[发明专利]一种有限元模拟与实验相结合的材料楔横轧损伤临界值评定方法

说明书

本发明涉及材料损伤评估方法领域，具体涉及一种有限元模拟与实验相结合的材料楔横轧损伤临界值评定方法。首先，采用圆棒状坯料在板式楔横轧机上进行一定工况条件下不同轧制距离的楔横轧成形实验。然后，对所得轧件分别进行X射线无损探伤，获得材料在楔横轧变形过程中发生损伤开裂的初始轧制距离和部位。再次，应用有限元模拟，选取某一损伤模型，对相同几何模型在同一工况条件下的楔横轧成形过程进行模拟。最后，对照材料楔横轧有限元模拟同一轧制距离和部位的损伤计算结果，确定该损伤模型和工况条件下材料楔横轧变形的损伤临界值。本发明模拟和实验的可重复性强，可用于某一损伤模型和工况条件下材料的楔横轧损伤临界值的评定。

技术领域

本发明涉及材料损伤评估方法领域，具体涉及一种有限元模拟与实验相结合的材料楔横轧损伤临界值评定方法。

背景技术

楔横轧技术是一种高效的金属塑性成形技术，是国内外近几十年来发展起来的一种少无切屑、近净成形工艺，已被广泛应用于汽车轴类零件和工程机械产品的生产中。其原理是将圆棒状坯料送入两个相向运动的前端带有楔形型面的模具之间，在模具作用下坯料发生滚动并产生连续局部的塑性变形，最终与模具型面的形状完全贴合，获得回转体楔横轧轧件。楔横轧轧件在成形过程中，受轧制材料、工况条件以及模具尺寸参数等因素影响，易因“曼内斯曼效应”在心部区域产生疏松孔洞等缺陷。

X射线无损探伤技术是工业无损检测的主要方法之一。利用X射线穿透物质和在物质中有衰减的特性，来检测其中的缺陷。其成像直观、影像可长期保存，探伤灵敏度很高，对体积类缺陷敏感。缺陷影像的平面分布真实、尺寸测量准确，且对被测物的表面光洁度没有严格要求。材料晶粒度对检测结果影响不大，可以适用于各种材料内部缺陷检测。通过用X射线透视摄片法和工业电视实时成像，可显示出材料、零部件及焊缝的裂纹、缩孔、气孔、夹渣、未溶合、未焊透等内部缺陷的位置和大小。根据观察到缺陷的性质、大小和部位来评定材料或制品的质量，从而防止由于材料内部缺陷、加工不良而引起的重大事故。

有限元模拟技术是基于计算机硬件和软件发展起来的一种准确高效的虚拟实验技术。可以获得现实实验难以测量或者计算的数值结果，为结构设计、工模具开发及成形工艺参数调整等提供合理可靠的依据。大大缩短实验和产品开发周期，并极大地降低时间和物质成本。其常规步骤是将材料模型、损伤模型、工艺参数以及三维建模软件建立的部件几何模型，导入有限元分析软件中生成仿真模型进行数值计算，从而获得部件的应力应变场分布、温度场分布以及损伤演变等结果。

“轧卡”常见于二辊斜轧穿孔成形无缝管的生产事故中，指的是在轧制过程中由于变形量过大、轧制工艺不合理、设备吨位不足等原因，使管材突然停止前进，同时顶头卡在管材内部。这类由于设备及工艺条件造成的、坯料成形过程意外终止的事故，严重降低了设备的生产效率。因此，目前国内外研究人员已开展大量研究去避免和解决“轧卡”事故。目前少有文献报导，尤其是在楔横轧设备中将“轧卡”作为设备的一种可控中断功能。通过设备的“轧卡”功能，可以有效控制坯料的成形过程，系统研究坯料在各个成形阶段的材料流动、组织演变、损伤开裂行为等。

材料损伤开裂临界值是指保证材料不出现宏观缺陷的成形极限判据。根据应力状态和成形工艺不同，人们提出了很多的断裂破坏准则和成形极限图的定义及测量方法，如材料单向拉伸破坏的抗拉强度测定、材料剪切破坏的抗剪强度测定、材料疲劳损伤临界值的测定、板料冲压成形的成形极限图(FLD)绘制等。近些年，针对材料的楔横轧成形极限和损伤破坏行为，研究人员进行了深入研究和探索。目前，包括Normalized CockcroftLatham模型、RiceTracey模型、Oyane模型等多种损伤模型，已被人们用于楔横轧仿真分析，对轧件心部损伤破坏行为进行数值求解，为楔横轧轧件的心部缺陷控制提供依据。