有限元仿真优化拉拔过程

1）仿真软件

随着有限元分析技术的发展，它可为金属塑性成形过程提供重要信息，以确定最佳的成型工艺。目前，专业的有限元分析软件公司有几十家，其中，ANSYS公司于1970年由John Swanson博士在美国匹兹堡创办，目前该公司在全球拥有最大的用户群，是国际上最主流的有限元软件公司之一。由于传统CAE软件在设计研发中存在对分析人员要求过高、数据接口与共享不方便以及处理模型的功能相对较弱等不足，ANSYS公司开发了ANSYS Workbench平台。ANSYS Workbench是ANSYS新一代客户化及行业化定制平台，提供开放性和先进性的集成框架，能够满足用户在该开放环境下快速实现工具及应用集成的需要。在ANSYS Workbench环境中，用户可以完整地建立、求解和后处理。它还提供了单一后处理工具，不但仅需花费很短的时间即可解决复杂多物理场问题，也扩展了有限元仿真的应用领域。Workbench把ANSYS系列产品融合到统一的仿真平台中，使数据实现传递及共享，为有限元仿真模拟和设计提供了全新平台，提高了仿真效率，很大程度上保证了仿真模拟的通用性和精确性。此外，ANSYS Workbench具有强大的参数化功能，可自动实现有限元分析的全过程。在参数化的分析过程当中可以简单地修改其中的参数达到分析各种尺寸参数的设计方案，极大地提高了分析效率，减少了分析成本。由于ANSYS具有强大的分析能力以及Workbench提供的参数功能，因此本书选择ANSYS Workbench作为有限元分析软件。

2）基本假设

在管线材拉拔过程中，一根管线材利用拉拔设备进行拉制，理论上其长度可达无限长，一次生产的材料往往可达数吨，对整个的拉拔过程进行有限元仿真需要极大的运算量和存储空间，是难以实现的。在实际拉拔过程中，除头尾较小范围内为非稳态的拉拔外，整根管线材的其余部分均为稳态的变形过程，管线材沿长度方向上不同部位所经历的拉拔工艺完全一致。在这样的前提下，为了实现金属管线材的拉拔过程有限元仿真，只模拟部分管线材与金刚石薄膜涂层拉丝模具接接触、变形的过程，即可反映出整个拉丝过程中稳态的拉制过程。金属管线材拉拔过程的有限元仿真的主要简化及假设如下：

（1）材料是均匀及各向同性材料，金属管线材被设置为理想弹塑性模型，金刚石薄膜涂层拉拔模具设置为理想线弹性材料。

（2）不考虑金属线材偏心，采用轴对称模型对金属管线材和拉拔模具进行建模。

（3）金属管线材同拉拔模具之间的接触采用库仑（Coulomb）摩擦模型进行描述。

（4）忽略在加工过程中的温度变化带来的热效应及惯性力的影响。

3）有限元模型

管线材拉拔过程中的金属的变形分析十分复杂，其中有两类数据在有限元模拟中十分重要，其准确性直接决定着有限元模拟的结果是否有效。一是金属材料同抛光金刚石薄膜涂层之间的摩擦系数，具体摩擦系数数值通过类似3.4节的标准摩擦磨损试验获得；二是金属材料的应力应变曲线，用于描述金属材料的弹塑性行为，本书将通过金属拉伸试验得到。采用Zwick T1-FR020.A50型电子万能材料试验机，在室温条件下进行圆管试样的拉伸试验，如图5-1所示。表5-1给出了各个试样的尺寸。引伸计的原始标距为50 mm。

图5-1　拉伸试验试样及拉伸试验机

（a）拉伸样件；（b）万能试验机

表5-1　拉伸试样尺寸

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拉伸试验过程中的拉拔力和引伸计的位移直接被万能试验机记录，并根据式（5-1）及式（5-2）计算其工程应力S和工程应变e。

式中，P为拉拔力；A0为试样的原始截面积；L为拉伸过程中引伸计的长度；L0为引伸计的原始标距。由于在拉伸过程中试样的长度和截面积都在不断变化，工程应力S和工程应变e已经不能精确地反映真实的应力和应变，因此必须考虑使用真实应力σ和真实应变ε，由式（5-3）及（5-4）可得。图5-2是详细的应力应变曲线。

拉拔过程仿真中的模具及管线材的几何模型可直接在ANSYS Workbench的前处理模块中建立。然后将通过实验获得的摩擦系数和金属材料的应力应变数据加载到模型当中，划分网格即可得到拉拔过程仿真的有限元模型，如图5-3所示。在仿真过程中，金刚石薄膜涂层拉拔模具的底部被施加固定约束，在管线材的前端施加－60 mm的轴向位移载荷，用于模拟施加的拉拔力，拉拔速度设定为3 m/s，仿真时间为0.02 s。

图5-2　金属材料的应力应变曲线

（a）不锈钢；（b）低碳钢；（c）铜；（d）铝

图5-3　拉拔过程的有限元模型

（a）线拉；（b）无芯头拉拔；（c）游动芯头拉拔；（d）固定芯头拉拔