摘要：对铁路用上心盘热模压成形过程进行了数值模拟分析，得到了上心盘成形过程的应力场、应变场。对在实验中工艺参数选择及模具修正起到了重要指导作用。
关键词：模压成形；数值模拟

一、引言

随着我国国民经济的发展，铁路运输能力也在不断增强，这就要求进一步提高铁路运行的可靠性、安全性和快速性。

铁路货车上心盘是货车车体底部一个重要的支撑零件，在铁路运行中一直承受车体的整体重量，要求其具有较高的抗疲劳性能和整体综合性能。

某机车厂针对上心盘生产和使用中存在的问题将生产工艺从铸造生产改为水压机上的热模压成形。为深入研究该成形方式是否可行，本文采用有限元法对上心盘热模压成形过程进行了数值模拟分析。

二、模拟分析模型的建立

上心盘从结构上具有对称性，以两个平面坐标轴对称，在长度方向上相差很小，热模压成形过程中金属流动也以两个坐标轴对称，金属成形过程中对中间环形部分具有几乎完全一致的流动规律。为提高计算效率、节省计算时间，取其轴向截面的二分之一来建立几何模型，该模型可以较完整地描述出金属在成形过程中的流动情况，如图1所示。

图1模压件简图

从数值模拟分析的角度出发，借助基于修正的拉格朗日描述的弹塑性大变形有限元方法，忽略了变形过程中温度对变形的影响(变形速度较快)，应用接触单元建立包括上、下模及坯料在内的整体模型，对整个成形过程进行数值模拟。几何模型如图2所示。

图2有限元分析模型

计算所用坯料尺寸为420×500×45mm的厚板，材料为25号钢，由于高温热态成形，为简化计算过程，材料特性取为各向同性双线性材料模式，此时材料的性能参数如表1。

表125号钢的材料性能参数
温度(℃) σ_s(MPa) σ_b(MPa) G(MPa) E(GPa) 20 260 470 195 210.8 1200 52 94 17 16.3

取泊松比μ＝0.3，摩擦系数f＝0.12。

考虑到坯料的尺寸较大，变形体采用平面四边形四节点单元作为基本单元，以保证坯料按所要求的形状成形。在整个模型中，共有二维实体单元336个，上模具接触单元13个，坯料上表面接触单元45个；下模具表面单元13个，坯料下表面与之对应的接触单元46个。整个模型共有453个单元，427个节点。

由于取整个模具与坯料对称面的一半为模型，因此对于模具及坯料的左侧，只允许有上下方向的位移，不允许其左右移动，同时在下模的表面加上位移约束使其固定，这与热模压成形过程中下模具不动是完全一致的。

对所建立的有限元模型进行求解，其迭代步数为335步，迭代总次数为1952次，总的计算时间为6h42min。

三、计算结果分析

1.应力场

图3～图5是在上述条件下计算得到的X方向应力、Y方向应力和等效应力分布规律。从应力场分布规律可以看出，坯料在成形过程中能较好地充填模具型腔，成形性较好，没有充不满、折叠等缺陷生成。在上心盘230mm圆环面外端R30mm圆角处，X、Y两个方向上受到较大的压应力，应力平均值为100MPa；在125mm圆环面上R20mm圆角处沿X方向出现了拉应力，但未达到破坏的程度。对于疲劳实验易产生裂纹的300mm圆环面底部R20mm处，在两个方向上均为压应力，不会产生裂纹。

图3X方向应力分布规律

2.应变场

图6～图8是计算得到的X方向应变、Y方向应变及等效应变分布规律。从应变分布可以看出，各处应变差别较大，上心盘中心部位受X方向应变较大，即沿X方向伸长较多，而在140mm圆环面处出现了压缩应变。在Y方向上，上心盘中心部位受压缩变形最大，但由于中心部位受三向压应力状态，不存在产生裂纹的危险性。

图4Y方向应力分布规律

图5等效应力分布规律

图6X方向应变力分布规律

图7Y方向应变力分布规律

图8等效应变分布规律

从图8中可看出，整个锻件等效应力分布很均匀，差值很小，因此卸载后不会产生很大的应力集中。对25号钢上心盘成形过程，由于材料本身具有很好的成形性能，且是热模压成形，因此成形后锻件残余应力很小，不会影响到上心盘的使用寿命。

四、结论

对上心盘热模压成形过程进行了数值模拟分析，明确得到了整个成形过程中应力场、应变场的变化情况。对上心盘热模压成形时模具设计及工艺参数选择具有重要指导意义，生产的产品完全满足性能要求。

参考文献
［1］吕炎.锻压成形理论与工艺.北京：机械工业出版社，1991.

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