基于Workbench纖維增強(qiáng)扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂樹婷，成小樂,,王艷輝,，彭 耀

(1.西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048;2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

0 前言

現(xiàn)今，軌道交通、汽車、航空航天等方面實(shí)行輕量化發(fā)展，因此對輕合金型材的需求大大增加。實(shí)現(xiàn)輕量化方法之中行之有效的一種是將輕合金型材與中空結(jié)構(gòu)型材設(shè)置為車身內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，減輕車身重量[1]。擠壓生產(chǎn)方法是輕合金型材的主要生產(chǎn)方式，而金屬擠壓機(jī)是實(shí)現(xiàn)金屬擠壓加工的核心設(shè)備，擠壓筒作為金屬擠壓機(jī)的核心部件成本昂貴[2]。擠壓筒分為圓筒和扁筒兩類，在擠壓力相同的條件下，扁擠壓筒可以更好地代替圓擠壓筒生產(chǎn)大型材[3]。扁擠壓筒由于與型材具有幾何上的相似性可以大大降低擠壓力，提高金屬流動(dòng)的均勻性，但是由于扁擠壓筒幾何上的不完全對稱性，在內(nèi)襯處易形成應(yīng)力集中，造成扁擠壓筒的應(yīng)力開裂失效[4-6]?，F(xiàn)已有的研究大多傾向于碳化硅顆粒整體增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料，然而從材料的實(shí)際服役狀態(tài)來看，材料的局部區(qū)域性能(如硬度、強(qiáng)度、耐磨性)往往對構(gòu)件的服役壽命起著關(guān)鍵性作用。因此，很多工況下真正需要的僅僅是提高服役構(gòu)件局部區(qū)域的性能，而非整個(gè)增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料。而且國內(nèi)外現(xiàn)在針對扁擠壓筒的優(yōu)化目的基本上都是為了緩解應(yīng)力集中。本文采用一種局部應(yīng)力增強(qiáng)的方式，即在扁擠壓筒容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置植入碳化硅纖維，使得纖維來抵抗受力過程中產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而達(dá)到優(yōu)化目的。

1 扁擠壓筒有限元模型及參數(shù)選擇

1.1 模型參數(shù)選擇原則

本文采用在繪圖軟件上建立四分之一模型，并且在整個(gè)模擬過程中不考慮扁擠壓筒實(shí)際工作中會(huì)有的各種情況，比如材料的不均勻性、溫度在整個(gè)過程中各部分的不均性、和本身材料的小缺陷等產(chǎn)生的影響。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步作出如下假設(shè)[7-10]：

(1)工作內(nèi)壓為等靜壓，均勻分布在扁擠壓筒內(nèi)孔上;

(2)扁擠壓筒每層采用的材料相同，且彈性模量和泊松比相同；

(3)內(nèi)襯和外套之間不會(huì)產(chǎn)生任何位移變化；

(4)扁擠壓筒各層襯套尺寸公差與設(shè)計(jì)參數(shù)一致；

針對5 MN擠壓機(jī)用扁擠壓筒，其力學(xué)模型如圖1所示。其中a為內(nèi)孔短半軸，a=40 mm，b為長半軸，初始長度為80 mm，r內(nèi)襯外徑，r=110 mm，R外套外徑，R=220 mm。本文選取的是雙層扁擠壓筒，由前面的假設(shè)，各層材料都采用H13。引用5 MN扁擠壓筒的優(yōu)化參數(shù)見表1[11-12]。

圖1 扁擠壓筒力學(xué)模型示意圖

表1 扁擠壓筒力學(xué)模型參數(shù)

1.2 扁擠壓筒的載荷與約束

用有限元軟件做出1/4擠壓筒的網(wǎng)格圖如圖2所示。并在其端面施加對稱約束。因?yàn)楸鈹D壓筒在工作時(shí)不允許z向產(chǎn)生位移，所以在前后端面上也應(yīng)施加約束。在工作過程中，只考慮扁擠壓筒內(nèi)孔上的受力，并且假設(shè)全部受均布載荷作用，其模型如圖2所示。內(nèi)壓P可按式(1)計(jì)算

圖2 載荷及約束模型

(1)

式中，F(xiàn)為擠壓機(jī)的擠壓；r為擠壓筒內(nèi)孔橫截面半徑。

2 扁擠壓筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

扁擠壓筒裝配狀態(tài)下應(yīng)力峰值及應(yīng)力分布均勻性都會(huì)影響其使用壽命。本章以5 MN 擠壓機(jī)用扁擠壓筒為例，探究設(shè)計(jì)過程中扁擠壓筒的相對過盈量、層間徑比兩變量對扁擠壓筒等效應(yīng)力峰值的影響，以及對扁擠壓筒應(yīng)力分布均勻性的影響探究；另外探究在同樣拉伸力下，加入碳化硅纖維后對初始材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。

根據(jù)扁擠壓筒優(yōu)化研究經(jīng)驗(yàn)，對扁擠壓筒的相對過盈量、層間徑比的參數(shù)值進(jìn)行優(yōu)化。扁擠壓筒初始相對過盈量為0.25%，外套外徑為420 mm，橢圓度為1.0，應(yīng)力應(yīng)變云圖如圖3所示，最大裝配應(yīng)力出現(xiàn)在圓弧頂端，大小為713.61 MPa；

圖3 初始參數(shù)應(yīng)力應(yīng)變云圖

2.2 模擬結(jié)果與討論

2.2.1 相對過盈量優(yōu)化

分別對相對過盈量為0.21%、0.26%、0.31%、0.36%及0.40% 時(shí)的扁擠壓筒裝配及工作應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析。裝配過盈量與裝配應(yīng)力及工作應(yīng)力關(guān)系見圖4。當(dāng)扁擠壓筒的相對過盈量為0.26% 時(shí)應(yīng)力分布如圖5所示，在孔的圓弧頂端處會(huì)出現(xiàn)扁擠壓筒的最大裝配應(yīng)力，大小為706.88 MPa；扁擠壓筒最大工作應(yīng)力為1 207.9 MPa。由應(yīng)力云圖可以看到內(nèi)襯應(yīng)力最大位置都在內(nèi)孔上，并且向外表面不斷下降，內(nèi)孔表面發(fā)生的裝配應(yīng)力變化是向直線段不斷降低。最小應(yīng)力出現(xiàn)在工作孔兩對稱直線段附近，優(yōu)化扁擠壓筒相對過盈量后的工作應(yīng)力峰值相比于初始結(jié)構(gòu)，降低了10%。

圖4 應(yīng)力與相對過盈量關(guān)系圖

圖5 過盈量為0.26%時(shí)應(yīng)力分布圖

2.2.2 層間徑比優(yōu)化

分別對外套外徑為400 mm、410 mm、420 mm、430 mm、440 mm、450 mm的扁擠壓筒裝配及工作應(yīng)力分布進(jìn)行模擬分析。扁擠壓筒的層間徑比與裝配應(yīng)力及工作應(yīng)力關(guān)系如圖6所示。當(dāng)扁擠壓筒的外套外徑為440 mm時(shí)應(yīng)力分布如圖7所示。

圖6 應(yīng)力與外套外徑關(guān)系圖

圖7 外套外徑為440mm時(shí)應(yīng)力分布圖

最大裝配應(yīng)力值在內(nèi)襯孔圓弧與x軸交點(diǎn)位置附近取得，最大應(yīng)力大小為682.77 MPa，最大工作應(yīng)力為1 185.1 MPa，由應(yīng)力云圖可以看到內(nèi)襯應(yīng)力最大位置都在內(nèi)孔上，并且向外表面不斷下降，內(nèi)孔表面發(fā)生的裝配應(yīng)力變化是向直線段不斷降低。最小應(yīng)力出現(xiàn)在工作孔兩對稱直線段附近，優(yōu)化扁擠壓筒相對過盈量后的工作應(yīng)力峰值相比于初始結(jié)構(gòu)，降低了9%。

3 Workbench拉伸模擬

本章所采取的模型主要是在先前的優(yōu)化方案基礎(chǔ)上選取最優(yōu)，即相對過盈量為0.26%，外套外徑為440 mm，橢圓度為1.0的扁擠壓筒模型。在此時(shí)扁擠壓筒的應(yīng)力集中位置取塊，并植入碳化硅纖維，觀察抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度以及應(yīng)變的變化。

3.1 碳化硅纖維

SiC增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料會(huì)明顯提高基體材料的綜合力學(xué)性能，如比強(qiáng)度、比剛度[15]。并且使得原始基體材料的使用溫度提高200℃左右。經(jīng)查閱，碳化硅纖維的化學(xué)成分含量見表2。

表2 SiC纖維各項(xiàng)物理參數(shù)

3.2 碳化硅纖維與基體材料配合方式

本文中拉伸測試的前提是將碳化硅纖維通過纖維-基體-纖維的配合方式加入基體材料，基體材料采用的是H13(4Cr5MoSiV1)，這是因?yàn)樘蓟枥w維在作為金屬基的增強(qiáng)體時(shí)，使得金屬材料本身的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和熱膨脹系數(shù)都很小，可以保證尺寸精度波動(dòng)小。拉伸試樣加工成長度為 23 mm，最大半徑為Φ8 mm的標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣體，試樣的具體尺寸見圖8 。

圖8 拉伸試樣結(jié)構(gòu)示意圖

將建好的模型直接導(dǎo)入Workbench工作空間，設(shè)置好材料屬性和約束等進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，從而獲取屈服強(qiáng)度YS、抗拉伸強(qiáng)度UTS。觀察碳化硅纖維的嵌入是否對基體材料區(qū)域各項(xiàng)力學(xué)性能有所改善。

本文中所采用的材料為H13模具鋼，將原始柱體材料中間打長55 mm、厚度為1 mm的通孔，并且嵌入碳化硅纖維層來代替通孔的原始材料，其結(jié)構(gòu)模型見圖9。

圖9 配合材料結(jié)構(gòu)模型示意圖

3.2.1 基體材料拉伸測試

設(shè)定初始基體材料的抗拉強(qiáng)度為2 040 MPa,屈服強(qiáng)度為1 460 MPa，初始應(yīng)變?yōu)?.99×10-2，拉伸后的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果見圖10，應(yīng)力應(yīng)變最大位置都出現(xiàn)在試樣中部，所以斷裂位置也發(fā)生在試樣中部。

圖10 初始屈服和抗拉強(qiáng)度應(yīng)力云圖

3.2.2 基體-纖維-基體配合拉伸測試

采用與初始基體同樣的拉伸力來加壓，配合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的應(yīng)力圖如圖11 所示。同樣，應(yīng)力和應(yīng)變最大位置也都出現(xiàn)在試樣中部。

圖11 配合材料屈服和抗拉強(qiáng)度應(yīng)力云圖

從兩個(gè)模擬結(jié)果的對比來看，加入纖維的材料屈服時(shí)最大應(yīng)力為1 312.8 MPa，抗拉強(qiáng)度下最大應(yīng)力為1 833.6 MPa。本著最大應(yīng)力接近于材料屈服/抗拉強(qiáng)度的原則，同樣的拉伸力下，配合材料比基體材料的屈服強(qiáng)度提高了11%；抗拉強(qiáng)度提高了11%；由應(yīng)變云圖可以看出材料內(nèi)部的變形比初始發(fā)生了改變，并且由拉伸后的長度發(fā)現(xiàn)延伸率并沒有發(fā)生改變。符合了預(yù)期設(shè)想，證明了碳化硅纖維的加入確實(shí)提高了初始基體材料的各項(xiàng)性能。

4 結(jié)束語

(1)通過本文的研究，表明所研究的優(yōu)化方向是正確的，并且由結(jié)果可知確實(shí)起到了優(yōu)化效果；最佳的相對過盈量選取在2.75%左右，在合適的相對過盈量下，最大等效應(yīng)力減小明顯。

(2)模擬結(jié)果顯示，改變外套外徑和橢圓度兩因素時(shí)，在外套外徑為440 mm，橢圓度為1.0時(shí)，分別取得了最佳應(yīng)力分布和最小裝配/工作應(yīng)力。

(3)通過拉伸模擬仿真結(jié)果，發(fā)現(xiàn)加入碳化硅纖維確實(shí)增強(qiáng)了初始基體材料的部分性能，在最終拉伸結(jié)果圖上，顯示加入碳化硅纖維后材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都比初始基體材料增加了11%。