基于ANSYS的拉丝过程有限元仿真研究

2020-04-24梁瑞马春翔

机械制造与自动化 2020年2期

梁瑞，马春翔

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

拉丝是丝材生产的主要方式，在钢丝的拉丝加工过程中，需要进行模具的设计，其中模具的入口角度、定径带长度、出口角度和拉丝的拉拔力与质量有密切关系。超声波拉丝是超声波在塑性加工中的一个运用，前人的研究表明，加入超声波后，平均拉拔力明显降低，拉拔质量明显提高，传统拉丝工艺难以加工的材料可以在超声波拉丝工艺中加工，因此受到了国内外各界的广泛关注[1-2]。用实验的方法进行研究需要大量的成本，而有限元仿真可以节省物力、人力和时间，已经成为非常重要的研究手段[3]。

1 建立有限元模型

1.1 建立三维模型

根据某企业中的一个具体拉丝产品建立三维模型，模型尺寸如图1所示。由于模型是对称的，取实体的1/4进行仿真[4]。

1.2 简化与假设

拉丝过程非常的复杂，而ANSYS计算能力有限，对拉丝过程的仿真必须进行一定的合理简化与假设：1) 拉丝模由硬质合金制成，相对于要加工的钢丝硬度非常高，所以假设拉丝模为刚体[4]；2) 拉丝模和钢丝之间的摩擦符合库仑定律[5]；3) 不考虑温度对拉丝的影响；4) 钢丝为均匀连续的各向同性材料，且满足体积不变定律[6]。

图1 拉丝模型的二维剖视图

1.3 建立材料模型

钢丝的弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，密度为7.81×10-6kg/mm3，拉丝模和钢丝之间的摩擦因数为0.05。材料采用MISO多线性等向强化模型[7]。

1.4 定义单元类型

根据实际情况，钢丝选用的单元类型为SOLID185；目标面单元类型为TARGE170，接触面单元类型为CONTA174[8]。

1.5 划分网格

对钢丝划分网格时，采用扫掠的方式进行网格划分，任何单元的任何边长≤0.1mm，网格划分如图2所示。钢丝有限元模型共有单元1550个，节点2142个。

图2 网格划分

1.6 定义接触对

拉丝加工中的接触属于刚体与柔体接触，又属于面和面接触[9]。

1.7 约束条件

不加超声波时，拉丝模的所有自由度为0；加超声波后，拉丝模和钢丝只有沿轴向的自由度，其他方向的自由度被约束。

1.8 添加载荷

不加超声波时，拉丝模的所有自由度为0，只需在钢丝的前端面上添加位移载荷。拉丝速度设定为V=100mm/s，仿真开始时钢丝在轴向的速度为0，如果第1个载荷步的速度就设为100mm/s的高速，由于速度突然跳跃太大，最后仿真的结果完全失真。钢丝前端面从0移动到0.5mm的过程，速度从0开始进行匀加速加载。

V=at

(1)

(2)

其中：速度V=100mm/s；位移S=0.5mm。通过式(1)、式(2)可以求出钢丝前端移动到0.5mm时的时间t=0.01s，加速过程的加速度a=10000mm/s2。

超声波是正弦波，但为了添加方便，减少计算量，采用同频率、同振幅、同相位的三角波来代替[10]，超声波的频率为20kHz[4]，振幅为0.008mm。

不加超声波和加超声波的区别在拉拔到0.5mm，即进入正常拉拔状态以后，不加超声波则拉丝模固定不动，加了超声波则拉丝模要以超声波的频率和振幅振动。钢丝前端面从0mm移动到0.5mm的过程，每隔0.001s添加1个载荷步，共10个载荷步。仿真拉拔过程有11个载荷步。本次仿真采用的是瞬态动力学分析的完全法，使用“同步加载，多步求解”的方法[4]，具体的载荷加载如表1所示。

表1 载荷加载表

2 求解

在软件中操作时，先定义一次求解设置，再定义一次载荷，最后存储1个载荷步，所有载荷步都定义好以后，一次性计算所有载荷步。

3 结果分析

钢丝的前部分轴向应力均匀，各个节点的应力差异很小，可认为应力是相同的。轴向应力乘以横截面就是拉拔力，该部位为拉丝完成的部分，横截面不变，即轴向应力和拉拔力有一个准确的对应关系，为了直观展示研究结果，所有结果均查看轴向应力的大小和变化。

3.1 无超声波时3个因素的正交试验

以模具的入口角度、定径带长度、出口角度为3个因素，取5个水平设计正交试验，选择L25(56)正交试验表，只有3个因素，所以只用前面3列。模具的入口角度有7°、9°、11°、13°、15°，定径带长度有0.3mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm、1.1mm，出口角度有55°、65°、75°、85°、95°。正交试验排列、试验结果如表2所示。

表2 无超声波的正交试验

从入口角度对应的K1-K5可以看出随着入口角度的增大，拉拔力先急剧减小，然后趋于稳定，入口角度为13°时，拉拔力最小；从定径带长度对应的K1-K5可以看出随着定径带长度的增加，拉拔力增加，定径带长度为0.3mm时，拉拔力最小；从出口角度对应的K1-K5可以看出随着出口角度的增加，拉拔力没有明显的变化。所以最佳正交组合为入口角度13°，定径带长度0.3mm，出口角度95°。由极差R可知影响拉拔力的顺序为入口角度>定径带长度>出口角度，入口角度和定径带长度对拉拔力的影响很大，出口角度对拉拔力的影响很小。

3.2 加超声波时3个因素的正交试验

和没有超声波时的正交试验设置完全一样。在超声波拉拔中，由于拉拔力变化幅度太大，很难读取平均拉拔力的准确数值，所以加入超声波以后，选择最大拉拔力为仿真结果来研究。正交试验排列、试验结果和结果分析如表3所示。从入口角度对应的K1-K5可以看出随着入口角度的增大，拉拔力先急剧减小，然后趋于稳定，入口角度为13°时，拉拔力最小；从定径带长度对应的K1-K5可以看出，随着定径带长度的增加，拉拔力整体上一直在增加，定径带长度为0.3mm时，拉拔力最小；从出口角度对应的K1-K5可以看出，随着出口角度的增加，拉拔力没有明显的变化，出口角度为65°时，拉拔力最小。所以最佳正交组合为入口角度13°，定径带长度0.3mm，出口角度65°。由极差R可知影响拉拔力的顺序为入口角度>定径带长度>出口角度，入口角度和定径带长度对拉拔力的影响都很大，而出口角度对拉拔力几乎没有影响。