VoL.24 No.4 陈章华等：金属成型特殊非协调大变形有限元数值模拟 ·439· 模拟实验采用位移控制法，在试件顶部施 加轴向位移，分60步均匀加载.由于墩粗过程 是一个非稳定的金属塑性流动过程，所以会产 生不均匀变形，从而导致边部鼓形的产生，如 图4圆柱墩粗的变形区分布 图3所示. Fig.4 Upsetting deformation pattern 大变形区，受接触摩擦影响最小，因而水平方向 上受压应力也较小；此外由于区域I的挤压作 用，造成该压外侧呈鼓形.区域Ⅲ是小变形区， 它外侧是自由表面，受端面摩擦的影响较小. (a)HD>2时的双鼓形 (2)坯料高径比的影响. 对于不同高径比的坯料进行墩粗时，产生 鼓形的特征和内部变形分布也不同.当HD>2 时，在上、下端面附近首先产生双鼓形，双鼓形 b)HD≈1时的单鼓形 之间是一个受单向应力的均匀变形区，如图3 图3变形后网格 (a)所示.当H/D≈1时，墩粗后外侧表面形成一个 Fig.3 Deformed mesh 单鼓形，如图3b)所示 (3)压下量的影响 6 结果讨论 当压下量△h=40%时，变形后的网格如图5 (a)所示.可以看出，由于压下量较小，变形不深 6.1单元内部自由度的影响 入，轴心位置附近的网格几乎未发生变形 EASM与常规单元的不同之处在于：它在 当压下量△h=70%时，变形后的网格如图5 单元内部附加了一内部自由度α，以降低单元的 (b)所示，由于压下量过大，变形后网格扭曲严 刚硬性，从而克服自锁现象的发生.但a的取值 重，甚至发生外翻现象 必须适当，才能保证单元的性能可兼顾处理拉 伸和压缩问题.而第四节中所说的加入3个衰 减系数，目的即在于此 通过标准编程实验可得，当式(22)，(23)，(24) 中的衰减系数分别取值为A=0.5,B=0.3,C=0.7 时，可以较好地限制α的变化范围，从而提高单 (a)△h=40%时的变形后网格 元的稳定性.而且，数值模拟结果也显示，对算 法做如上修改之后，该有限元程序具有较好的 柔性及收敛性. 6.2墩粗时边部鼓形的影响因素 (a)△h=70%时的变形后网格 圆柱墩粗时，坯料与工具的接触面上不可 图5不同压下量下的镦粗变形 避免地存在摩擦，易形成不均匀变形，墩粗后坯 Fig.5 Deformation at different percents of compression 料外观呈现鼓形.鼓形程度与摩擦因数、坯料的 ratio 高径比和变形压下量有关 (1)摩擦因数的影响 为了研究圆柱墩粗时内部的变形情况，取 7结论 中心剖面的1/4为研究对象.对比变形前后的网 (1)用增强应变有限元程序EAS.FOR分析 格变化程度，可将剖面划分为3个区域，如图4 了2个典型的金属塑性成型问题，验证了一些 所示.区域【称为难变形区，和工具相接触的表 实验事实并发现了一些以前未曾发现的现象， 层金属受到很大的摩擦力，每个质点均受到很 如对单元内部自由度进行衰减和控制与程序性 强的三向压应力，故该区域变形很小.区域Ⅱ是 能之间的关系；处理压缩问题时，圆柱试件的高陈章 华等 金 属成型特殊非协调 大变形 有 限元 数值模拟 模拟 实验采用 位移控制法 ， 在试件顶 部施 加轴 向位移 ， 分 步均匀加载 由于墩粗过程 是一 个非稳定 的金属塑性流动过程 ， 所 以会产 生 不均匀变形 ， 从而 导致边部鼓形 的产生 ， 如 图 所示 图 回柱墩粗的变形 区 分布 · 。 时 的双鼓形 关刀口” 时 的单鼓形 图 变形后 网格 结果讨论 单元 内部 自由度 的影响 与常规单元 的不 同之处 在 于 它 在 单元 内部附加 了一 内部 自由度 ， 以降低单元的 刚硬性 ， 从而克服 自锁现象 的发生 但 的取值 必须适 当 ， 才能保证单元 的性能 可 兼顾处理拉 伸 和 压 缩 问题 而第 四 节 中所说 的加人 个衰 减系数 ， 目的 即在于 此 通过标准编程实验可得 ， 当式 ， ， 中的衰 减 系 数 分别 取 值 为月 ， 二 ， 。 时 ， 可 以较好地 限制 的变 化范 围 ， 从而 提高单 元 的稳定性 而且 ， 数值模拟 结果也显示 ， 对算 法 做如上 修改之后 ， 该有 限元程 序具有较好 的 柔性及 收敛性 墩粗时边部鼓形 的影响因素 圆柱 墩粗时 ， 坯料 与工具的接触面 上 不 可 避免地存在摩擦 ， 易形成不均匀变形 ， 墩粗后坯 料外观呈 现鼓形 鼓形程度与摩擦 因数 、 坯料 的 高径 比和 变 形 压下 量 有关 摩擦 因数 的影 响 为 了研究 圆柱墩粗时 内部 的变形情 况 ， 取 中心 剖面 的 为研究对象 对 比变形前后 的 网 格变 化程度 ， 可 将剖面 划 分为 个 区 域 ， 如 图 所示 区域 称 为难变形 区 ， 和 工具相 接触 的表 层 金属 受 到很 大 的摩擦力 ， 每个质 点均 受到很 强 的三 向压应力 ， 故该 区域变形很小 区域 是 大变形 区 ， 受接触摩擦影 响最小 ， 因而水平方 向 上受压应力也 较小 此外 由于 区域 的挤压作 用 ， 造成该压外侧呈鼓形 区 域 是小变形 区 ， 它外侧是 自由表 面 ， 受端 面摩擦 的影 响较小 坯料高径 比 的影 响 对于 不 同高径 比的坯料进行墩粗时 ， 产生 鼓形 的特征 和 内部变形分布也不 同 当万勺 时 ， 在上 、 下 端面 附近首先产生 双鼓形 ， 双鼓形 之 间是一个受单 向应 力 的均 匀 变形 区 ， 如 图 所示 当产刃 二 时 ， 墩粗后外侧表面形成一个 单鼓形 ， 如 图 所示 压下 量 的影 响 当压下 量△ 二 时 ， 变形后 的 网格如图 所示 可 以看 出 ， 由于 压下量较小 ， 变形 不 深 人 ， 轴心 位置附近 的 网格几乎未 发生 变形 当压下 量△ 时 ， 变形后 的 网格如 图 所示 ， 由于 压下 量过大 ， 变 形 后 网格扭 曲严 重 ， 甚 至发 生外 翻现象 从 二 时 的变形后 网格 △ 二 时的变形后 网格 图 不 同压 下 且 下 的徽粗变形 乡 代 代 结论 用增强 应变有 限元程 序 分析 了 个典型 的金属 塑 性成 型 问题 ， 验证 了一 些 实验事实并发 现 了一 些 以 前未 曾发现 的 现象 ， 如对单元 内部 自由度进行衰减 和 控制 与程序性 能之间的关系 处理压缩 问题时 ， 圆柱试件的高