D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.06.019 第25卷第6期 北京科技大学学报 VoL.25 No.6 2003年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2003 斜轧零件应力应变特征与内部低周 疲劳损伤机制 杨海波张立杰马国华胡正襄 北京科技大学机械工程学院，北京100083 摘要采用ANSYS/LS-DYNA软件，建立了斜轧零件基本变形过程的三维有限元分析模 型，对不同工况下的斜轧过程进行了计算机数值模拟分析.仿真结果揭示了斜轧过程中轧件 内部应力应变场的分布规律：导致Mannesmann缺陷的主要原因是在发生大塑性应变变形情 况下，金属内部在承受交变应力作用下产生低周疲劳损伤和破坏， 关键词金属成形；斜轧：低周疲劳；内部缺陷：仿其 分类号 TG335.17:TP391.9 自德国Mannesmann兄弟首先发明斜轧穿孔1斜轧过程的有限元模型 机以来，螺旋孔型斜轧技术的应用也己经有一百 多年的历史，由于斜轧是一种复杂特殊的成形方 采用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA,使 式，轧件内部易出现疏松或孔腔等缺陷. 用显式算法计算轧制过程.将在Pro/ENGINEER 近年来，人们加强了对斜轧变形机理的研 中建立的几何模型以IGES文件格式输出，然后 究.日本的粟野、落合等人用橡皮泥模拟了斜轧 在ANSYS前处理器中读入.假设轧辊为刚性辊， 钢球，川井谦一、神马敬等人应用增益云纹法研 并赋予四节点SHELL163单元，轧件采用八节点 究了轧件径向断面上的位移及应变情况，前苏 六面体单元SOLD164,轧辊和轧件单元数总和 联坦诺夫等用径向坐标网格法研究螺旋轧制中 一般在15000-25000之间.在PI866计算机上， 轧件径向变形状态s,Hayama和Saito周等应用 一个模拟方案的求解时间一般为15~30h. 滑移线法分析了斜轧轴类件，梁义维用有限元法 以轧制阶梯轴为例，斜轧零件的三维有限元 对简化为平面应变状态的斜轧球问题进行了分 模型，如图1所示.模型由一个圆棒形状的轧件 析网. 和两个互相交叉的轧辊组成，参考坐标系取轧件 但是，多数研究工作仅以轧件横截面内平面 轴线方向为z向，两轧辊之间的径向（压下方向） 变形为研究前提，没有考虑轴向变形.螺旋孔型 为y向，轧件横截面内与y向垂直的方向（宽展方 轧制是使金属径向压缩、轴向和横向流动来成形 向)为x向.轧件材质为45钢，轧制温度1150℃， 的，其变形过程是十分复杂的三维变形.特别是 对其内部疏松机理的研究还没有得到一致的结 论.为此本文建立了斜轧零件的三维有限元分析 模型，通过有限元软件分析，首次获得详尽、直 观、定量的斜轧零件的场变量分布规律，提出了 斜轧轧件内部产生疏松的原因. 图1斜轧零件三维有限元模型 收稿日期2003-02-25 杨海波男，42岁，教授 Fig.1 FEM model of skew rolled piece ★因家自然科学基金重点资助项目(No.50035010)第 2 5 卷 第 6期 2 0仍 年 1 2 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n vi e sr iyt o f s e i e n e e a n d 耽 e h n o l o yg B e ij ni g V b l . 2 5 N o . 6 D e e 。 2 0 0 3 斜轧零件应 力应变特征 与内部低周 疲 劳损伤机制 杨 海 波 张立 杰 马 国 华 胡正 寰 北京 科技 大学机 械工 程学 院 , 北 京 10 0 0 8 3 摘 要 采 用 A N S Y S几 S刁Y 入 A 软 件 , 建 立 了斜 轧 零件 基本 变形过 程 的三 维有 限元分 析模 型 , 对 不 同工况 下 的斜轧 过程 进行 了计 算机 数值模 拟分 析 . 仿 真结 果揭 示 了斜 轧过 程 中轧件 内部 应力 应变 场 的分布 规律 ; 导致 M an es m ~ 缺 陷的主 要原 因 是在 发 生大 塑性应 变变 形情 况下 , 金属 内部在承 受交 变应 力作 用 下产生 低周 疲劳 损伤 和破 坏 . 关键 词 金 属成 形 ; 斜 轧 ; 低周 疲劳 ; 内部缺 陷; 仿 真 分 类号 T G 3 3 5 . 1 7 : T P 3 9 1 . 9 自德 国 M ~ es m alm 兄弟 首 先发 明斜 轧 穿 孔 机 以来 , 螺 旋孔 型斜 轧技 术 的应用 也 己经 有一 百 多年 的历史 , 由于斜 轧 是一种 复 杂特殊 的成 形 方 式 , 轧件 内部 易 出现 疏 松 或孔 腔等 缺 陷 l l,jZ . 近 年 来 , 人 们 加强 了对 斜 轧 变 形 机 理 的研 究 . 日本 的粟野 、 落 合等 人用 橡皮泥 模 拟 了斜 轧 钢 球〔3] , 川井谦 一 、 神 马敬等 人应 用增 益云 纹法 研 究 了轧件 径 向断面 上 的位 移及 应变 情 况 `4] , 前 苏 联 坦 诺 夫等 用 径 向坐标 网格 法 研 究 螺旋 轧 制 中 轧件 径 向变 形状 态 `, , ` , , H ay am a { , ,和 S a i t o 〔g ,等 应 用 滑 移线 法 分析 了斜 轧轴类 件 , 梁 义维 用有 限元 法 对 简 化 为 平 面应 变 状 态 的斜 轧球 问题进 行 了分 析`91 . 但 是 , 多数研 究 工作 仅 以轧件 横 截面 内平 面 变形 为 研究 前提 , 没 有考 虑 轴 向变 形 . 螺 旋孔 型 轧制 是使 金属 径 向压缩 、 轴 向和 横 向流 动来成 形 的 , 其 变 形过 程 是十 分 复 杂的三 维 变形 . 特 别是 对 其 内部 疏 松 机 理 的研 究 还 没有 得 到 一 致 的 结 论 . 为 此本 文建 立 了斜轧 零件 的三 维有 限元 分析 模 型 , 通过 有 限元 软件 分 析 , 首次 获 得详 尽 、 直 观 、 定量 的斜 轧零件 的场 变量 分布 规 律 , 提 出了 斜 轧 轧件 内部产 生疏 松 的 原 因 . 1 斜轧 过 程 的有 限 元模 型 采 用 大 型有 限元 软 件 A N S Y S几S一Y N A , 使 用 显 式 算法 计 算轧 制 过程 . 将 在 P or 尼N G IN E E R 中建 立 的几 何模 型 以 IG E S 文件 格 式输 出 , 然后 在 A N s y s 前 处理 器 中读 入 . 假 设 轧辊 为 刚性辊 , 并赋 予 四节 点 S H E L L 163 单 元 , 轧件 采用 八 节 点 六 面体 单元 S O IL D 16 4 , 轧辊 和 轧件 单元 数 总和 一般 在 15 0 0 0一 2 5 0 0 0 之 间 . 在 P l l l 8 6 6 计算 机 上 , 一个 模 拟 方案 的求 解 时 间一 般 为 1 5一 30 h . 以轧 制 阶梯 轴 为例 , 斜 轧 零件 的三 维 有限 元 模 型 , 如 图 1 所 示 . 模 型 由一 个 圆棒 形状 的轧件 和 两个 互相 交叉 的轧 辊组 成 , 参考 坐 标系 取轧件 轴 线方 向为z 向 , 两轧 辊 之 间 的径 向 ( 压 下方 向) 为y 向 , 轧件 横 截面 内与y 向垂 直 的方 向 ( 宽展 方 向 ) 为工 向 . 轧件 材 质 为 45 钢 , 轧制 温度 1 150 ℃ , 二泌 厂 一一 ~ 卜 、 r 公 匕 丫 戈 收稿 日 期 20 03 一2佗 5 杨 海波 男 , 42 岁 , 教授 * 国家 自然科 学基金 重 点资助项 目 ( N o . s o 3 501 0) 图 1 斜 轧零 件三维 有 限元 模型 F ig . l F E M m o d e l o f s ke w or l l e d P i e c e DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 06. 019