李曉光,劉 君,李治華,閔慧娜,李 凱,曾衛(wèi)東

(1.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043) (2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,陜西 西安 710072)

Q form材料數(shù)據(jù)庫的完善與應(yīng)用

李曉光1,劉 君1,李治華1,閔慧娜1,李 凱1,曾衛(wèi)東2

(1.沈陽黎明航空發(fā)動機(集團)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽 110043) (2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院,陜西 西安 710072)

Q form是基于有限元計算方法專門用于解決鍛造問題的專業(yè)化的模擬軟件之一,模擬速度快、實用性強、用戶效益高,但是Q form自帶的材料數(shù)據(jù)庫存在合金種類稀少且常用合金數(shù)據(jù)缺乏等不足,急需完善。在 Q form原有材料數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)外常用合金數(shù)據(jù)進行了搜集和處理,建立了涵蓋常用的 31種鋼、26種高溫合金和13種鈦合金的材料數(shù)據(jù)庫,并成功地將材料數(shù)據(jù)庫嵌入到 Q form有限元模擬軟件中。最終完善了 Q form材料數(shù)據(jù)庫,并驗證了所添加材料的可靠性,從而為Q fo rm有限元模擬提供更廣泛和可靠的數(shù)據(jù)。

Q form數(shù)據(jù)庫;有限元模擬;搜集和處理數(shù)據(jù);材料數(shù)據(jù)庫

1 前 言

隨著計算機軟硬件技術(shù)、金屬塑性流動理論和計算機圖形學(xué)等交叉學(xué)科的迅猛發(fā)展,有限元數(shù)值模擬技術(shù)得到了快速發(fā)展,以數(shù)值模擬等先進方法解決工業(yè)生產(chǎn)中的實際問題已成為金屬成形技術(shù)的發(fā)展方向[1-2]。與此同時越來越多成熟的金屬塑性成形專業(yè)化有限元模擬軟件應(yīng)用到實際生產(chǎn)中,如國外有俄羅斯的 Q form、美國的 Deform 2D/3D, Super form和 Super forge以及法國 Forge 2D/3D;國內(nèi)有 Mafap(M ass Forming Analysis Program)等,其中Q form是基于有限元計算方法開發(fā)專門用于解決鍛造問題的模擬軟件,具有簡單明了友好操作界面、全自動向?qū)Чδ?、模擬過程自動完成等優(yōu)點[3]。然而 Q form自帶的材料數(shù)據(jù)庫不僅合金牌號形式不統(tǒng)一,而且缺乏國內(nèi)外生產(chǎn)中常用合金,如0C r18N i9等鋼、Ti-6A l-4V等鈦合金和 GH 4169等高溫合金,成為了Q form有限元模擬軟件在工程實際中應(yīng)用的瓶頸,因此迫切需要完善Q form材料數(shù)據(jù)庫。作者在Q form原有材料庫的基礎(chǔ)上,對國內(nèi)外常用合金數(shù)據(jù)進行了搜集和處理,建立了涵蓋常用鋼、高溫合金和鈦合金等一共 70種的合金牌號的材料數(shù)據(jù)庫,成功地將材料數(shù)據(jù)庫嵌入到Q form有限元模擬軟件中,完善了 Q form材料數(shù)據(jù)庫,并驗證了所添加材料的可靠性。

2 Q form軟件材料數(shù)據(jù)庫開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)的搜集

利用Q form模擬軟件進行數(shù)值模擬時,要用到材料的密度、彈性模量、比熱容和熱導(dǎo)率等物理性能數(shù)據(jù),特別是材料的流動應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),因此所建立的材料數(shù)據(jù)庫不僅要確保數(shù)據(jù)來源可靠而且也要保證數(shù)據(jù)內(nèi)容完備。

材料數(shù)據(jù)庫中新增合金的數(shù)據(jù)主要來源于國內(nèi)外權(quán)威的材料手冊,如《中國航空材料手冊》等[4-6]。此外,還有一些來自于權(quán)威書籍,如《金屬塑性變形的阻力》等[7]和國內(nèi)外重要的學(xué)術(shù)期刊、會議論文集、碩博士論文、有限元模擬軟件以及本課題組通過試驗測試獲得的數(shù)據(jù)[8-10]。

2.2 數(shù)據(jù)的處理

材料的性能數(shù)據(jù)一般以表格數(shù)據(jù)和圖片兩種形式給出,對于以表格數(shù)據(jù)的形式給出可以直接采集,而對于以圖片格式給出的物理性能參數(shù)以及流動應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù),我們通過數(shù)字化提取軟件 Engauge Digi -Tizer對圖片進行數(shù)據(jù)采集。該軟件可以將掃描的曲線圖片轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)與等式,從而實現(xiàn)曲線的數(shù)字化采集。具體采集過程為:應(yīng)用 Engauge DigiTizer圖形數(shù)字化軟件將如圖1a所示的 1Cr13流動應(yīng)力 -應(yīng)變曲線導(dǎo)入軟件中,選擇 Digitize菜單欄中的Axis Point完成圖片坐標(biāo)原點以及橫縱坐標(biāo)范圍的設(shè)置,然后選擇相同菜單欄中的 Curve Point對圖片中的曲線進行坐標(biāo)點的采集,采集結(jié)果如圖1b所示。

圖1 圖片格式數(shù)據(jù)的采集過程:(a)數(shù)據(jù)圖片;(b)采集界面Fig.1 Collection process of image form at data:(a)data image; (b)collection interface

將采集好的數(shù)據(jù)統(tǒng)一保存為同一溫度下,不同應(yīng)變速率和不同應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值的 txt文檔形式,如圖2所示。第一列和第一行分別表示不同的應(yīng)變速率和應(yīng)變值,交點處表示溫度。對于其他不同溫度也做同樣的處理,從而得到不同溫度下,不同應(yīng)變速率和不同應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值的 txt文檔,為后續(xù)數(shù)據(jù)庫的建立奠定基礎(chǔ)。

圖2 850℃時 1Cr13不同應(yīng)變速率和不同應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值Fig.2 The stress value of 1Cr13 under different strain rate and different strain at850℃

2.3 材料數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)

本文以 TC4鈦合金為例來具體介紹材料數(shù)據(jù)庫的二次開發(fā)過程。利用Q form軟件的材料添加功能,將搜集和整理的 TC4鈦合金數(shù)據(jù)分別添加到 Q form軟件中,具體添加的過程如下。

第一步:子材料數(shù)據(jù)庫的新建。進入 Q form軟件的材料數(shù)據(jù)庫界面,在Material下的Deformed Material中新建立 Titanium alloy子材料數(shù)據(jù)庫,并新建一種材料,如圖3所示。

第二步:流動應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)的添加。選擇Change type菜單,在顯示功能向?qū)Ы缑嬷幸?Load parameters from file的形式導(dǎo)入 TC4鈦合金在不同溫度下的不同應(yīng)變速率和不同應(yīng)變所對應(yīng)的應(yīng)力值的txt文檔,完成 TC4鈦合金流動應(yīng)力 -應(yīng)變數(shù)據(jù)的添加,添加后的界面如圖4所示。

圖3 材料數(shù)據(jù)庫界面Fig.3 Interface of material database

圖4 流動應(yīng)力 -應(yīng)變數(shù)據(jù)添加界面Fig.4 Editing interface of flow stress and strain data

第三步:材料物理性能的添加。在材料數(shù)據(jù)庫界面的右下角有屬性欄,選擇要輸入的物理性能名稱,如密度、熱導(dǎo)率、比熱容、彈性模量等,點擊應(yīng)用,即可進行材料物理性能數(shù)據(jù)的輸入。圖5為TC4鈦合金比熱容的輸入界面。

第四步:將已經(jīng)添加好的數(shù)據(jù)進行保存,從而完成 TC4鈦合金數(shù)據(jù)添加,對于其他鈦合金進行同樣的添加,從而建立鈦合金子材料數(shù)據(jù)庫。同樣也可以建立鋼和高溫合金子材料數(shù)據(jù)庫。最終建立Q form軟件的材料數(shù)據(jù)庫。Q form軟件材料數(shù)據(jù)庫中新增的 31種鋼、13種鈦合金和 26種高溫合金共 70種合金材料如表1所示。

圖5 比熱容添加界面Fig.5 Editing interface of specific heat capacity

表1 Q form軟件材料數(shù)據(jù)庫中新增合金Table 1 The new added alloys in the materials database of Q form

3 Q form材料數(shù)據(jù)庫的可靠性驗證

通過 TC4圓環(huán)鐓粗試驗和有限元模擬相結(jié)合的方法來驗證 Q fo rm材料數(shù)據(jù)庫的可靠性。圓環(huán)鐓粗試驗在 9.8MN電動螺旋壓力機上進行,滑塊速度為150mm/s,模具材料選用 4C r5W 2VSi。圓環(huán)試樣的尺寸:外徑 D=40 mm,內(nèi)徑 d=20 mm,高度h=14mm,采用玻璃劑潤滑,取 TC4相變點以下40℃即 940℃為圓環(huán)變形溫度,模具預(yù)熱溫度250℃,變形量為50%。

TC4鈦合金圓環(huán)鐓粗試驗有限元模擬之前先要對模具和試樣進行三維造型。采用UGNX4.0完成對圓環(huán)試樣以及模具的三維實體造型,轉(zhuǎn)化為 stp格式后導(dǎo)入到Q form軟件的 Qd raft繪圖系統(tǒng),進入模擬前處理,完成模型的網(wǎng)格劃分和定位,將文件保存為 shl格式。然后確定模擬的參數(shù),選擇設(shè)備為 9.8 MN螺旋壓力機,模擬問題為 3D問題,導(dǎo)入保存好的 shl格式,設(shè)定上下模具端面的最后距離等于試驗后試樣的高度即為 7mm。在所建立的材料數(shù)據(jù)中選擇所需材料 TC4鈦合金,設(shè)定圓環(huán)鐓粗溫度為940℃,模具預(yù)熱溫度為 250℃,選用玻璃潤滑劑,摩擦因數(shù)為 0.35,最后將文件保存為 qfm格式,開始有限元模擬。

圖6為鐓粗后的 TC4鈦合金圓環(huán)試樣和有限元模擬的圓環(huán)試樣。將模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較,如表2所示。由于內(nèi)徑誤差 2.3%和外徑誤差0.1%均比較小,所以模擬的結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致,從而說明了所建立的材料數(shù)據(jù)庫是可靠的。

圖6 TC4鈦合金圓環(huán)鐓粗試驗結(jié)果(a)和模擬結(jié)果(b)Fig.6 The test result(a)and simulation result(b)after TC4 titanium alloy ring upsetting

表2 鐓粗試驗和有限元模擬后的圓環(huán)尺寸Table 2 The ring size after test and simulation

4 結(jié) 論

(1)在 Q fo rm原有材料庫的基礎(chǔ)上,增加了常見的 31種鋼、13種鈦合金和 26種高溫合金共 70種合金材料并成功地嵌入到 Q form材料數(shù)據(jù)庫中,完善了Q form材料數(shù)據(jù)庫。

(2)在Q form原有材料庫的基礎(chǔ)上進行國內(nèi)外常用鋼、高溫合金和鈦合金材料的添加和完善是可行的、可用的。所添加的材料和相應(yīng)參數(shù)在應(yīng)用于生產(chǎn)模擬后,處理結(jié)果可信。

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Development of Materials Database of Finite Element Simulation Software Q form

Li Xiaoguang1,Liu Jun1,Li Zhihua1,Min Huina1,Li Kai1,Zeng Weidong2
(1.AVC Shenyang Liming Aero-Engine(Group)Co.,Ltd.,Shenyang 110043,China) (2.Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China)

Q formisone of specialized simulation softwares in solving forging problem based on finite element calculation method with the advantages of fast simulation speed,strong practicability and high efficiency,but the original materials database of Q form urgently need to be replenished for lacking data of commonly used alloys.A new added materials database including 31 kinds of steel,26 kinds of super alloy and 13 kinds of titanium alloy was established by collecting and processing commonly used alloys data based on the original materials database of Q form software,and w as successfully em bedded in to Q form software.Ultimately materials database of Q form software was consummated, and the reliability of add itivematerial was verified,consequently the more extensive and reliable data was provided for Q form finite element simulation.

Q form database;finite element simulation;collecting and processing data;materials database

2010-10-24

李曉光 (1981-),男,工程師,電話:024-24384335,E-m ail:L ixiaoguang9250@163.com。