CN108509666B - 基于ANSYS/LS-dyna的纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于ANSYS/LS‑dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法，主要包括：根据纯铝导线和模具的工艺参数，基于ANSYS参数化建模技术建立导线和模具的实体模型；根据导线在拉拔过程中的大变形行为，选取随动硬化材料模型并根据各道次导线拉伸应力应变曲线确定材料模型的参数；根据导线在拉丝机上的拉拔牵引方式和拉拔速度确定有限元模型的加载方式及边界条件；最后将定义好的有限元分析模型提交LS‑dyna计算，并用ANSYS对结果文件进行后处理，输出应力分布和塑性变形云图，并绘制各道次导线心部到表层的应力变化曲线。本发明对现有的导线模拟方法进行了改进，提高了计算效率和计算精度，与试验法相比大大缩短了工艺参数验证的时间，降低了设计成本。
Description
技术领域
本发明涉及工业纯铝导线冷拉拔研究领域，特别提供一种基于ANSYS/LS-dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法。
背景技术
冷拉拔工业纯铝导线作为钢芯铝绞线的重要组成部分，在长距离输电线路上具有广泛的应用。在使役环境下，导线易受到自重、冰载和风载等载荷的影响，在此影响下纯铝导线易发生断裂。因此，提高导线的断裂强度对提高导线使役安全性具有重要的作用。
目前，工业纯铝导线是由原始铝棒经过9个道次的冷拉拔得到的，与原始铝棒相比其力学性能得到显著提升。但为了满足使役条件的要求，纯铝导线的力学性能仍需不断提高。因此，研究冷拉拔过程导线的塑性硬化行为，提高导线的断裂强度，对满足长距离输电线路的安全性具有重要作用。但是，目前对纯铝导线在拉拔过程中的塑性硬化行为仍缺乏准确的认识，急需有效的方法对这一问题进行系统的分析和研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ANSYS/LS-dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法。此方法能够帮助我们认识纯铝导线在冷拉拔过程中的塑性硬化行为，为以后生产工艺参数的优化，提高导线的断裂强度提供帮助。
本发明主要通过下述技术方案实现：一种基于ANSYS/LS-dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法，包括以下步骤：
一、根据纯铝导线和模具的工艺参数，基于ANSYS参数化建模技术建立导线和模具的有限元模型
在建模前首先选取单元类型，采用ANSYS参数化语言命令ET定义单元类型，选取模具和导线的单元类型为SOLID164。在选定单元类型后，进行三维仿真分析模型的建模，具体过程如下：依据模具减径角度α、减径后半径r和模具平行段长度L建立模具纵向截面二维模型，根据导线减径前后的半径R和r，建立与模具相接触的纵向截面二维导线模型，然后采用ANSYS参数化语言命令VROTAT命令对模具和导线的二维模型绕中心线关键点旋转生成三维实体模型。
对上述建立的模具和导线实体模型进行网格划分，采用MESHKEY命令控制网格划分形式，采用ESIZE命令定义网格尺寸，采用VSWEEP命令对模具和导线进行网格划分。同时，将模具和导线之间定义为接触，接触摩擦系数取值为0.05，
二、根据导线在拉拔过程中的大变形行为选取材料的硬化模型，根据各道次导线拉伸应力应变曲线确定材料模型的参数。
根据拉拔过程中导线的大变形行为，选取LS-dyna中的多线性随动强化模型作为导线的材料模型，同时，将各道次导线的拉伸曲线与多线性随动强化模型相拟合，确定导线随动硬化材料模型中的参数。由于模具的刚度和强度显著高于导线，所以将模具定义为刚性体。
三、根据导线在拉丝机上的拉拔牵引方式和拉拔速度确定有限元模型的加载方式及边界条件
根据导线在拉丝机上的牵引方式，将沿拉拔方向顶端平面的节点定义为一个节点组，采用EDPV命令在节点组上施加15m/s的导线拉拔速度。根据模具和导线的对称性，在对称面上施加对称边界条件，约束沿对称方向的位移。
四、有限元分析模型的求解控制和结果文件后处理
在求解控制选项中，主要采用EDSTART命令控制求解内存的存储值，防止在求解过程中出现内存不足问题，同时，采用TIME命令控制求解的终止时间，采用EDOPT命令控制输出的文件类型。
结果文件主要输出在拉拔过程中模具内导线段的应力分布和塑性变形，通过对应力状态和塑性变形云图的对比分析，确定引起塑性变形的应力状态，并绘制各道次其应力由心部到表层的变化曲线。
本发明对现有的导线模拟方法进行了改进，提高了计算效率和计算精度，与试验法相比大大缩短了工艺参数验证的时间，降低了设计成本。
进一步，在所述步骤一中，导线模型的网格需细化，其长度尺寸的定义要满足在求解终止时间仍然与模具相接触。
进一步，在所述步骤一中，为节省计算时间，根据模具和导线模型的对称性，建立其二分之一有限元模型。
进一步，在所述步骤二中，随动强化材料模型是基于VonMises屈服准则，其数学表达式如下：
进一步，在所述步骤四中，绘制的应力曲线是沿拉拔方向的拉应力由导线心部到表层的变化关系，以及剪切应力由导线心部到表层的变化关系。
本发明的有益效果是：
本发明基于ANSYS/LS-dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法，通过ANSYS参数化建模的前处理技术，准确快速地建立了模具和导线的有限元仿真分析模型。此外，通过与拉伸应力应变曲线的对比分析，验证了材料模型和载荷边界条件的正确性。通过研究拉拔过程中模具内导线段的应力状态和塑性变形，得到了导线心部到表层主导塑性变形的应力形式，阐述了导线在拉拔过程中的塑性变形模式，为提高导线的断裂强度，改善导线的拉拔工艺提供了借鉴。
附图说明
图1是模具和导线的实体模型示意图；
图2是模具和导线划分网格后的示意图；
图3是有限元模拟结果与拉伸应力应变曲线对比示意图；
图4是导线在拉拔过程中主要塑性变形及相应的应力状态示意图；
图5是主导导线心部塑性变形的各道次拉应力变化曲线；
图6是主导导线表层塑性变形的各道次剪切应力变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作具体的介绍和说明，本发明提供了一种高效准确的基于ANSYS/LS-dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式的预测方法，具体内容如下：
一、根据纯铝导线和模具的工艺参数，基于ANSYS参数化建模技术建立导线和模具的有限元模型
建模前首先选取单元类型，采用ANSYS参数化语言命令ET定义单元类型，选取模具和导线的单元类型为SOLID164。如图1所示，在选定单元类型后，进行三维仿真分析模型的建模，具体过程如下：依据模具减径角度α、减径后半径r和模具平行段长度L建立模具纵向截面二维模型，根据导线减径前后的半径R和r，建立导线与模具相接触的纵向截面二维导线模型，然后采用ANSYS参数化语言命令VROTAT命令绕中心线关键点旋转生成三维实体模型。其中，导线模型的长度要大于求解时间内导线拉拔的距离，保证导线与模具的充分接触。
对上述建立的模具和导线实体模型进行网格划分，采用MESHKEY命令控制网格划分形式，采用ESIZE命令定义网格尺寸，采用VSWEEP命令对模具和导线进行网格划分，其结果如图2所示。同时，将模具和导线之间定义为接触，接触的摩擦系数取值0.05。为节省计算机求解时间，提高求解效率，根据模具和导线模型的中心对称性，有限元模型为二分之一对称。
二、根据导线在拉拔过程中的大变形行为选取材料的硬化模型，根据各道次导线拉伸应力应变曲线确定材料模型的参数。
根据拉拔过程中导线的大变形行为，选取LS-dyna中的多线性随动强化模型作为导线的材料模型，此材料模型是基于VonMises屈服准则，其数学表达式如下所示：
在此基础上，将各道次导线的拉伸曲线与多线性随动强化模型相拟合，确定导线随动硬化材料模型中的参数，主要的参数包括：弹性模量、泊松比、切线模量、屈服强度、断裂强度。如图3结果所示，导线材料模型与实验结果准确吻合，验证了材料模型选取的准确性。同时，由于模具的刚度和强度显著高于导线，所以将模具定义为刚性体。
三、根据导线在拉丝机上的拉拔牵引方式和拉拔速度确定有限元模型的加载方式及边界条件
根据导线在拉丝机上的牵引方式，将沿拉拔方向顶端平面的节点定义为一个节点组，采用EDPV命令在节点组上施加15m/s的导线拉拔速度。根据模具和导线的对称性，在对称面上施加对称边界条件，约束沿对称方向的位移。
四、有限元分析模型的求解控制和结果文件后处理
在求解控制选项中，主要采用EDSTART命令控制求解内存的存储值，防止在求解过程中出现内存不足问题，同时，采用TIME命令控制求解的终止时间，采用EDOPT命令控制输出的文件类型。
如图4所示，结果文件主要输出了在拉拔过程中模具内导线段的心部和表层应力分布和塑性变形，通过对应力状态和塑性变形云图的对比分析，确定了导线在拉拔过程中主导塑性变形的应力状态，同时，绘制各道次其应力由心部到表层的变化曲线。
如图5结果所示，通过ANSYS的后处理技术，将各拉拔道次的应力结果进行输出，绘制的应力曲线是沿拉拔方向的拉应力由导线心部到表层的变化关系。如图6结果所示，绘制了剪切应力由导线心部到表层的变化关系。各道次应力状态变化的数据说明了主导导线拉拔过程中的塑性变形模式。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于ANSYS/LS-dyna的工业纯铝导线多道次冷拉拔塑性变形模式预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、根据纯铝导线和模具的工艺参数，基于ANSYS参数化建模技术建立导线和模具的有限元模型
（1）单元类型的选取，采用ANSYS参数化语言命令ET定义单元类型，定义模具和导线的单元类型为SOLID164；
（2）在选定单元类型后，进行三维仿真分析模型的建模，具体过程如下：依据模具减径角度α、减径后半径r和模具平行段长度L建立模具剖面二维模型，根据导线减径前后的半径R和r，建立与模具相接触的二维导线模型，然后采用ANSYS参数化语言命令VROTAT命令对模具和导线的二维模型绕中心线关键点旋转生成三维实体模型；
（3）对上述建立的模具和导线实体模型进行网格划分，采用MESHKEY命令控制网格划分形式，采用ESIZE命令定义网格尺寸，采用VSWEEP命令对模具和导线进行网格划分；
（4）模具和导线之间定义为接触，接触摩擦系数取值为0.05；
二、根据导线在拉拔过程中的大变形行为选取材料的硬化模型，根据各道次导线拉伸应力应变曲线确定材料模型的参数
（1）根据拉拔过程中导线的变形行为，选取LS-dyna中的多线性随动强化模型作为导线的材料模型，同时将模具定义为刚性体材料；
（2）根据各道次导线的拉伸曲线，确定导线随动硬化材料模型中的参数；
三、根据导线在拉丝机上的拉拔牵引方式和拉拔速度确定有限元模型的加载方式及边界条件
（1）根据导线在拉丝机上的牵引方式，将沿拉拔方向顶端平面的节点定义为一个节点组，采用EDPV命令在节点组上施加15m/s的导线拉拔速度；
（2）根据模具和导线的对称性，在对称面上施加对称边界条件，约束沿对称方向的位移；
四、有限元分析模型的求解控制和结果文件后处理
（1）在求解控制选项中，采用EDSTART命令控制求解内存的存储值，采用TIME命令控制求解的终止时间，采用EDOPT命令控制输出的文件类型；
（2）结果文件主要输出在拉拔过程中模具内导线段的应力分布和塑性变形，并绘制各道次应力由心部到表层的变化曲线。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：所述步骤一中，导线模型的网格需细化，其长度尺寸的定义要满足在求解终止时间仍然与模具相接触。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：所述步骤一中，根据模具和导线模型的对称性，建立其二分之一有限元模型。
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：所述步骤二中，随动强化材料模型是基于VonMises屈服准则。
5.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于：所述步骤四中，绘制的是沿拉拔方向的拉应力和剪切应力由导线心部到表层的变化曲线。
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