保存為同一溫度下,不同應變速率和不同應變所對應的應力值的 txt文檔形式,如圖2所示。第一列和第一行分別表示不同的應變速率和應變值,交點處表示溫度。對于其他不同溫度也做同樣的處理,從而得到不同溫度下,不同應變速率和不同應變所對應的應力值的 txt文檔,為后續數據庫的建立奠定基礎。

圖2 850℃時 1Cr13不同應變速率和不同應變所對應的應力值Fig.2 The stress value of 1Cr13 under different strain rate and different strain at850℃

2.3 材料數據庫的二次開發

本文以 TC4鈦合金為例來具體介紹材料數據庫的二次開發過程。利用Q form軟件的材料添加功能,將搜集和整理的 TC4鈦合金數據分別添加到 Q form軟件中,具體添加的過程如下。

第一步:子材料數據庫的新建。進入 Q form軟件的材料數據庫界面,在Material下的Deformed Material中新建立 Titanium alloy子材料數據庫,并新建一種材料,如圖3所示。

第二步:流動應力應變數據的添加。選擇Change type菜單,在顯示功能向導界面中以 Load parameters from file的形式導入 TC4鈦合金在不同溫度下的不同應變速率和不同應變所對應的應力值的txt文檔,完成 TC4鈦合金流動應力 -應變數據的添加,添加后的界面如圖4所示。

圖3 材料數據庫界面Fig.3 Interface of material database

圖4 流動應力 -應變數據添加界面Fig.4 Editing interface of flow stress and strain data

第三步:材料物理性能的添加。在材料數據庫界面的右下角有屬性欄,選擇要輸入的物理性能名稱,如密度、熱導率、比熱容、彈性模量等,點擊應用,即可進行材料物理性能數據的輸入。圖5為TC4鈦合金比熱容的輸入界面。

第四步:將已經添加好的數據進行保存,從而完成 TC4鈦合金數據添加,對于其他鈦合金進行同樣的添加,從而建立鈦合金子材料數據庫。同樣也可以建立鋼和高溫合金子材料數據庫。最終建立Q form軟件的材料數據庫。Q form軟件材料數據庫中新增的 31種鋼、13種鈦合金和 26種高溫合金共 70種合金材料如表1所示。

圖5 比熱容添加界面Fig.5 Editing interface of specific heat capacity

表1 Q form軟件材料數據庫中新增合金Table 1 The new added alloys in the materials database of Q form

3 Q form材料數據庫的可靠性驗證

通過 TC4圓環鐓粗試驗和有限元模擬相結合的方法來驗證 Q fo rm材料數據庫的可靠性。圓環鐓粗試驗在 9.8MN電動螺旋壓力機上進行,滑塊速度為150mm/s,模具材料選用 4C r5W 2VSi。圓環試樣的尺寸:外徑 D=40 mm,內徑 d=20 mm,高度h=14mm,采用玻璃劑潤滑,取 TC4相變點以下40℃即 940℃為圓環變形溫度,模具預熱溫度250℃,變形量為50%。

TC4鈦合金圓環鐓粗試驗有限元模擬之前先要對模具和試樣進行三維造型。采用UGNX4.0完成對圓環試樣以及模具的三維實體造型,轉化為 stp格式后導入到Q form軟件的 Qd raft繪圖系統,進入模擬前處理,完成模型的網格劃分和定位,將文件保存為 shl格式。然后確定模擬的參數,選擇設備為 9.8 MN螺旋壓力機,模擬問題為 3D問題,導入保存好的 shl格式,設定上下模具端面的最后距離等于試驗后試樣的高度即為 7mm。在所建立的材料數據中選擇所需材料 TC4鈦合金,設定圓環鐓粗溫度為940℃,模具預熱溫度為 250℃,選用玻璃潤滑劑,摩擦因數為 0.35,最后將文件保存為 qfm格式,開始有限元模擬。

圖6為鐓粗后的 TC4鈦合金圓環試樣和有限元模擬的圓環試樣。將模擬的結果與試驗結果進行比較,如表2所示。由于內徑誤差 2.3%和外徑誤差0.1%均比較小,所以模擬的結果與試驗結果基本一致,從而說明了所建立的材料數據庫是可靠的。

圖6 TC4鈦合金圓環鐓粗試驗結果(a)和模擬結果(b)Fig.6 The test result(a)and simulation result(b)after TC4 titanium alloy ring upsetting

表2 鐓粗試驗和有限元模擬后的圓環尺寸Table 2 The ring size after test and simulation

4 結 論

(1)在 Q fo rm原有材料庫的基礎上,增加了常見的 31種鋼、13種鈦合金和 26種高溫合金共 70種合金材料并成功地嵌入到 Q form材料數據庫中,完善了Q form材料數據庫。

(2)在Q form原有材料庫的基礎上進行國內外常用鋼、高溫合金和鈦合金材料的添加和完善是可行的、可用的。所添加的材料和相應參數在應用于生產模擬后,處理結果可信。

[1]彭穎紅.金屬塑性成形仿真技術[M].上海:上海交通大學出版社,1999.

[2]劉建生,陳慧琴,郭曉霞 .金屬塑性成形加工有限元模擬技術與應用[M].北京:冶金工業出版社,2003.

[3]張穎 .斯太爾汽車轉向節模鍛工藝有限元模擬研究[D].呼和浩特:內蒙古工業大學,2009:10-12.

[4]中國航空材料手冊編輯委員會 .中國航空材料手冊:結構鋼,不銹鋼:第 1卷[M].北京:中國標準出版社,2002.

[5]中國航空材料手冊編輯委員會 .中國航空材料手冊:變形高溫合金,鑄造高溫合金:第 2卷[M].北京:中國標準出版社,2002.

[6]中國機械工程協會,中國材料研究學會,中國材料工程大典編委會 .中國材料工程大典:有色金屬材料工程(上):第 4卷[M].北京:化學工業出版社,2005.

[7]周紀華,管克智 .金屬塑性變形阻力[M].北京:機械工業出版社,1989.

[8]Han Yuanfei,Zeng Weidong,Zhao Yongqing,et al.Modeling of constitutive relationship of Ti-25V-15Cr-0.25 Sialloy during hot deformation process by fuzzy neural network [J].Materials and Design,2010,31(9):4308-4385.

[9]Sun Y,Zeng W D,Zhao YQ,et al.Development of constitutive relationship of Ti600 alloy using artificial neural network [J]. Computational Materials Science,2010 (48):686 -691.

[10]Li L X,Lou Y,Yang L B,et al.Flow stress be havior and deformation characteristics of Ti-3A l-5V-5Mo compressed at elevated temperatures[J].Materials and Design, 2002,23(5):451-457.

Development of Materials Database of Finite Element Simulation Software Q form

Li Xiaoguang1,Liu Jun1,Li Zhihua1,Min Huina1,Li Kai1,Zeng Weidong2
(1.AVC Shenyang Liming Aero-Engine(Group)Co.,Ltd.,Shenyang 110043,China) (2.Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China)

Q formisone of specialized simulation softwares in solving forging problem based on finite element calculation method with the advantages of fast simulation speed,strong practicability and high efficiency,but the original materials database of Q form urgently need to be replenished for lacking data of commonly used alloys.A new added materials database including 31 kinds of steel,26 kinds of super alloy and 13 kinds of titanium alloy was established by collecting and processing commonly used alloys data based on the original materials database of Q form software,and w as successfully em bedded in to Q form software.Ultimately materials database of Q form software was consummated, and the reliability of add itivematerial was verified,consequently the more extensive and reliable data was provided for Q form finite element simulation.

Q form database;finite element simulation;collecting and processing data;materials database

2010-10-24

李曉光 (1981-),男,工程師,電話:024-24384335,E-m ail:L ixiaoguang9250@163.com。