【正文】 面邊界條件和速度邊界條件，分別為： 在力面 FS 上， ijij Fn ?? () 在速度面 US 上， ii uu? () 對(duì)于理想剛粘塑性材料，除了屈服條件中材料模型外，其它方程和條件都相同。一般多采用罰函數(shù)法。將式 ()代入式 ()，得： dSuFdVE iS iijV ij F ??????? ?? ??? )(＝ ＝ 0 () 有限元技術(shù)基本理論 上述變分原理與 Markov 變分原理一樣，可以用 Lagrangian 乘子法和罰函數(shù)法引入體積不可壓縮條件。 判斷迭代收斂的常用方法有兩種準(zhǔn)則。 有限元技術(shù)基本理論 (6) 用速度修正量對(duì)初始速度場(chǎng)進(jìn)行修正，重復(fù)步驟 (2)~(6)，直到速度場(chǎng)收斂。汽車轉(zhuǎn)向節(jié)幾何形狀復(fù)雜，該產(chǎn)品大量的市場(chǎng)需求和可觀的技術(shù)附加值，被技術(shù)先進(jìn)的國(guó)家視為專有技術(shù)，生產(chǎn)工藝方案很少公布。 (2)劈爪成形工藝 整個(gè)成形工 藝主要由自由鍛制坯和錘上鍛造成形組成，其工藝路線為：下料 — 加熱— 圓料壓扁 — 劈爪 — 拔長(zhǎng)左爪 — 錘上鍛造成形。 (5)兩步法閉塞側(cè)彎擠壓精密成形工藝 可分凹模閉塞鍛造技術(shù)是在 20世紀(jì) 70年代以后，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家逐步研制和推廣的一項(xiàng)新型模鍛工藝，它屬于精密成形技術(shù)。 轉(zhuǎn)向節(jié) 工藝 的 分析 從圖 ，該轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝必須采用立鍛工藝。 (a)鐓粗 (b)擠壓 (c)預(yù)鍛 (d)終鍛 圖 轉(zhuǎn)向節(jié) 成型工 步 圖 Forming steps of steering knuckle （ 1） 鐓粗工步 其目的是經(jīng)過鐓粗，去除毛坯表面的氧化皮，控制其高度，鐓粗量大致為毛坯原高度的 10％ ，鐓粗后的毛坯翻轉(zhuǎn) 90度 后能方便地放入擠壓模膛。在轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造各工步中，擠壓工步變形力最大，是鍛造設(shè)備選型的主要依據(jù)。此外，對(duì)后續(xù)加工還備有一副切邊模和一副校正模。其中，前置處理部分和后置處理部分又是建立在計(jì)算機(jī)圖形處理系統(tǒng) (或平臺(tái) )的基礎(chǔ)之上。利用 Simufact 的鍛造仿真技術(shù)，能夠大幅度減少反復(fù)試驗(yàn)，縮短鍛造工藝開發(fā)周期。 （ 2）多工步工序分析 Simufact同時(shí)集成二維和三維模擬模塊，可以從模擬結(jié)果中輸出變形后工件的幾何圖形，支持全自動(dòng)多道次工序分析，提供的多步鍛造分析能夠自動(dòng)將 2D軸對(duì)稱模擬向 3D模擬無縫過度，將 2D軸對(duì)稱分析的狀態(tài)量 ，作為進(jìn)入后續(xù) 3D分析的初始狀態(tài)，繼續(xù)后續(xù)的 3D分析。 對(duì)非線性方程組的迭代解法是 NewtonRaphson。多道次鍛造過程，跟蹤材料表面的小平面數(shù)量會(huì)非常大。 工藝參數(shù)的定義 （ 1）材料的定義 Simufact 軟件的 、可靠的材料數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅包括材料的流動(dòng)應(yīng)力、化學(xué)成分和一些熱參數(shù)，還包含組織相變信息，例如再結(jié)晶、晶粒的長(zhǎng)大等。 鐓粗工步壓力機(jī)行程為 40mm，可以在前處理窗口中預(yù)覽模具的運(yùn)動(dòng)方式，如圖 所示。 擠壓工步模擬的前處理過程與鐓粗過程相似，只是擠壓所需的毛坯是鐓粗結(jié)束后的坯料， Simufact軟件支持多工步成形分析，可以自動(dòng)導(dǎo)出上一工步成形后坯料的幾何模型和溫度、應(yīng)力、應(yīng)變等數(shù)據(jù)信息，如圖 。 圖 鐓粗前毛坯的外形 圖 鐓粗后的毛坯形狀 Blank shape before upsetting Blank shape after upsetting 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝模擬 圖 鐓粗過程溫度場(chǎng)分布圖 Temperature distribution chart during upsetting 圖 鐓粗過程等效應(yīng) 變分布圖 Equivalent effective strain distribution chart during upsetting 圖 ，由于模具溫度較低，所以毛坯與模具接觸的上下底面溫度較低，中間溫度較高。 圖 摩擦條件的設(shè)定 Friction condition settings （ 3）溫度參數(shù)的設(shè)定 模具與坯料間的熱傳導(dǎo)系數(shù)，及對(duì)環(huán)境的熱輻射系數(shù)直接調(diào)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的參數(shù)，工作環(huán)境溫度設(shè)置為 50℃ 。從后處理結(jié)果可以直接觀測(cè)金屬的流動(dòng)情況，了解是否能充滿模具；獲得行程－載荷曲線圖，以便選擇合適的加工設(shè)備；還可以發(fā)現(xiàn)鍛件是否出現(xiàn)缺陷。金屬成形是高度非線性工藝過程，多數(shù)情形下毛坯形狀相當(dāng)簡(jiǎn)單， 但最終產(chǎn)品的幾何形狀非常復(fù)雜，采用基于有限體積的材料流動(dòng)模擬技術(shù)，突破了傳統(tǒng)有限單元技術(shù)模擬極度大變形材料流動(dòng)的障礙。 系統(tǒng)提供多種材料的材料數(shù)據(jù)庫，包括：合金鋼、工模具鋼、銅、鋁等有色金屬、鈦合金和鋯基合金等，為成形工藝模擬提供可靠的材料 數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)不僅包括材料的流動(dòng)應(yīng)力、化學(xué)成分和一些熱傳導(dǎo)參數(shù)，還包含組織相變信息，例如再結(jié)晶、晶粒的長(zhǎng)大等，以便進(jìn)行微觀組織模擬。同樣利用拖放技術(shù)，將材料特性、壓機(jī)類型，摩擦和熱傳導(dǎo)及模型間的導(dǎo)熱等需要考慮的各種因素分配給模具和工件。 圖 表示塑性加工工藝模擬分析的一般框圖。 （ 2）轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝分析： 該轉(zhuǎn)向節(jié)的鍛造工藝必須采用立鍛工藝，工藝設(shè)計(jì)采用熱擠壓 — 模鍛復(fù)合成形工藝，具體工步為：鐓粗 — 擠壓 — 預(yù)鍛 — 終鍛。經(jīng)測(cè)量和分析，確認(rèn)主要是坯料實(shí)際重量的大小、鍛造溫度的高低及擠壓高度不當(dāng)造成。 （ 5） 切邊及校正 鍛件的切邊與校正均在 8000kN切邊壓力機(jī)上完成。在鍛壓機(jī)上要達(dá)到這個(gè)要求，其關(guān)鍵為：第 一 材料要合理分配；第二，要有制坯工位設(shè)計(jì)。 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝分析 轉(zhuǎn)向節(jié)的結(jié)構(gòu)分析 斯太爾 載重汽車 轉(zhuǎn)向節(jié) （簡(jiǎn)稱斯太爾轉(zhuǎn)向節(jié)，下同） 鍛件如圖 。 該工藝的缺點(diǎn)是：工序多、能耗大、材料利用率低、鍛件成本高、金屬流線不完整。 半固態(tài)成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是：一個(gè)工步內(nèi)即可做出形狀復(fù)雜和尺寸精確的轎車轉(zhuǎn)向節(jié)，機(jī)械加工余量小，材料利用率高，加工成形件 的 質(zhì)量輕，無空洞性缺陷和夾雜物缺陷。 轉(zhuǎn)向 節(jié)鍛造工藝設(shè)計(jì) 3 轉(zhuǎn)向節(jié)鍛造工藝 設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)向節(jié)是汽車上的關(guān)鍵零件，它既支撐車體重量，又傳遞轉(zhuǎn)向力矩和承受前輪剎車制動(dòng)力矩，因此對(duì)其機(jī)械性能和外形結(jié)構(gòu)要求嚴(yán)格，是汽車上的重要安全零件之一。 (2) 計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃嚭凸?jié)點(diǎn)力向量。式 ()又可以寫成如下形式： fVK ?? () 當(dāng)速度的修正值 V? 求得后，就可用 0V +? V? 對(duì) 0V 進(jìn)行修正，其中 ? 是一個(gè)介于0~1 之間的數(shù)，稱為衰減因子。即對(duì)于剛粘塑性邊值問題，在滿足幾何方程、體積不可壓縮條件及位移速度邊界條件的一切容許速度場(chǎng)中，其真實(shí)解使下列泛函 dSuFdVE iS iijV F?? ?)(?? ?＝ () 取駐值，即一階變分為零。 有限元技術(shù)基本理論 采用 Lagrangian 乘子法構(gòu)成的泛函為： dVdSuFdV ijV ijiS iV F ?????? ??? ?? ??＝ () 式中， ? 為 Lagrangian 乘子。 剛塑性 /剛粘塑性有限元基本方程 剛塑性 /剛粘塑性材料基本假設(shè) 金屬塑性成形過程中，材料塑性變形的物理過程相當(dāng)復(fù)雜，為此必須作出一些假設(shè)，即把變形中某些過程理想化，以便于從數(shù)學(xué)上進(jìn)行處理。 有限元技術(shù)基本理論 2 有限元技術(shù)基本理論 金屬塑性成形數(shù)值模擬過程最常用的有限元法為剛塑性有限元法和剛粘塑性有限元法。 第二章：介紹剛塑性／剛粘塑性有限元基本理論及其求解過程，為 建立 數(shù)值 模型進(jìn)行模擬提供了 理論 依據(jù) 。 再制造工程， 就是 對(duì)廢舊產(chǎn)品 采用 高科技 恢復(fù) 維修的 工程 ，從 20 世紀(jì)末開始萌生并發(fā)展。 因此，鍛造企業(yè) 始終 千方百計(jì)地尋求降低成本的方法。與之同步發(fā)展的計(jì)算機(jī) 軟 硬 件 技術(shù) 也得到 迅速發(fā)展，過去二十年中，大量的 CAD/CAM系統(tǒng)在制造行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，使復(fù)雜零件的編程變得越來越簡(jiǎn)單，所有這些共同促進(jìn)了數(shù)控技術(shù)在模具行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。為了適應(yīng) 市場(chǎng) 要求，新的加工理念，逐漸改變傳統(tǒng)模具制造的工藝方式 ，現(xiàn)代 高速、高效的數(shù)控銑削加工 方法的應(yīng)用，大大 提高了模具制造的精度 和效率。 鍛件采用剛塑性材料模型 ， 成形過程看作為等溫成形。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。目前，有限元法已高度形式化和系統(tǒng)化，且單元類型十分豐富，能有效地分析二維和三維工程問題。但是計(jì)算中要對(duì)材料和邊界條件做較多的簡(jiǎn)化，只能對(duì)典型的簡(jiǎn)單塑性加工問題進(jìn)行定性或有限的定量研究，難以準(zhǔn)確估計(jì)變形力、工件形狀變化、應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及金屬流動(dòng)趨勢(shì)。其目的是在許可速度場(chǎng)中確定最小上限解和在靜可容應(yīng)力場(chǎng)中 確定最大的下限解。該方法假設(shè)變形區(qū)有許多 規(guī)則切塊組成，這些切塊變形均勻，這 往往 與實(shí)際的變形情況不相符。對(duì)于汽車制造業(yè)來說，未來的競(jìng)爭(zhēng)核心將是新產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、短周期的汽車零件的開發(fā) 、生產(chǎn) ，是贏得汽車市場(chǎng)的關(guān)鍵。 目前， 有限元數(shù)值模擬方法在鍛造工藝和模具設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。 隨著中國(guó)汽車工業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展，鍛 件的需求量會(huì) 持續(xù)增長(zhǎng)。 關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)向節(jié)，有限元，數(shù)值模擬，鍛造工藝，模具焊修 目錄 目 錄 1 緒 論 ...........................................................................................................1 課題的研究背景 ......................................................................................................... 1 塑性加工模擬技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀 ..................................................................... 2 熱鍛模制造技術(shù) ......................................................................................................... 6 本文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)構(gòu) ............................................................................................. 8 2 有限元技術(shù)基本理論 ...................................................................................9 剛塑性 /剛粘塑性有限元基本方程 ............................................................................ 9 2. 2 剛塑性 /剛粘塑性有限元變分原理 ............