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偏心件缩径旋压成形数值模拟网格自适应技术研究 旋转压力是一种广泛使用的金属可塑性材料工艺。它具有填充面积大、加工精度高、经济性好、加工设备和材料利用率高等特征。近年来,国内在三维非轴对称零件旋压成形工艺及设备方面开展了研究和探讨。目前,对于三维非轴对称零件旋压成形过程中的数值模拟仿真技术的一个研究困难就是如何同时提高仿真的效率和计算精度。但是,同时提高计算效率和计算精度又是互为矛盾的,一般为了提高计算精度就要对加大网格的数量,而这样的代价却是增加了计算时间,减小了计算效率。在有限元数值模拟过程中,网格数量较少的时候增加网格的数量会显著提高计算精度,而计算时间也不会有大的增加,但是随着网格数量的增加,其运算过程中数据占用计算机的CPU和内存也增大,当这个数量达到一定程度后,再继续增加网格数量会显著增加计算时间,使得计算效率大幅降低。所以,如何达到即提高计算效率又能够保证一定精度的问题,也就越来越被重视,因此,有必要开展网格自适应技术方面的研究。 所谓的网格自适应技术,是指在有限元分析过程当中,对预先划分好的网格能够按照用户所定义的误差准则,自动进行误差判断并进行网格疏密程度的调整, 最终使得数值模拟的计算结果达到相对较好的有限元分析技术。 本文是在大量的数值模拟仿真研究工作基础上,为了达到即提高计算效率又保证精度的目标,进行了网格加密及其可逆技术的探讨,并通过模拟实例进行了比较分析。 1 网格网络自适应于管道压模拟 1.1 旋转机构及其材料 所有有限元分析都是从创建模型开始的,本文采用通用的大型有限元软件MARC建立了偏心类管件三旋轮缩径旋压成形的有限元模型,采用正旋方式进行旋压,三旋轮呈1200均匀分布,所建有限元模型如图1所示。 模拟运算时,毛坯一端通过卡盘固定,三个旋轮按照给定的进给比和压下量绕毛坯做旋转运动,旋轮沿其相对转动滚过的轨迹上使毛坯在旋压力的作用下产生塑性变形。表1为有限元数值模拟运算的工艺参数。 本模型中的毛坯材料选用6061T1,其尺寸情况如下:长度为83 mm、直径为100mm、壁厚为1.8 mm,在应用网格加密及可逆技术的模型厚度方向上,网格被划分为两层。通过单向拉伸试验所获得的真实应力应变关系式为Y=336.4×ε0.21,输入MARC软件的有效应力应变曲线为Yˉˉˉ=336.4×(0.00415+ε)0.21Yˉ=336.4×(0.00415+ε)0.21,屈服应力为Rp0.2=150.7N/mm2,弹性模量为E=71627MPa,泊松比为r=0.34。 1.2 算法的判断过程 网格自适应加密技术是基于严格的误差准则来实现的,本文采用Marc自带的箱盒准则(Node within Box)和自编的子程序UADAPBOX 进行判断分析。所定义的细分加密等级为1级,在1级的情况下,一个三维的网格将会自动细分加密为8个细小的网格,所以,在网格细分加密后,网格的数量会急剧增加,同时计算速度会快速下降,并将占用大量的计算机内存和空间。所以,在保证计算精度的前提下,有必要通过网格自适应的可逆技术,提高计算效率并降低计算机的使用空间。 1.2.1 网格内部的可逆 当一个单元进入该箱盒(Box)的时候,单元自动进行局部加密,若在准则中设置网格可逆(Refine),当加密的网格移动出箱盒后,细分加密的网格会随机的回复到原来未细分的状态,即实现网格加密的可逆。 但是,在定义了箱盒静止,毛坯模型运动时,虽然大部分毛坯的网格随着毛坯的运动在移动出箱盒区域后会实现可逆,但是毛坯网格在时间为0时在箱盒中的单元细分加密后即使在其移动出箱盒后,细分加密后的网格部分不会实现可逆,如图2所示。因此,采用了另一种策略,将箱盒通过子程序定义为运动,毛坯静止。结果证明,此方法能够使所有进出箱盒区域的加密网格实现完全可逆。 1.2.2 模型建立和实现 根据运算结果对比的需要,分别建立了四个模型,应用三种不同的方法进行了对比分析。网格自适应加密及其可逆技术的应用和实现主要由以下三步来完成。它们分别是: 步骤一,模型的建立和自适应网格的选择。 四个模型分别采用了不同的划分方法。模型1 不采用自适应,在径向把毛坯网格划分为较细的四层。模型2 、3 采用自适应网格划分, 在径向把毛坯网格划分为两层,轴向较粗,模型2 对于细分加密后的网格不采用可逆技术, 模型3 对离开箱盒的加密部分网格进行还原,模型4不采用自适应,在径向网格划分为单层。 步骤二,定义箱盒的大小区域。 在前期的可逆技术研究阶段进行了大量的模拟分析的基础上,并且根据沿轴向的网格大小和这些模拟的结果综合分析,最终确定了箱盒大小都是50mm ×50mm ×6mm。在Marc的全局坐标系中箱盒的三向坐标分别为,xmin=-50mm和xmax=50mm;ymin=-50mm和ymax=50mm