管板接頭三維焊接變形的數值模擬

馬征征 郝森 馬世申

摘要：采用三維熱彈塑性有限元法對管板接頭的焊接變形進行數值模擬。研究了不同計算模型和焊接條件下接頭的收縮和平板上開孔的位置和形狀的變化。比較了半周模型和全周模型，固定熱源和移動熱源，單道焊和多道焊下的分析結果。為預測管板接頭的焊接變形，控制制造精度提供了有價值的數據和方法。

關鍵詞：金屬塑性成形;三維焊接;數值模擬技術

近年來，隨著計算科學的快速發展和有限元技術應用的日益成熟，數值模擬技術模擬分析金屬在塑性變形過程中的流動規律在現實生產中得到愈來愈廣泛的應用，不僅大大縮短了模具和新產品的開發周期，降低了生產成本，提高了企業的市場競爭能力，而且有利于將有限元分析法和傳統的實驗方法結合起來，從而推動現代制造業的快速發展。在鍛造成形中，大多數變形過程由于不能簡化成二維變形過程進行處理，所以有限元法數值模擬在鍛造成形中的應用以三維模擬分析為主。

1、三維焊接數值模擬技術的應用

有限元法數值模擬在鍛造成形中的應用最早是進行二維的模擬分析。二維模擬分析技術發展比較成熟，經過適當簡化，能夠模擬普通的平面應變、應力和軸對稱成形等較簡單問題。但生產中，大多數零件形狀比較復雜，影響因素多，如果仍然作為平面或軸對稱問題來處理，所得結果與實際相比會有較大差距，進行三維焊接模擬是解決此類問題的有效途徑。

數值模擬技術在金屬塑性成形中的應用主要基于20世紀80年代發展起來的有限單元數值計算方法。20世紀80年代早期，美國Battelle研究室在美國空軍的資助下開發的有限元程序ALPID（Analysis of Large Plastic Incremental Deformation）是塑性成形數值模擬技術的開始。當時該技術只能分析平面問題和軸對稱問題，不能劃分網格，也沒有考慮非線性問題。但到1985年，美國已經有6家大公司使用該軟件。隨后幾年，開發人員將程序逐漸完善，發展成為商品化分析軟件DEFORM。后來許多分析軟件如：ANSYS、ABAQUS和MARC/Auto Forge等也如雨后春筍般出現，數值模擬軟件進入了快速發展時期。

當前塑性成形過程模擬在工業發達國家已經進入實用階段。正是由于計算機數值模擬技術已經走向實用階段，經典的塑性加工理論真正達到了實際使用，使得塑性成形成為一門真正的科學。通過數值模擬，可以回答經驗設計時無法回答的問題，了解金屬塑性成形的全過程，包括金屬成形過程中各階段材料的填充情況、材料變形的趨勢、材料內部的應力、應變、應變速率、成形載荷及速度矢量場。這對金屬塑性成形工藝設計、模具設計、金屬毛坯的設計、壓力機的選擇以及成形質量的控制等具有很大的現實意義。因此，國際國內許多學者都對塑性成形過程的數值模擬進行了大量的研究，并取得了許多研究成果。

國內具有代表性的有：江雄心等人對空心直齒圓柱齒輪的精鍛成形過程進行三維剛塑性有限元模擬和實驗研究，得出了直齒圓柱齒輪精鍛過程的金屬流動規律和變形力學特征，揭示了直齒圓柱齒輪精鍛過程的變形機理;肖紅生和吳希林等人探索了溫鍛精密成形數值模擬的方法和實現途徑，運用三維焊接分析了棘爪零件的溫鍛成形工步，并用模擬結果指導了該零件的成形工藝和模具設計。

2、DEFORM3D數值模擬軟件簡介

目前，在塑性體積成形有限元分析領域，DEFORM（Design Environment for Forming）系統是世界上較流行的實用商業軟件，它包括二維有限元分析軟件DEFORM-2D與三維焊接分析軟件DEFORM-3D。它是美國SFTC公司（Scientific Forming Technologies Corporation）在S.Kobayashi等人的研究工作以及由S.I.Oh等開發的ALPID軟件的基礎上開發出來的，已在美國、日本、德國等國的實際生產和科研中得到大量成功的應用，并得到世界同行的公認。采用DEFORM軟件進行成形過程仿真分析，可獲得大量工藝設計所需要的信息，如：材料流動狀況的跟蹤、成形缺陷的預測、應變、應變速率和應力分布、溫度場的分布情況以及成形載荷與模具行程的關系等。

DEFORM有別于其它通用的有限元軟件，是專為金屬成形而設計、為工藝工程師和模具設計工程師量身定做的軟件。DEFORM主旨在于幫助設計人員在制造周期的早期能夠檢查、了解和修正潛在的問題或缺陷。它具有良好的用戶界面、數據準備和處理簡便，從而使設計者能夠撇開復雜的計算機系統而專心研究成形工藝，該軟件最大的特點是具有分析大變形問題基于變量密度的自適應網格自動劃分功能，實用性強。

3、應用實例

3.1以弧面凸輪等溫擠壓成形為例

本實例使用DEFORM3D軟件，采用三維剛塑性有限元模擬技術，研究了弧面凸輪等溫擠壓成形機理?；∶嫱馆喪腔∶嫱馆喎侄葯C構的重要零件，為了驗證弧面凸輪等溫擠壓工藝的可行性，模擬初始條件設定如下：

成形材料：40Cr;初始坯料尺寸：Φ49 mm×152mm加熱溫度：750℃;模具加熱溫度為750℃左右;摩擦系數為0.25;沖頭移動速度為10mm/s。

采用DEFORM3D軟件基于剛粘塑性有限元法進行模擬，可見，采用三維焊接模擬技術，能得到等溫擠壓的應力應變分布、擠壓件表面變形形狀和模具的受力情況及材料流動狀況等重要信息，有助于認識擠壓件缺陷的產生機理，有助于深入探討等溫擠壓工藝的成形機理等。

3.2數值模擬中的注意事項

使用DEFORM3D進行數值模擬時，需注意以下幾點：

（1）成形材料的材質選擇是整個模擬的關鍵，直接影響到模擬的精度，因此在DEFORM中建立屬于企業自己產品的材質庫則是關鍵中的關鍵。對于我國的加工制造企業一定要根據自身的情況建立產品材質庫。

（2）DEFORM3D的模擬過程是在絕對理想環境下的進行，而實際生產情況下則存在各種各樣的干擾因素，所以模擬結果存在偏離。在模擬過程中工藝人員要根據自己的知識和經驗不斷調整模擬中的一些相關參數糾正此類干擾。

（3）使用DEFORM3DM對大型件、復雜件進行輔助模擬時，耗時比較嚴重，此時可以采用化復雜為簡單的方法。如利用等溫變形代替非等溫變形、略模具或坯料中一些次要的幾何形狀、減小并使用合理的網格分配、盡量去除增加網格重新劃分的因素等。在取得合適的工藝方法后，再針對其進行高精度模擬。

4、技術展望

4.1探討有效的網格劃分與重劃分算法

在金屬塑性成形過程的三維焊接模擬中，常出現網格畸變、計算精度降低、迭代結果不能收斂等現象，為了能完整、準確地模擬大變形金屬塑性成形過程，需進行網格劃分與重劃分。由于三維網格具有空間幾何實體描述的復雜性，使得三維網格的劃分和重劃分嚴重制約著有限元模擬技術的發展，所以探討行之有效的網格劃分和重劃分算法是亟待解決的問題。

4.2金屬塑性加工中的接觸和摩擦問題有待于進一步研究

到目前為止，人們對摩擦的本質機理認識還不夠，摩擦理論描述還不準確，沒有一種理想的物理模型或數學模型能全面、準確地描述金屬塑性加工中的摩擦效應。

4.3增強幾何模型建造功能

目前的有限元模擬軟件大都僅具有簡單幾何造型功能，對于復雜幾何模型的建造往往借助于大型的CAD專用軟件。所以，很有必要在有限元模擬軟件的前處理模塊中增強幾何造型功能，使之具備較為復雜對象的幾何造型功能。

4.4模擬技術與CAD/CAM系統相結合

將模擬和優化軟件與CAD/CAM系統有效結合，將為企業的生產部門提供一個集計劃、設計到生產和質量保證為一體的高效信息系統，以實現有限元軟件的專業化和智能化。

5、結束語

總之，數值模擬技術在金屬塑性成形過程的應用可以有效地解決金屬塑性成形過程中模具設計制造存在的許多問題，為工藝人員提供一個方便可靠的設計環境，工藝人員可以直接看到模擬結果，隨時調整工藝參數、修改模具，直至得到比較理想的結果，達到事半功倍的效果。三維數值模擬技術必將成為塑性加工領域解決復雜體積成形問題的最有效工具。

參考文獻

[1] 江雄心，萬平榮，扶名福，等.齒輪精鍛的數值模擬與實驗研究[J].塑性工程學報，2012（3）

[2] 肖紅生，林新波，張質良，等.溫鍛精密成形技術及其有限元模擬[J].鍛壓技術，2010（2）.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）