CN108920871A - 物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，该方法包括：一、对金属进行热拉伸试验，然后选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型计算，得到金属的临界损伤值；二、将金属的临界损伤值进行模拟验证；三、将经模拟验证后的金属的临界损伤值嵌入金属挤压有限元模型中，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测。本发明将物理实验和模拟验证相结合获取可靠的金属的临界损伤值，然后通过数值模拟挤压过程，对多种挤压成形过程中金属表面和内部裂纹的位置、形状做出预测，避免了试验失误导致的误差，提高了预测的精度，扩大了预测的范围，从而避免了裂纹的产生，改善了金属挤压件的质量。

Description

物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法

技术领域

本发明属于金属挤压成形开裂预测技术领域，具体涉及一种物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法。

背景技术

金属成形过程中，由于温度场条件和受力情况较复杂，容易产生裂纹缺陷，造成整个构件的报废，给生产带来巨大的损失。在金属塑性成形过程中，金属内部的损伤是一个积累的过程。随着变形量的增大，损伤值也在不断变大，当达到一个临界值时，金属内部出现裂纹。因此，提前预测金属塑性成形时裂纹的产生，通过优化工艺制造合格构件，保证构件在服役环境下的安全性和可靠性是十分必要的。

授权公告号为CN104636539B的发明专利提供了一种基于损伤断裂准则数值预测板料成形断裂的方法，利用自建损伤模型与有限元软件相结合，对金属板料成形过程中的损伤进行了预测。该方法中自建模型较复杂，需测试参数较多，且一些物理参数无法通过实验的方法测定(比如断裂应变ε_f)，只能通过有限元模拟的方式获得，这就无法保证参数的真实性和准确性。授权公告号为CN104794266B的发明专利提供了一种基于摩擦功和数值模拟的成形界面损伤预测方法，通过有限元软件计算实际冲压成形界面摩擦功耗散，根据此推断冲压表面的损伤形成。该方法更侧重于对冲压金属表面的开裂预测，无法应用于金属体积成形内部裂纹的预测，具有一定局限性。

为了提高有限元软件损伤预测的准确性，利用物理实验确定材料在给定条件下的临界损伤值十分关键。利用物理实验来测定金属临界损伤值的方法主要有两种：一种是对金属进行高温压缩实验，金属样品在压应力的作用下发生鼓肚效应，首先在表面产生宏观裂纹，当第一条宏观裂纹产生时，认为金属损伤达到临界值。但实验过程中，需要通过高速摄像机对金属样品的变形过程进行持续观测，以捕捉裂纹的形成，但表面裂纹的开裂位置具有一定偶然性，高速摄像机无法完全捕捉，从而造成损伤值的偏差。另一种是对金属进行高温拉伸实验，得到金属在单向拉应力下的流变曲线，然后选择合适的损伤模型计算得到金属的临界损伤值。而为了保证物理实验得到的金属的临界损伤值的准确性，需对其进行模拟验证。

经对现有文献检索，尚未发现有物理实验获得临界损伤值进行数值验证的公开报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法。该方法将物理实验和模拟验证相结合获取可靠的金属的临界损伤值，然后通过数值模拟挤压过程，对多种挤压成形过程中金属表面和内部裂纹的位置、形状做出预测，避免了因试验失误导致的误差，大大提高了预测的精度，扩大了预测的范围，从而避免了裂纹的产生，改善了金属挤压件的质量。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对金属进行热拉伸试验，然后选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型计算，得到金属的临界损伤值；

步骤二、将步骤一中得到的金属的临界损伤值进行模拟验证；

步骤三、将经模拟验证后的金属的临界损伤值嵌入金属挤压有限元模型中，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测。金属挤压过程中金属的流动更为剧烈，除了产生表面裂纹外还容易产生心部的宏观裂纹，挤压过程中的影响因素较多，因此获得的金属的临界损伤值容易产生偏差，本发明将物理实验和模拟验证相结合获取了可靠的金属的临界损伤值，然后通过数值模拟挤压过程，对挤压过程中金属内部裂纹的位置、形状做出预测，大大提高了预测的精度，进而避免裂纹的产生，改善金属挤压件的质量。

上述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，步骤一中所述得到金属的临界损伤值的过程具体如下：

步骤101、制备金属样品；所述金属样品沿中心向两端产生锥度；

步骤102、将步骤101中制备的金属样品在给定条件下进行热拉伸试验，并通过热拉伸试验机自动采集热拉伸试验数据并以表格形式输出，然后根据输出的热拉伸试验数据绘制金属样品的工程应力应变曲线，定义金属样品的工程应力应变曲线的峰值应力为最终拉伸强度σ_UTS；

步骤103、将步骤102中得到的金属样品的工程应力应变曲线进行一次修正，得到金属样品的真实应力应变曲线，金属样品的真实应力Y和金属样品的真实应变E分别为：

其中，P为拉伸载荷，单位为N，A为加载瞬间的金属样品中心的横断面积，单位为mm²，A₀为金属样品中心的原始横断面积，单位为mm²；

为了清除金属样品在非均匀塑性变形阶段形状硬化的影响，将金属样品的真实应力应变曲线进行再次修正，得到修正后的金属样品的真实应力应变曲线，金属样品的实际应力Y′为：

Y′＝Y/[(1+2R/a)ln(1+a/2R)]

其中，Y′的单位为MPa，R为金属样品颈缩处外轮廓的曲率半径，单位为mm，a为金属样品颈缩处截断面的直径，单位为mm；

步骤104、基于步骤103中得到的修正后的金属样品的真实应力应变曲线，选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型并进行简化，以真应变ε₁代替等效应变最终拉伸强度σ_UTS代替等效应力计算金属在给定条件下的临界损伤值C：

其中，ε_F为断裂时的等效应变；σ₁为拉伸时的最大主应力，单位为MPa。NormalizedCockcroft&Latham准则认为当塑性变形中的拉伸应力达到极限值时，断裂发生，由于最大拉伸主应力总与加载方向保持一致，而等效应力和等效应变都较难计算，另外裂纹的萌生实际上是由拉伸真应力所产生的真应变引起的，因此本发明将等效应变用拉伸真应变ε₁替换更合乎实际，同时由于和σ_UTS都是在某一指定温度下的度量，用极限拉应力σ_UTS代替等效应力是合理的，不仅简化了Normalized Cockcroft&Latham损伤模型，减少了参数的测量难度，保证了参数的真实性和准确性，从而进一步提高了金属的临界损伤值的准确性，进而进一步提高预测的精度。

上述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，步骤二中所述金属的临界损伤值进行模拟验证的具体过程如下：

步骤201、通过二维作图软件建立金属样品的几何模型，然后导入有限元软件中；

步骤202、将步骤103中得到的修正后的真实应力应变曲线导入步骤201中的有限元软件中，然后设置金属样品热传导系数、对流系数、摩擦系数、金属样品边界应变速率和临界损伤值，同时选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型，对金属样品在步骤102中所述给定条件下的热拉伸过程进行模拟；

步骤203、比较步骤102中采集的热拉伸试验数据中的金属样品最小横截面变化规律和步骤202中模拟过程中金属样品最小横截面变化规律，验证临界损伤值的准确性。对金属样品的热拉伸过程的模拟，通过比较金属样品最小横截面变化规律对热拉伸试验获得的金属的临界损伤值进行验证，从而得到可靠的金属的临界损伤值，避免了因试验失误导致的误差，更一步提高了预测的精度。

上述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，步骤三中所述对挤压过程的开裂现象进行预测的具体过程如下：

步骤301、重复步骤101～104中得到金属的临界损伤值的工艺和步骤二中的步骤201～203的模拟验证工艺，得到金属在不同热拉伸试验条件下的临界损伤值并进行模拟验证；

步骤302、建立金属挤压有限元模型，然后将步骤301中得到的经模拟验证后的金属的临界损伤值带入金属挤压有限元模型，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测。通过获取金属在不同热拉伸试验条件下的临界损伤值并进行模拟验证，从而实现对多种挤压成形过程中金属开裂的预测，扩大了预测的范围，提高了方法的实用性。

上述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，根据步骤三中对金属挤压成形过程中的开裂现象的预测的结果，对金属挤压成形工艺进行优化，得到表面光滑、内部无裂纹的挤压件。通过对金属挤压成形过程中的开裂现象的预测，找出金属挤压成形时受力的关键部位，确定金属表面和内部易开裂产生裂纹的区域，从而调整挤压的工艺参数，避免金属挤压件表面和内部裂纹的产生，改善金属挤压件的质量。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明首先将物理实验和模拟验证相结合获取了可靠的金属的临界损伤值，然后通过数值模拟挤压过程，对多种挤压成形过程中金属表面和内部裂纹的位置、形状做出预测，避免了因试验失误导致的误差，大大提高了预测的精度，扩大了预测的范围，从而避免了裂纹的产生，改善了金属挤压件的质量。

2、本发明选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型进行损伤预测，该损伤模型不仅应用较广泛，精度较高，并且该损伤模型简化时以Normalized Cockcroft&Latham准则为依据，以更易测量的极限拉应力代替等效应力，减少了参数的测量难度，保证了参数的真实性和准确性，从而进一步提高了金属的临界损伤值的准确性，进而进一步提高预测的精度。

3、本发明可根据金属挤压成形过程中的开裂现象的预测结果，对金属挤压成形工艺进行优化，避免金属挤压件表面裂纹和内部裂纹的形成，得到表面光滑、内部无裂纹的挤压件，改善金属挤压件的质量。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明实施例1的Ti600合金样品尺寸图。

图2是本发明实施例1的Ti600合金样品的热拉伸试验示意图。

图3a是本发明实施例1的Ti600合金样品的工程应力应变曲线与Ti600合金样品的真实应力应变曲线。

图3b是本发明实施例1的经修正后的Ti600合金样品的真实应力应变曲线。

图4是本发明实施例1的Ti600合金样品模拟热拉伸过程图。

图5是本发明实施例1的Ti600合金样品在热拉伸过程和模拟热拉伸过程中的不同温度下最小横截面直径随时间变化的曲线。

图6a是本发明实施例1的Ti600合金样品的第一种挤压模具的尺寸图。

图6b是本发明实施例1的Ti600合金样品的第二种挤压模具的尺寸图。

图7a是本发明实施例1的Ti600合金样品采用第一种挤压模具挤压成形过程中的开裂现象的预测图。

图7b是本发明实施例1的Ti600合金样品采用第一种挤压模具挤压成形过程中的开裂现象的预测图。

具体实施方式

实施例1

本实施例的方法，包括以下步骤：

步骤一、对Ti600合金进行热拉伸试验，然后选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型计算，得到金属的临界损伤值，具体过程如下：

步骤101、制备Ti600合金样品，其形状和尺寸如图1所示；所述Ti600合金样品沿中心向两端15mm产生锥度，保证热拉伸试验过程中的颈缩发生于Ti600合金样品的中心位置，以便于热拉伸试验机对颈缩截面进行实时测量；

步骤102、将步骤101中制备的Ti600合金样品在温度为1010℃、应变速率为0.001s^-1的真空条件下进行热拉伸试验，如图2所示，并通过热拉伸试验机自动采集温度、Ti600合金样品中心横截面变化、位移、拉伸载荷等热拉伸试验数据并以表格形式输出，然后根据输出的热拉伸试验数据绘制Ti600合金样品的工程应力应变曲线，如图3a所示，定义金属样品的工程应力应变曲线的峰值应力为最终拉伸强度σ_UTS；

步骤103、将步骤102中得到的Ti600合金样品的工程应力应变曲线进行一次修正，得到Ti600合金样品的真实应力应变曲线，如图3a所示，Ti600合金样品的真实应力Y和Ti600合金样品的真实应变E分别为：

其中，P为拉伸载荷，单位为N，A为加载瞬间的Ti600合金样品中心的横断面积，单位为mm²，A₀为Ti600合金样品中心的原始横断面积，单位为mm²；

为了清除Ti600合金样品在非均匀塑性变形阶段形状硬化的影响，将Ti600合金样品的真实应力应变曲线进行再次修正，得到修正后的Ti600合金样品的真实应力应变曲线，如图3b所示，Ti600合金样品的实际应力Y′为：

Y′＝Y/[(1+2R/a)ln(1+a/2R)]

其中，Y′的单位为MPa，R为金属样品颈缩处外轮廓的曲率半径，单位为mm，a为Ti600合金样品颈缩处截断面的直径，单位为mm；

步骤104、基于步骤103中得到的修正后的真实应力应变曲线，选择NormalizedCockcroft&Latham损伤模型并进行简化，以真应变ε₁代替等效应变最终拉伸强度σ_UTS代替等效应力计算Ti600合金在温度为1010℃、应变速率为0.001s-¹的条件下的临界损伤值C：

其中，ε_F为断裂时的等效应变；σ₁为拉伸时的最大主应力，单位为MPa；

步骤二、将步骤一中得到的Ti600合金的临界损伤值进行模拟验证，其具体过程如下：

步骤201、通过CAXA二维作图软件建立Ti600合金样品的几何模型，然后导入Deform有限元软件中；所述建立Ti600合金样品的几何模型过程中，由于Ti600合金样品为中心轴旋转对称结构，因此二维建模时仅取旋转对称面进行模拟；

步骤202、将步骤103中得到的修正后的真实应力应变曲线导入步骤201中的有限元软件中，然后设置Ti600合金样品的热传导系数为20kW/(m²·K)，由于热拉伸试验为真空，设置Ti600合金样品与环境的对流系数为0kW/(m²·K)，由于Deform有限元软件采用剪切摩擦模型，设置摩擦系数为0.25，设置Ti600合金样品的边界应变速率为0.001s^-1，临界损伤值为0.643，同时选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型，对Ti600合金样品在步骤102中所述温度为1010℃、应变速率为0.001s^-1的条件下的热拉伸过程进行模拟，结果如图4所示；

图4是本实施例的Ti600合金样品模拟热拉伸过程图，从图4可以看出Ti600合金样品在变形初期经历了短暂的均匀变形阶段，在其中心最小横截面的外侧形成应力集中，此时该处损伤值最大，随着变形的进行，Ti600合金样品中心部位逐渐受到轴向拉应力的影响，最大损伤处向样品心部移动。当心部损伤值最大时，样品开始发生颈缩，当样品心部损伤值达到0.643时，心部裂纹萌生，并且心部裂纹在之后的变形中沿径向逐渐向外扩展，最终造成整个样品的断裂；

步骤203、比较步骤102中采集的热拉伸试验数据中的金属样品最小横截面变化规律和步骤202中模拟过程中Ti600合金样品的最小横截面变化规律，结果如图5所示，验证临界损伤值的准确性；

图5是本实施例的Ti600合金样品在热拉伸过程和模拟热拉伸过程中的不同温度下最小横截面直径随时间变化的曲线，从图5可以看出，Ti600合金样品在热拉伸过程和模拟热拉伸过程中的不同温度下最小横截面直径变化曲线基本一致，说明通过有限元软件能较准确地模拟样品断裂前最小横截面变化规律，从而本实施例通过实测损伤值与有限元模拟软件相结合的方法，无论是裂纹萌生和扩展，还是金属局部失稳现象均得到了较好的预测，也从侧面说明了通过该方法测得的Ti600合金临界损伤值较为准确，可应用在Ti600合金坯料变形中的损伤预测；

步骤三、将经模拟验证后的Ti600合金样品的临界损伤值嵌入金属挤压有限元模型中，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测，其具体过程如下：

步骤301、重复步骤101～步骤104中得到Ti600合金样品的临界损伤值的工艺和步骤二中的步骤201～步骤203的模拟验证工艺，得到Ti600合金样品在不同热拉伸试验条件下的临界损伤值并进行模拟验证，结果见下表1；

表1经模拟验证的Ti600合金样品在不同温度和应变速率下的临界损伤值

从表1可以看出，Ti600合金的临界损伤值基本在0.6～0.8的数值范围内波动，随着温度的降低和应变速率的升高而升高；

步骤302、建立Ti600合金挤压有限元模型，分别采用两种不同定径带的挤压模具将直径为90mm的Ti600合金棒材制成直径为60mm的Ti600合金棒材，挤压的温度为980℃，然后将步骤301中得到的经模拟验证后的Ti600合金的临界损伤值带入金属挤压有限元模型，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测。

图6a是本实施例的Ti600合金采用的第一种挤压模具的尺寸图，从图6a可以看出第一种挤压模具的定径带为阶梯形；图6b是本实施例的Ti600合金采用的第二种挤压模具的尺寸图，从图6b可以看出第二种挤压模具的定径带为锥形。

图7a是本实施例的Ti600合金采用第一种挤压模具挤压成形过程中的开裂现象的预测图，从图7a可以看出当第一种挤压模具的定径带为阶梯形时，Ti600合金在挤压的过程中易产生心部楔形裂纹。

图7b是本实施例的Ti600合金样品采用第二种挤压模具挤压成形过程中的开裂现象的预测图，从图7b可以看出当第二种挤压模具的定径带为锥形时，Ti600合金在挤压的过程中未产生心部楔形裂纹。

根据步骤三中对金属挤压成形过程中的开裂现象的预测结果，对金属挤压成形工艺进行优化，得到表面光滑、内部无裂纹的挤压件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、对金属进行热拉伸试验，然后选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型计算，得到金属的临界损伤值；

步骤二、将步骤一中得到的金属的临界损伤值进行模拟验证；

步骤三、将经模拟验证后的金属的临界损伤值嵌入金属挤压有限元模型中，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测。

2.根据权利要求1所述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，步骤一中所述得到金属的临界损伤值的过程具体如下：

步骤101、制备金属样品；所述金属样品沿中心向两端产生锥度；

步骤102、将步骤101中制备的金属样品在给定条件下进行热拉伸试验，并通过热拉伸试验机自动采集热拉伸试验数据并以表格形式输出，然后根据输出的热拉伸试验数据绘制金属样品的工程应力应变曲线，定义金属样品的工程应力应变曲线的峰值应力为最终拉伸强度σ_UTS；

步骤103、将步骤102中得到的金属样品的工程应力应变曲线进行一次修正，得到金属样品的真实应力应变曲线，金属样品的真实应力Y和金属样品的真实应变E分别为：

其中，P为拉伸载荷，单位为N，A为加载瞬间的金属样品中心的横断面积，单位为mm²，A₀为金属样品中心的原始横断面积，单位为mm²；

为了清除金属样品在非均匀塑性变形阶段形状硬化的影响，将金属样品的真实应力应变曲线进行再次修正，得到修正后的金属样品的真实应力应变曲线，金属样品的实际应力Y′为：

Y′＝Y/[(1+2R/a)ln(1+a/2R)]

其中，Y′的单位为MPa，R为金属样品颈缩处外轮廓的曲率半径，单位为mm，a为金属样品颈缩处截断面的直径，单位为mm；

步骤104、基于步骤103中得到的修正后的金属样品的真实应力应变曲线，选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型并进行简化，以真应变ε₁代替等效应变最终拉伸强度σ_UTS代替等效应力计算金属在给定条件下的临界损伤值C：

其中，ε_F为断裂时的等效应变；σ₁为拉伸时的最大主应力，单位为MPa。

3.根据权利要求2所述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，步骤二中所述金属的临界损伤值进行模拟验证的具体过程如下：

步骤201、通过二维作图软件建立金属样品的几何模型，然后导入有限元软件中；

步骤202、将步骤103中得到的修正后的真实应力应变曲线导入步骤201中的有限元软件中，然后设置金属样品热传导系数、对流系数、摩擦系数、金属样品边界应变速率和临界损伤值，同时选择Normalized Cockcroft&Latham损伤模型，对金属样品在步骤102中所述给定条件下的热拉伸过程进行模拟；

步骤203、比较步骤102中采集的热拉伸试验数据中的金属样品最小横截面变化规律和步骤202中模拟过程中金属样品最小横截面变化规律，验证临界损伤值的准确性。

4.根据权利要求3所述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，步骤三中所述对挤压过程的开裂现象进行预测的具体过程如下：

步骤301、重复步骤101～104中得到金属的临界损伤值的工艺和步骤二中的步骤201～203的模拟验证工艺，得到金属在不同热拉伸试验条件下的临界损伤值并进行模拟验证；

步骤302、建立金属挤压有限元模型，然后将步骤301中得到的经模拟验证后的金属的临界损伤值带入金属挤压有限元模型，对金属挤压成形过程中的开裂现象进行预测。

5.根据权利要求1所述的物理实验与数值模拟相结合预测金属挤压成形开裂的方法，其特征在于，根据步骤三中对金属挤压成形过程中的开裂现象的预测的结果，对金属挤压成形工艺进行优化，得到表面光滑、内部无裂纹的挤压件。