DEFORM-3D模拟6061铝合金抜长变形应变场分布的研究(5)
坐标网格法是一种常用的方法,对于体积成形(如圆柱体墩粗)。通常是在半个试件的子午面一侧刻上网格,另一侧为光滑平面,然后用伍德合金将两个半圆柱体试件焊合成一个圆柱体试件,变形后在沸水中打开,通过网格尺寸变化可以算出变形分布,但对于结构用材料(如铝合金、各种钢试件)尚未找到一种易于焊合又便于打开的方法。通过解剖冷变形后铝合金工件并在其子午面上打硬度以显示其变形分区,作为定性分析这是很简便的,但若是作为定量分析,则有一定难度, 因为硬度与等效应变之间不存在线形关系,与某一方向应变则不存在定量关系。针对金属体积成形研究中物理模拟和坐标网格法的不足之处,本文作者首次提出了一种直接对金属材料工件进行塑性变形、且不在工件内部造成较大缺陷的前提下,测量金属变形体内塑性应变分布的有效的实验方法——嵌入螺柱法。、嵌入螺柱法的实质是加工一个组合件, 在需要测量应变的部位嵌入螺柱, 使该组合件在一定体积变形工艺条件下发生塑性变形。将变形后的试件沿嵌入螺柱中心线的位置进行切割, 暴露出螺纹界面, 如图4 所示，图4a 和b 分别为嵌入螺柱的圆柱体激粗变形前后沿嵌入螺柱中线切割得到的截面(深色即为螺柱),可以观测到变形前螺柱两侧的螺纹界面, 测量螺纹界面上的螺距变化即可，计算应变分布该方法的优点是:
(l) 可以用于真实工件的应变分析, 因为所嵌入螺柱的材料与试件母材相同;
(2) 可以用于自由激粗等变形而不会发生类似粘合件的开
裂现象;
(3) 对于特定温度场的工件(如一端温度高, 另一端温度低)也完全适用,因为此组合件扰如一个相同材料的整体件,所不同的是它是一个可在工件内部所需部位进行应变量化的组合件,即它能在不对工件内部造成较大缺陷的前提下,在内部嵌入可测量应变的“网格”(指具有初始螺距并可进行测量的螺纹线)。
1.3 有限元模拟技术简介
有限元法由于具有计算精确、信息量全等优点，目前已应用于拔长过程的模拟和工艺方案的分析比较。借助于有限元模拟等手段，比较了各种砧型对拔长效果的影响。BANASZEK 等对异型砧拔长方坯的初次压下过程进行了有限元分析，研究了工艺参数的选取。对大型GH4169合金铸锭的开坯过程进行了热力耦合有限元模拟，获得了开坯后坯料内部等效应变和温度的分布规律。但是，由于拔长工序通常是多道次成形过程，每个道次中包含多次压下，每次压下中坯料发生局部变形，导致模拟整个成形过程的计算时间很长，从而限制了有限元模拟在拔长工艺优化设计中的应用。
为了使模型能够正确反映实际条件，实行有限元模拟的软件内需要包含以下关键技术部分：
（1） 几何模型的建立
实现进行有限元计算相关的变形体和刚体的几何造型。为了进一步网格划分的方便和避免异常点的产生，通常对模型进行适当的简化处理。现存的有限元分析软件其造型功能都很有限，所以，对复杂对象的几何建模多借助于专用的CAD软件。然后，通过一定的图形标准（如IGES、STEP等），实现CAD和CAE系统间的数据转换。
（2） 网格的划分与重划分
由于有限元分析中网格质量的好坏直接影响到求解的效率和精度，在网格划分上多做些工作是值得的。在金属成形过程中，材料在流动时极易使相应的单元形状产生过度变形导致畸变。而有限元分析结果的精度对单元形态极为敏感。在变形过程中，往往会在局部区域内产生高温和大变形而导致网格畸变， 这样会降低求解精度或发生模具嵌入坯料内部而发生穿透，所以需要采用自适应网格重划分技术。这就要求软件具有良好的网格自动划分和重划分功能。该技术能纠正因过度变形产生的畸变或扭曲的网格，根据某一设定准则（如模具穿透、塑性应变、增量步准则等）自动重新生成形态良好的网格， 并将原来旧网格中的状态变量映射到新划分的网格上，以保证后续计算的进行，提高计算精度。
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