双向拉应力条件下锻件内部孔洞缺陷的模拟分析

常海平

(中信戴卡轮毂制造股份有限公司产品研制开发部，河北066003)

大型锻件内部孔洞缺陷的研究是大型锻件理论研究的一个重要课题，它为制定大型锻件锻造工艺和研制新工艺提供了依据，同时它又制约着大型锻件理论研究工作的进一步发展，在大型锻件的生产和研究中有着不可替代的作用。

目前，对孔洞缺陷的研究，国内外大部分工作仅停留在研究孔隙性缺陷的闭合过程上，已有的孔隙性缺陷的闭合条件基本上都考虑了静水应力对孔洞闭合的影响，有些计算还考虑了锻件尺寸及孔洞形状对孔洞闭合的影响。但是，对锻件受双向拉应力时孔洞变形研究还没有明确的结论。本文采用Deform软件，对在双向拉伸条件下正方体内部孔洞缺陷进行分析，总结其变形条件，这也对制定锻造成形工艺具有参考意义。

1 有限元模型的建立

取边长为500 mm的正方体，在其中心处设置直径为1 mm的球形孔洞。利用正方体结构的对称性，模拟时取其1/8建模。网格划分采用四面体单元，并在孔洞区域进行了局部细化，网格模型如图1所示。锻件材料为45#钢，视为刚塑性材料，变形温度为1 200℃。

图1 网格模型Figure 1 The mesh model

在对称面上施加对称约束，分以下两种情况进行模拟计算：

(1)正方体X面、Y面施加均布拉力，且在变形中保持不变，称之为条件A。

(2)正方体X向、Y向施加均布拉力，Z向为均布压力，且在变形中保持不变，称之为条件B。

X向的均布拉力为Px，Y向均布拉力为Py，Z向均布压力为Pz，加载时间为t。

2 数值模拟结果与分析

η为锻件沿Y方向的变形率，z坐标轴代表球形孔洞经变形成椭球的短轴，x坐标轴代表中轴，y坐标轴代表长轴。

2.1 条件A下的孔洞变形

图2是孔洞体积随η增加的变化曲线。图3是短轴随η增加的变化曲线。图4是长轴随η增加的变化曲线。

图2 Px=100 MPa、Py为不同值时孔洞体积随η增加的变化曲线Figure 2 The change of hole volume along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

图3 Px=100 MPa、Py为不同值时孔洞短轴随η增加的变化曲线Figure 3 The change of hole short axis along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

由图2可知，当η≤30%时，孔洞体积近似线性增大；当η>30%后，孔洞体积的增长减缓。在变形过程中，三者相比，px=py=100 MPa时孔洞体积始终保持最大，Py=120 MPa时孔洞体积始终保持最小。即Y向与X向的均布拉力比为1∶1时，孔洞体积扩展率最大，两者的比值越大，孔洞体积扩展率越小。

由图3可知，短轴随 的增加而逐渐减小。在变形过程中，三者相比，Py=120 MPa时孔洞短轴始终保持最大；Py=100 MPa时孔洞短轴始终保持最小，即Y向、X向的拉力比为1∶1时，孔洞短轴最小，两者的比值越大，则孔洞短轴越大。

由图4可见，孔洞长轴随 的增加而近似线性增大。对于同一 值，Py的变化对长轴基本无影响。即：在条件A下，孔洞长轴的变化与X向、Y向的拉力比无关，只与变形率 有关。

图4 Px=100 MPa、Py为不同值时孔洞长轴随η 增加的变化曲线Figure 4 The change of hole long axis along with η variation on the condition of Px=100 MPa and Py being assigned different values

2.2 条件B下的孔洞变形

2.2.1 孔洞的形状变化

图5是孔洞在XZ截面上随η变化的形状。

(a) =10% (b) =20% (c) =50% (d) =60%图5 条件B下孔洞XZ截面随η 变化的形状Figure 5 The shape of the XZ cross section of the hole under condition B changed along with the η variation

由图5可见，孔洞逐渐由球变为椭球，z轴变短，x、y轴变长，孔洞边缘逐渐呈尖锐状。当 50%时，短轴端点已接近闭合，而长轴端点处留有一定的空间，孔洞已不再保持椭球特征，而成环状。当 60%时，孔洞完全闭合。表明在双向拉应力条件下，另一方向压应力的存在使孔洞闭合成为可能。

2.2.2 孔洞的体积变化

图6是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分别为100 MPa、110 MPa、120 MPa条件下，孔洞体积随Y方向变形率η增加的变化曲线。

图6 Py不同时孔洞体积随η 增加的变化曲线Figure 6 The change of hole volume along with η variation on the condition of Py being assigned different values

由图6可知，在条件B、Pz不变的情况下，孔洞在Py与Px的比值为1∶1时体积减小的最快；Py与Px的比值越大，孔洞体积减小的越慢。

同时，模拟还得出以下结论：孔洞在Px=Py=100 MPa、Pz=-100 MPa时的体积小于Px=Py=100 MPa、Pz=-70 MPa时的体积，即在条件B下，Pz值越大，孔洞体积越小。

2.2.3 孔洞短轴变化

图7是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分别为100 MPa、110 MPa、120 MPa条件下，孔洞短轴随η增加的变化曲线。

图7 Py不同时孔洞短轴随η 增加的变化曲线Figure 7 The change of hole short axis along with η variation on the condition of Py being assigned different values

图8 Py不同时孔洞长轴随η 增加的变化曲线Figure 8 The change of hole long axis along with η variation on thecondition of Py being assigned different values

由图7可见，孔洞短轴均随 的增加而减小。在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa条件下，在Py=100 MPa、 =60%时孔洞短轴为0。在Py分别为110 MPa、120 MPa和 =70%时孔洞短轴为0。可知，Pz不变时，Px=Py比PxPy时更有利于孔洞短轴的减小。

2.2.4 孔洞长轴变化

图8是在Px=100 MPa、Pz=-70 MPa、Py分别为100 MPa、110 MPa、120 MPa条件下，孔洞长轴随η增加的变化曲线。

由图8可见，孔洞长轴均随 的增加而近似线性增大。对于同一η值，孔洞长轴大致相等，即在上述情况下，Py的变化对长轴基本无影响。所以在Pz不变时，孔洞长轴变化与Px、Py的大小无关，只与变形率η有关。

3 结论

对在双向拉应力条件下正方体锻件内部的中心孔洞缺陷进行了有限元模拟，得出以下结论：

(1)不受压力的情况下，孔洞体积和尺寸均持续扩展，无闭合可能。Px∶Py=1∶1时，孔洞体积扩展最大，两者的比值越大，孔洞体积的扩展越小。

(2)当Pz<0时，在所研究的条件下，变形中内部孔洞的体积和尺寸呈减小趋势，孔洞存在闭合可能。且在Pz恒定、Px∶Py=1∶1时孔洞体积减小最快，两者的比值越大，孔洞体积减小越慢。

(3)Pz不变时，Px=Py比PxPy更有利于孔洞短轴的减小。

(4)孔洞长轴变化与Px、Py的大小无关，只与变形率 有关。

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