基于DEFORM的大型封头整体锻造工艺数值模拟

Num er ica l S im ula tion on the Forg ing Process of In tegra ted Pressure Vessel Ba sed on D eform - 3D
J IANG Tao1 , YANG Y un - m ing1 , CHENG Gong - gu2 (1. The State Key Laboratory of M echanical Transm ission, Chongqing University, Chongqing 400030, China; 2. China National Erzhong Group Co. , Deyang 618013, China)
(3)封头顶盖部位变形量最大 ,顶盖中心的变 形量达到 442% ,法兰部位的变形量较小 。
参考文献 :
[ 1 ] Komei Suzuki, Ikuo Sato, et al. Current Steel Forgings and Their Properties for Steam Generator of Nuclear Pow2 er Plant [ J ]. Nuclear Engineering and Design, 2000, 198: 15 - 23.
3. 1 建模 根据模具设计得到的结果 ,对模具和坯料进行 实体建模 。首先在 CATIA 建模软件中进行三维图 形的绘制 [ 6 ] ,将图形转换为 stl格式 ,导入 DEFORM - 3D 中 。 3. 2 DEFORM - 3D 的参数设定 3. 2. 1 网格划分
合理的网格划分可以提高求解的精度并降低运 算量 ,网格大小的选取以保证精度 、尽量降低运算量 为原则 。DEFORM - 3D 具有强大的网格自动划分 功能 ,所采用的单元类型是经过特殊处理的四面体 , 容易实现网格的自动划分 [ 7 ] 。使用 System Setup 划 分网格 ,采用相对尺寸 ,划分网格数量为 20412,节 点数量为 3721。 3. 2. 2 材料属性
简单便于操作 ,模具数量少 ,封头一次成形 ,具有优 良的力学性能 ,旋转锻造使得封头各个部位晶粒度 较为均匀 ,在静水压力作用下 ,锻件不易产生开裂 。 该工艺设计的难点在于合理的模具设计 ,适合的模 具将能保证产品的最终尺寸 ,并能节省用料 ,减少粘 模现象 。通过采用 DEFORM - 3D 塑性成形软件 ,结 合 3D 绘图软件 ,优化模具参数 ,设计出符合要求的 模具 。
图 5 整体封头的变形过程
第 26卷第 2期 压 力 容 器 总第 195期
4. 3 等效应变分析 掌握锻件的等效应变分布 ,可以了解锻件变形
程度和变形均匀度 ,对锻件晶粒度分布的预测和后 期热处理工艺的制定具有指导作用 。图 6所示的最 终锻件的等效应变分布图显示 ,形成顶盖部位的变 形量最大 ,变形量由中心向四周逐渐减少 ,分别达到 442% , 334% , 227% ,成形过程中 ,锻件发生大的变 形 ,可以形成小而均匀的晶粒 。法兰部位的锻件变 形量较小 ,在整个变形过程中 ,锻造完成变形量后达 到 120%。
[ 2 ] 任运来 ,聂绍珉. 大型封头整体锻造新方法研究 [ J ]. 重型机械 , 2000, 5: 20 - 22.
[ 3 ] 王兵 ,王宇维 ,李富江. 大型封头模具的设计方法与研 究 [ J ]. 一重技术 , 2003, 98 (4) : 12 - 13.
图 6 锻件等效应变分布云图
4. 4 锻件和产品的比较 模拟锻造完成后 ,得到的整体封头同要求达到
的尺寸比较如图 7所示 。
图 7 锻件同产品的比较
由图 7可以看出 ,锻件能够很好地将标准封头 包裹在其中 ,没有出现飞边 、余量不足的情况 ,可以 通过粗机加工得到所需的整体封头 。同时 ,需要注 意的是 ,法兰上端和下端处有较多的余量 ,在实际生
表 1 两种下压方式
逐步等量下压方式操作简便 ,实际操作中容易 控制 ,从饼状锻件终锻后的等效应变分布图 (见图 3)可以看出 ,由于锻件的中心在每一次上模下压时 都发生了变形 ,所以中心变形量最大 ,达到 229% , 锻件边缘处形变最小 ,为 49% ,最大变形量是最小 值的 4. 7倍 ,变形很不均匀 ,这种方式容易使锻件中 心产生过大变形 ,造成材料的损伤 。
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CPVT 基于 DEFORM 的大型封头整体锻造工艺数值模拟 Vol261No2 2009
长太小容易造成计算时间过长 ,计算不收敛等问题 , 本研究中采用时间的方式决定步长 ,取 1 s为步长 。 计算前提是锻造在恒温下进行 ,温度为 1200 ℃,设 定上模下压速率为 20 mm / s。
3 建模及参数设定
2 工艺开发和模具设计 针对大型整体封头 (尺寸如图 1 所示 )设计了
锻造工艺 ,锻造过程设计在万吨水压机上进行 ,采用 上模旋转成形法进行锻造 。
图 1 整体封头示意图
上模旋转成形法的锻造过程如图 2所示 。
图 2 上模旋转成形法
将镦粗后的坯料放置到特殊的凹模内 ,通过坯 料底部的柱状进行定位 。在水压机上 ,上模每下压 一次 ,提起后旋转 90°,再次下压 ,这样为一个旋转 周期 ,通过设定下压量和下压周期 ,最终形成符合要 求的整体封头锻件 ,将得到的锻件进行粗机加工 ,经 过热处理后得到最终的产品 。上模旋转成形法工艺
完成建模后 ,生成数据库文件 ,退出前处理模块 进行计算 。
也更容易得到保证 。
4 计算结果分析
4. 1 上模旋转方式的确定 上模旋转下压一般分为逐步等量下压和交错等
量下压两种 ,选取合适的下压方式对工艺的可操作 性和保证下压质量都很重要 ,通过数值计算 ,对两种 旋转下压的方式进行了研究 ,见表 1。
采用交错等量下压方式形成的锻件形状比较规 则 。从图 4的等效应变分布看 ,饼状锻件的变形比 较均匀 ,中心最大应变量为 109% ,锻件边缘最小应 变为 67. 5% ,最大应变是最小应变量的 1. 6倍 。
采用交错旋转的下压方式 ,更有利于锻件的成 形 、变形均匀 ,达到对外形的要求 ,产品的内部质量
Abstract: It is important to control the forging p rocess of the integrated p ressure vessel. A new forging p rocess was developed in order to manufacture the integrated p ressure vessel by the numerical simulation based on the deform - 3D. In the p rocess, a top die and a bottom die were designed which used to change the shape of the forging. Two different ways of forging by the top die were compared. The effective strain of the forging was analyzed after the sim ulation. The result show s that the new forging p rocess is effective and have a good result for the forging which was consistent w ith the requirem ents. Key words: vessel; forging; num erical simulation
设 计 计 算
基于 DEFORM 的大型封头整体锻造 工艺数值模拟
姜 涛 1 ,杨运民 1 ,程巩固 2 (1. 重庆大学 机械传动国家重点实验室 ,重庆 400030; 2. 中国第二重型机械集团公司 ,四川 德阳 618013)
摘 要 :大型整体封头越来越受到重视 ,需要开发可行的制造工艺 。通过采用数值模拟的手段 ,设计 了采用上模和下模的整体封头锻造工艺 ,对两种上模旋转下压的方式进行了对比 ,通过 DEFORM
1 前言
大型封头是化工 、核电等设备的重要部件 ,为了 保证设备在高温高压下长期 、高效运转 ,采用的压力
容器尺寸越来越大 ,对性能的要求也越来越高 ,通过 整体锻造得到的封头具有更高的强度和在高温高压 氢气下具有更大的抗力 ,应用前景广泛 。整体封头 的锻造在国外已经是成熟的技术 [ 1 ] ,但在国内开展 的研究还不多 ,文献 [ 2 ]提出了部分凹模旋转锻造
- 3D 塑性成形软件对锻造过程进行了模拟计算 ,分析了终锻后锻件的等效应变分布 。结果表明 , 通过采用上模旋转下压的方式 ,可以得到所需的封头 ,锻件尺寸符合要求 。 关键词 :封头 ;锻造 ;数值模拟
中图分类号 : TG316. 2 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 4837 (2009) 02 - 0026 - 04
基金项目 :重庆市科委自然科学基金 (2005BB4021) ·26·
第 26卷第 2期 压 力 容 器 总第 195期
法 ,并进行了相关的试验 ,文献 [ 3 ]提出了大型封头 锻造模具设计的方法 , 文献 [ 4 ]根据塑性力学的基 本理论 ,分析了大型厚壁半球形封头的拉伸工艺 。 采用有限元软件对大型封头工艺进行研究的报道更 为少见 ,文献 [ 5 ]利用 SuperForm 软件 ,对带直边大 型厚壁半球形封头的热冲压成形过程进行了有限元 数值模拟 。本研究采用数值模拟的手段 ,设计出大 型封头的整体锻造工艺 ,根据计算结果 ,对工艺中的 关键问题进行了研究 ,研究对于大型整体封头锻造 工艺的制定具有指导意义 。
模拟过程中 ,模拟计算步长的确定是很关键的 , DEFORM - 3D 规定了两种计算步长的方式 ,分别由 时间或模具行程来决定 。对于通常的变形问题 ,采 用行程决定的方式较好 ,当几何形状简单 ,边角无流 变或其他局部严重变形的问题 ,步长通常选用模型 中较小单元边长的 1 /3,由于整体封头体积庞大 ,步
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4. 2 锻造过程变形分析 从图 5所示的变形过程来看 ,在上模下压的初
始阶段 ,坯料逐渐被压实 ,中心形成凹体 ,其余部分 变形不明显 ,随着塑性变形的增大 ,金属逐渐向四周 扩散 ,由于底部下模的限制 ,金属沿着下模向上翻 , 上模下压量越来越大 ,底部逐渐变薄 ,上翻的金属有 将上模包住的趋势 ,逐渐形成法兰的部位 计算结果 显示 ,由于不对中的存在 ,最终的锻件出现一定的倾 斜 ,过大的倾斜会造成锻件严重变形 ,因此需要在实 际锻造中采取措施以保证锻件具有良好的对中性 。
DEFORM - 3D 中自带有部分材料的材料库 ,根 据工厂实际经验 ,大型封头采用的材料多与国产 25 号钢的性能接近 ,因此 ,计算采用软件内材料库的 A ISI - 1025材料作为坯料的材料 ,上模和下模设置 成不产生形变的刚体 。 3. 2. 3 对象间的关系
摩擦方式设定为剪摩擦 ,对于此类大型锻件 ,成 形效果的分析是主要的 , 因此取摩擦系数为定值 0. 7,可以简化计算 ,模具同坯料间的接触容差设定 为 0. 0002。 3. 2. 4 控制的设定
产中会造成材料的浪费 ,还需要进一步优化模具参 数 ,节约用料 。
5 结论
设计了整体封头锻造成形的工艺 ,采用上模交 错旋转下压的方式 ,得到了满足尺寸要求的锻件 。 数值模拟计算表明 :
(1)上模采用交错旋转的下压方式 ,更有利于 锻件的成形 ,产品的内部质量容易得到保证 ;
(2)在锻造过程中 ,必须采取措施控制锻件的 对中 ,防止锻件过度倾斜 ,形成不规则的封头 ;