大型封頭熱沖壓過程數值模擬

文/王守東,岳曉露·河南神州重型封頭有限公司

大型封頭熱沖壓過程數值模擬

文/王守東,岳曉露·河南神州重型封頭有限公司

王守東，總工程師，專業從事鍋爐、壓力容器用封頭制造工作,曾負責公司大型封頭專用沖壓機8000噸壓機的設計與監造工作，并發表過多篇技術論文、獲得多項技術專利。

大型封頭作為壓力容器的關鍵部件，其尺寸的精度與形狀對壓力容器的性能有著重要的作用。本文采用試驗與模擬相結合的方式分析了封頭沖壓后的應力、應變分布，以及工件各處的厚度變化情況。試驗結果表明，有限元結果與實測結果吻合較好，封頭厚度減薄區域出現在距底部60°～70°的位置。

壓力容器是石油、化工、能源等行業中的重要設備，生產中對壓力容器的質量、安全性和可靠性等有很高的要求。封頭是壓力容器的重要部件，尤其是大型的厚壁封頭是石化、食品、核能行業中所用壓力容器的承載關鍵部件。一般，大型封頭采用熱沖壓的工藝成形，尺寸精度需要嚴格控制，壁厚不能小于一定范圍。而沖壓拉深過程中，各處壁厚分布也不均勻，合理地分配厚度是保證封頭質量的重要因素。為保證厚壁封頭成形后滿足壁厚要求，通常采用增加坯料厚度的辦法。但這樣做會導致封頭外形尺寸偏大，重量增加，機械加工余量增加，最終影響封頭尺寸精度，材料利用率降低，從而增加制造成本。

目前，國內外學者已對封頭熱沖壓工藝進行了廣泛的研究。有采用模擬手段分析板坯的變形特點，定量分析了摩擦系數、凹模下圓角半徑、凸凹模間隙、毛坯板形等參數對壁厚的影響，確定了合理的工藝參數，并對照計算結果與試驗結果，最終誤差不超過5%，但其所用試件為比例試件。有采用理論、模擬結合的方法，分析了板坯的變形情況以及工藝參數規律。還有利用 ANSYS軟件進行二次開發后，對帶直邊半球形厚壁封頭的沖壓成形過程進行二維有限元模擬，分析了坯料與模具之間的摩擦系數、下模形狀、模具間隙及坯料形狀等因素對封頭成形的影響。也有采用實際試驗的方式，對兩種封頭的沖壓工藝進行了技術攻關和對比。

本文用數值模擬與試驗結合的方法，測量板料高溫時的應力—應變關系，提取模具—板料的換熱系數，為數值模型提供較為準確的數據，進行仿真分析，得出沖壓厚壁封頭截面的應力、應變分布以及板料變形情況，并與實際工件對比，為提高零件綜合性能，優化模具設計提供實驗依據，以及為實際生產過程提供指導。

大型封頭熱沖壓工藝及有限元模型建立

本實驗選取的材料為15CrMoR，板坯為圓形，直徑為2860mm，料厚為75mm。板料內鉆直徑10mm的兩個圓孔，內焊K型熱電偶以檢測板料溫度變化。沖壓工藝為：板料置于950℃的大型熱處理爐中加熱8～10h，取出后10min左右轉移至模具對中，壓機快速沖壓，直至工件脫模。沖壓設備為8000t自制壓力機，熱沖壓模具及模具、板料示意圖如圖1所示。

依據實際工況，建立有限元模型，如圖2所示。在有限元軟件MARC中建立幾何模型，并劃分網格，為提高求解的精度并降低運算量，網格大小選取2mm為一單元自適應劃分六面體單元，模具設為可以傳熱的剛體，不劃分單元，在軟件中以surface形式存在。單元數量為51200個，節點數量為92516個。根據所用材料，在材料庫中選用相近的材料模型——16CrMo4。同時，實測材料在溫度900℃，應變速率0.1s-1變形時的應力—應變數據如圖3所示，從而在接近實際工況條件下進行仿真分析。

模具與板料的接觸設為touching，摩擦模型選用庫侖摩擦，摩擦系數選擇常用的0.15。模具運動為力控制，采用實測液壓缸壓力為2574t，壓邊圈的力為318t，凹模固定。同時，依據實測板料熱沖壓過程中的溫度歷程曲線，自編有限差分法的反求程序，以此提取模具與板料熱沖壓過程中接觸換熱系數為5100W/m2·s，板料與空氣的等效換熱系數為130W/m2·s。

工況提交中，采用自適應步長，單元類型為75，沖壓時間300s。為提高運算效率，采用多核并行運算，將板料自劃分為4個運算區域。

圖1 熱沖壓模具及模具、板料示意圖

圖2 有限元模型

圖3 應力—應變關系

模擬結果分析

封頭應力、應變分布

板料熱沖壓成形后，應力分布如圖4所示。由圖中可以看到，整體應力分布均勻。圓形工件底部60°之下的位置應力在80MPa以下，此位置受力較小，這是由于板料變形初期，中心部位近似于自由彎曲狀態，在較小的變形力下即可變形。而隨著板料持續流入凹模，板料邊緣處受到拉深的作用擠過凹模與凸模的間隙，應力水平持續上升，最終在板料頂部受力達到最大值。而變形最大處意味著變形劇烈的位置，即板料減薄與工件收口的關鍵區域。

圖4 板料的應力分布

圖5 板料的應變分布

圖6 工件變形

圖7 實際工件及模擬與試驗的厚度結果

板料的應變分布如圖5所示。對比圖4可以看到，工件上應變呈條帶狀分布，頂部最大，為底部的4倍。圓形工件底部60°之下位置應變較小，尤其底部內靠近凹模的板料，應變很小。在板料持續流入凹模的過程中，變形加劇的位置應變增加，同樣是在工件收口處的變形最大。

封頭厚度分布

由圖6結合應力應變分析可知，底部的變形較小，收口位置變形較大，在底部起60°的位置是變形過渡區，在此處板料與模具存在一定間隙。在工件頂部出現一段平直段。這表明，模具的設計使得板料的變形主要集中在后期，而工件尺寸的精度主要看頂部的收口直徑尺寸，以及工件壁厚的變化。

試件以及沿著底部到頂部方向的工件壁厚分布結果如圖7所示，通過圖中有限元結果與實測結果對比可知，工件底部的變形最小，因而，厚度變化小，基本在75mm左右。隨著角度增加，60°之前工件厚度有波動，但也在75mm左右；在變形過渡區的60°～70°范圍內，板料收縮，壁厚降低，可達74mm；而后板料堆積于工件頂部處，厚度最大，可達78mm。從圖中可知，模擬結果與實測結果吻合較好，變化趨勢與數值均比較接近。

結束語

⑴大型封頭熱沖壓過程中，變形開始較緩，后續較大，變形程度可差3倍。

⑵工件沖壓后，減薄的區域主要在距底部60°～70°的位置，可達74mm，這主要是由于板料在此處開始發生拉深變形。而后變形坯料堆積于平直的頂部，厚度達到最大，為78mm。

⑶有限元結果與實測結果吻合較好，可預測實際的封頭熱沖壓工藝。