馮亞斌 王俊杰 庫(kù)朋濤

摘? ?要： 以5MN扁擠壓筒為研究對(duì)象，采用ANSYS APDL進(jìn)行熱力耦合分析，運(yùn)用ANSYS nCode Design Life進(jìn)行疲勞壽命分析，考察工作壓力與熱應(yīng)力共同作用下的等效應(yīng)力分布，以及熱應(yīng)力對(duì)疲勞壽命的影響。研究發(fā)現(xiàn)：1）工作壓力與熱應(yīng)力之間存在疊加抵消效應(yīng)，在二者共同作用下，扁擠壓筒的等效應(yīng)力峰值回落約1.2%;2）當(dāng)熱應(yīng)力與工作壓力共同參與疲勞壽命計(jì)算時(shí)，扁擠壓筒的最低疲勞壽命由不考慮熱應(yīng)力時(shí)的3 182次提高至10 710次，與實(shí)際使用壽命更加吻合。結(jié)果表明，在扁擠壓筒物理性能研究中，熱力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)的共同作用不是二者的簡(jiǎn)單疊加，耦合作用不容忽視。

關(guān)鍵詞： 扁擠壓筒;疲勞壽命;熱力耦合;ANSYS APDL;ANSYS nCode Design Life;等效應(yīng)力

引言

與軋制、鍛造等方法相比，通過擠壓方法加工而成的大型扁寬薄壁板類型材具有強(qiáng)度高、造型美觀和氣密性好等優(yōu)點(diǎn)，與輕量化、高速化和綠色化的發(fā)展趨勢(shì)相契合[1]，在我國(guó)現(xiàn)代化交通工具中應(yīng)用愈加廣泛[2]。

擠壓筒是擠壓設(shè)備的核心部件，擠壓筒的成本往往占擠壓設(shè)備總成本的30%以上[3]。與圓擠壓筒相比，扁擠壓筒內(nèi)孔形狀與壁板類型材幾何形狀更相似，在擠壓寬厚比較大的壁板類型材時(shí)，擠壓系數(shù)下降，金屬流動(dòng)更加均勻，降低了擠壓力及擠壓設(shè)備的噸位[2]。同時(shí)，扁擠壓筒結(jié)構(gòu)也更為緊湊，降低了模具損耗度[4-5]。

因?yàn)楸鈹D壓筒在工作過程中要承受高溫、高壓的綜合作用，工作環(huán)境十分惡劣，所以其使用時(shí)間往往達(dá)不到理論設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)就提前損壞，增加了風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本，降低了產(chǎn)出效益[6]。在扁擠壓筒的受力研究方面，岳鵬等[7]利用ANSYS的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊分析了不同過盈量和不同筒厚與等效應(yīng)力的關(guān)系;徐榮珍等[8]運(yùn)用ANSYS對(duì)扁擠壓筒的接觸壓力、等效應(yīng)力及變形進(jìn)行了分析，為扁擠壓筒的優(yōu)化提供了依據(jù);尹君等[9]為扁擠壓筒提出了一種應(yīng)力釋放新方法——外襯減材，并通過ANSYS進(jìn)行了驗(yàn)證，降低了扁擠壓筒的等效應(yīng)力。但是，多數(shù)研究未考慮熱應(yīng)力的因素，即便考慮了，也只是簡(jiǎn)單地在結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上增加一數(shù)值，沒有完全將熱力學(xué)理論與結(jié)構(gòu)力學(xué)理論耦合起來綜合分析。此外，疲勞破壞是扁擠壓筒的主要失效形式之一，也鮮有研究人員考慮熱應(yīng)力對(duì)扁擠壓筒疲勞壽命的影響。

本文以5MN扁擠壓筒為研究對(duì)象，首先構(gòu)建數(shù)學(xué)模型和有限元數(shù)值模型;然后利用ANSYS APDL有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行熱力耦合分析，模擬工作壓力與熱應(yīng)力共同作用下的等效應(yīng)力分布;最后利用ANSYS nCode Design Life專業(yè)疲勞分析軟件對(duì)其進(jìn)行疲勞壽命分析。

1? 數(shù)學(xué)模型

在通常工況下，扁擠壓筒襯體處于高溫環(huán)境下，襯體各部位溫度的差異會(huì)導(dǎo)致材料力學(xué)性能的變化。同時(shí)，襯體受熱引起各部位線性膨脹系數(shù)不一致，使材料發(fā)生熱變形，進(jìn)而產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終影響扁擠壓筒等效應(yīng)力的分布。如引言所述，以往對(duì)扁擠壓筒的研究沒有真正地將熱力學(xué)理論與結(jié)構(gòu)力學(xué)理論耦合起來進(jìn)行分析。本文建立如圖1所示的扁擠壓筒結(jié)構(gòu)，設(shè)法將熱應(yīng)力、裝配應(yīng)力和工作壓力產(chǎn)生的等效應(yīng)力耦合起來。

本文假設(shè)擠壓生產(chǎn)過程是連續(xù)的，扁擠壓筒內(nèi)表面、外表面可視為恒溫，溫度場(chǎng)整體可看作為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，各襯體之間主要的傳熱方式為熱傳導(dǎo)。

1.1? 熱傳導(dǎo)基本方程

熱傳導(dǎo)可以定義為兩個(gè)完全接觸的物體間或同一物體的不同部位間由于溫度梯度差異而引起的內(nèi)能交換。熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律[10]，即

1.2? 溫度應(yīng)力

由于溫度是梯度分布的，因此使物體保持連續(xù)位移而相互限制產(chǎn)生的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。當(dāng)物體內(nèi)溫度變化為時(shí)，若微元體的膨脹不受障礙，則長(zhǎng)度微元可表示為（1+ατ） ds，其中α為線膨脹系數(shù)。對(duì)各向同性材料來說，自由膨脹情況下的應(yīng)變分量為

1.3? 邊界條件

根據(jù)扁擠壓筒的實(shí)際工況，假設(shè)：

（1）內(nèi)襯表面工作溫度為300℃，最外層表面溫度為常溫，采用第一類邊界條件;

（2）內(nèi)外襯之間配合面上隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)如后文表1，為第二類邊界條件;

（3）后文建立的1/4模型的x軸和y軸邊界為對(duì)稱面，與外界熱流量為0，為第三類邊界條件。

2? 有限元模型

2.1? 分析假設(shè)

采用ANSYS對(duì)扁擠壓筒進(jìn)行有限元分析，提出如下假設(shè)：

（1）扁擠壓筒被視為均值彈性體，各襯套的彈性模量和泊松比相同;

（2）工作內(nèi)壓為等靜壓，均勻分布在扁擠壓筒的擠壓腔上;

（3）由于扁擠壓筒軸向上的力可以忽略，故假設(shè)計(jì)算模型為平面應(yīng)力模型。

2.2? 幾何模型與參數(shù)設(shè)定

以5MN擠壓機(jī)用扁擠壓筒為研究對(duì)象，擠壓孔尺寸為80 mm×40 mm，內(nèi)襯外半徑為110 mm，外襯外半徑為220 mm，取相對(duì)過盈量為1.5‰，工作溫度為300℃，工作應(yīng)力為438 MPa[7]。因?yàn)楸鈹D壓筒具有幾何對(duì)稱性，故將模型簡(jiǎn)化，取其1/4，并在X、Y對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束，結(jié)構(gòu)如圖1所示。筒體材料均使用H13熱作模具鋼，具體參數(shù)如表1。

3? 分析與討論

本文分析的情況較多，需要經(jīng)常改變模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。為避免大量的重復(fù)操作，節(jié)省時(shí)間、提高效率，使用ANSYS APDL進(jìn)行熱力耦合分析。在進(jìn)行熱力學(xué)分析時(shí)，需要設(shè)置單元類型為plane77，并打開平面應(yīng)力單元行為開關(guān)。需要注意的是，在劃分網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)確保接觸對(duì)（接觸線、目標(biāo)線）的網(wǎng)格數(shù)量保持一致，以使接觸對(duì)整齊，保證精度。打開的單元行為包括打開溫度自由度、接觸算法使用MPC法、接觸面行為綁定。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析時(shí)，基本操作與熱力學(xué)分析類似，只是在最后求解時(shí)需要利用LDREAD命令將溫度結(jié)果作為體載荷導(dǎo)入模型并參與計(jì)算。

3.1? 熱力耦合分析

熱力耦合分析等效應(yīng)力云圖如圖2b所示。此外，為便于對(duì)比，結(jié)構(gòu)力學(xué)分析等效應(yīng)力云圖、溫度分布分別如圖2a、2c所示?？梢钥闯?，在只有工作壓力作用時(shí)，等效應(yīng)力峰值為1 041 MPa，而熱力耦合分析中的等效應(yīng)力峰值為1 029 MPa，降低了12 MPa（約1.2%）。這主要是因?yàn)楸鈹D壓筒在工作過程中承受了高溫，然而如圖2c所示，筒體各部位的溫度變化較大。由表1得，材料的溫度不同會(huì)引起H13鋼材線性膨脹系數(shù)的變化，從而發(fā)生熱變形，產(chǎn)生熱應(yīng)力。扁擠壓筒承受高溫、高壓的綜合作用，工作壓力與熱應(yīng)力疊加，最終使等效應(yīng)力峰值有所回落。

3.2? 疲勞壽命分析

利用ANSYS nCode Design Life專業(yè)疲勞軟件對(duì)5MN扁擠壓筒進(jìn)行疲勞壽命分析。

扁擠壓筒受到的載荷為恒定幅值載荷，首先在ANSYS nCode Design Life的求解引擎中設(shè)置載荷類型為混合載荷，分別對(duì)工作壓力和熱應(yīng)力進(jìn)行幅值調(diào)整;然后設(shè)置H13鋼的S-N曲線，進(jìn)而對(duì)扁擠壓筒的筒體材料進(jìn)行映射;最后設(shè)置疲勞引擎的求解類型并進(jìn)行求解，工作壓力與熱應(yīng)力綜合作用下的扁擠壓筒疲勞壽命圖3b所示。為便于對(duì)比，圖3a給出了在只有工作壓力的情況下的結(jié)果?？梢钥吹剑谥挥泄ぷ鲏毫Φ那闆r下，最低疲勞壽命為3 182次，而在綜合考慮工作壓力與熱應(yīng)力作用的情況下，最低疲勞壽命為10 710次，與該型號(hào)扁擠壓筒的使用壽命更加吻合。

4? 結(jié)論

本文以5MN擠壓機(jī)用扁擠壓筒為例，運(yùn)用ANSYS APDL有限元分析軟件對(duì)其擠壓過程進(jìn)行了熱力耦合分析。主要結(jié)論有：

（1）由于扁擠壓筒熱應(yīng)力與工作壓力的疊加抵消效應(yīng)，扁擠壓筒的應(yīng)力峰值回落約1.2%;

（2）當(dāng)熱應(yīng)力與工作壓力共同參與疲勞壽命計(jì)算時(shí)，扁擠壓筒的最低疲勞壽命由3 182次提高至10 710次，與該型號(hào)扁擠壓筒的使用壽命更加吻合。

總之，在扁擠壓筒物理性能研究中，熱力耦合作用有著非常重要的影響，不容忽視。

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