金属塑性加工技术4-金属塑性变形力学解析方法.ppt
金属塑性加工原理Principle of Plastic Deformation in Metals Processing,第四篇 金属塑性变形力学解析方法,解析对象 主要是求解变形力，此外可以求解变形量和变形速度等解析方法 工程法（slab法，主应力法）滑移线法（slip line）上限法（upper bound）（下限法）、上限单元法 有限单元法（FEM,Finite Element Method）,金属塑性加工时，加工设备可动工具使金属产生塑性变形所需加的外力称为变形力。变形力是确定设备能力、正确设计工模具、合理拟订加工工艺规程和确定毛坯形状尺寸的必要的基本力学参数。,第7章 金属塑性加工变形力的工程法解析,7.1 工程法及其要点7.2 直角坐标平面应变问题解析7.3 圆柱坐标轴对称问题7.4 极坐标平面应变问题解析7.5 球坐标轴对称问题的解析,7.1 工程法及其要点,求解原理 工作应力，一般它在工作面上是不均匀的，常用单位压力 表示 S工作面积，按“工作面投影代替力的投影”法则 求解,求解要点工程法是一种近似解析法，通过对物体应力状态作一些简化假设，建立以主应力表示的简化平衡微分方程和塑性条件。这些简化和假设如下：1把实际变形过程视具体情况的不同看作是平面应变问题和轴对称问题。如平板压缩、宽板轧制、圆柱体镦粗、棒材挤压和拉拔等。2假设变形体内的应力分布是均匀的，仅是一个坐标的函数。这样就可获得近似的应力平衡微分方程，或直接在变形区内截取单元体切面上的正应力假定为主应力且均匀分布，由此建立该单元体的应力平衡微分方程为常微分方程。,3.采用近似的塑性条件。工程法把接触面上的正应力 假定为主应力，于是对于平面应变问题，塑性条件 可简化为 或 对于轴对称问题，塑性条件 可简化为,4简化接触面上的摩擦。采用以下二种近似关系 库仑摩擦定律：（滑动摩擦）常摩擦定律：（粘着摩擦）式中：摩擦应力 k屈服切应力（）正应力 f 摩擦系数5其它。如不考虑工模具弹性变形的影响，材料变形为 均质和各向同性等。,例题一滑动摩擦条件下的薄板平锤压缩变形（直角坐标平面应变问题）高为b，宽为W，长为l 的薄板，置于平锤下压 缩。如果l 比b大得多，则板坯长度方向几乎没 有延伸，仅在x方向和y 方向有塑性流动，即为 平面应变问题，适用于 直角坐标分析。,矩形工件的平锤压缩,7.2 直角坐标平面应变问题解析,单元体x方向的力平衡方程为：整理后得：由近似塑性条件 或，得：将滑动摩擦时的库仑摩擦定律 代入上式得：上式积分得：,在接触边缘处，即 时，由近似塑性条件得于是因此接触面上正应力分布规律最后求得板坯单位长度（Z向单位长度）上的变形力P可求得为：,下面讨论混合摩擦条件下，平锤均匀镦粗圆柱体时变形力计算。圆柱体镦粗时，如果锻件的性能和接触表面状态没有方向性，则内部的应力应变状态对称于圆柱体轴线（z轴），即 在同一水平截面上，各点的应力应变状态与坐标无关，仅与r坐标有关。因此是一个典型的圆柱体坐标轴对称问题。,7.3 圆柱坐标轴对称问题,圆柱坐标轴对称问题,工件的受力情况如右图所示。分析它的一个分离单元体的静力平衡条件，得：,由于很小d，忽略高阶微分，整理得：对于均匀变形，上式即为：将近似的塑性条件 代入上式得：,接触面上正应力 的分布规律1滑动区上式积分得：当r=R时，将近似塑性条件 代入上式，得积分常数C1因此：,2粘着区将 代入平衡方程得：上式积分得：设滑动区与粘着区分界点为rb。由，得此处利用这一边界条件，得积分常数因此得：,3停滞区一般粘着区与停滞区的分界面可近似取，于是得：积分得：当 时，代入上式得：于是式中,4滑动区与粘着区的分界位置 滑动区与粘着区的分界位置可由滑动区在 此点的 与粘着区在此点的 相等这一条 件确定，因此在rb点上有：因此得：,5平均单位压力圆柱体平锤压缩时的平均单位压力 式中 视接触面上的分区状况而异。,7.4 极坐标平面应变问题解析,不变薄拉深（极坐标平面应变问题）。不变薄拉深时，由于板厚不变化，变形区主要是在凸缘部分，发生周向的压缩及径向延伸的变形，因而凸缘部分的变形是一种适用于极坐标描述的平面应变问题。由于变形的对称性，、均为主应力。,因此平衡微分方程为：将塑性条件 代入上式得然后利用边界条件进行拉深力的求解。,单孔模正挤压圆棒（球坐标轴对称问题）分四个区进行求解。,图7-7 圆棒正挤压受力情况,7.5 球坐标轴对称问题的解析,第8章 滑移线理论及应用,8.1 平面应变问题和滑移线场8.2 汉盖（Hencky）应力方程滑 移线的沿线力学方程8.3 滑移线的几何性质8.4 应力边界条件和滑移线场的绘制8.5 三角形均匀场与简单扇形场组合 问题及实例8.6 双心扇形场问题及实例,8.1 平面应变问题和滑移线场,（a）塑性流动平面（物理平面），（b）正交曲线坐标系的应力特点，（c）应力莫尔圆 图8-1 平面应变问题应力状态的几何表示,平面应变问题,根据平面流动的塑性条件，（对Tresca塑性条件；对Mises塑性条件）于是，由图8-1c的几何关系可知，有式中 静水压力 定义为最大切应力 方向与坐标轴Ox的夹角。,平面应变问题,对于平面塑性流动问题，由于某一方向上的位移分量为零（设duZ=0），故只有三个应变分量（、），也称 平面应变问题。根据塑性流动法则，可知 式中，为平均应力；p称为静水压力。根据塑性变形增量理论，平面塑性流动问题独立的应力分量 也只有三个（、），于是平面应变问题的最大切应力 为：,对于理想刚塑材料，材料的屈服切应力k为常数。因此塑性变形区内各点莫尔圆半径（即最大切应力）等于材料常数k。如图8-2所示，在x-y坐标平面上任取一点P1，其 的，即 方向为，沿 方向上取一点P2，其 方向为，依此取点a2，其 线方向为，依次连续取下去，直至塑性变形区的边界为止，最后获得一条折线P1-P2-P3-P4，称为 线。按正、负两最大切应力相互正交的性质，由P点沿与 的垂直方向上，即在P点的 的，即 方向上取点，也可得到一条折线，称为 线。,绘制滑移线,由图8-2可知，滑移线的微分方程为：对 线 对 线,图8-2 x-y坐标系与滑移经网络,滑移线理论法是一种图形绘制与数值计算相结合的方法，即根据平面应变问题滑移线场的性质绘出滑移线场，再根据精确平衡微分方程和精确塑性条件建立汉盖（Hencky）应力方程，求得理想刚塑性材料平面应变问题变形区内应力分布以及变形力的一种方法。,滑移线理论法,8.2 汉盖（Hencky）应力方程滑移线的沿线力学方程,推导：有平面应变问题的微分平衡方程 将式（8-3）代入上式，得,整理得表达成 对 线取“+”号 对 线取“-”号 式中，上式表明，沿滑移线的静水压力差（）与滑移线上相应的倾角差（）成正比。故式表明了滑移线的沿线性质。汉盖应力方程不仅体现了微分平衡方程，同时也满足了塑性条件方程。,8.3 滑移线的几何性质,一、汉盖第一定理 同族的两条滑移线与加族任意一条滑移线相交两点的倾角差和静水压力变化量均保持不变。二、汉盖第二定理 一动点沿某族任意一条滑移线移动时，过该动点起、始位置的另一族两条滑移线的曲率变化量等于该点所移动的路程,8.4 应力边界条件和滑 移线场的绘制,应力边界条件1）自由表面2）光滑（无摩擦）接触表面4）滑动摩擦接触表面3）粘着摩擦接触表面,滑移线场绘制的数值计算方法,1）特征线问题 这是给定两条相交的滑移线为初始线，求作整个滑移线网的边值问题，即所谓黎曼（Riemann）问题。2）特征值问题 这是已知一条不为滑移线的边界AB上任一点的应力分量（、）的初始值，求作滑移线场的问题，即所谓柯西（Cauchy）问题。3）混合问题 这是给定一条线OA，和与之相交的另一条不是滑移线的某曲线OB（可能是接触边界线或变形区中的对称轴线）上倾角值,第9章 功平衡法和上限 法及其应用,9.1 功平衡法9.2 极值原理及上限法9.3 速度间断面及其速度特性9.4 Johnson上限模式及应用9.5 Aviztur上限模式及应用,9.1 功平衡法,功平衡法是利用塑性变形过程中的功平衡原 理来计算变形力的一种近似方法，又称变形功 法。功平衡原理是指：塑性变形过程外力沿其位 移方向上所作的外部功（WP）等于物体塑性变形 所消耗的应变功（Wd）和接触摩擦功（Wf）之 和，即 WP=Wd+Wf 对于变形过程的某一瞬时，上式可写成功增量形 式 dWP=dWd+dWf,极值原理包括上限定理和下限定理，它们都是根据虚功原理和最大塑性功耗原理得出的，但各自分析问题的出发点不同。上限定理是按运动学许可速度场（主要满足速度边界条件和体积不变条件）来确定变形载荷的近似解，这一变形载荷它总是大于（理想情况下才等于）真实载荷，即高估的近似值，故称上限解；下限定理仅按静力学许可应力场（主要满足力的边界条件和静力平衡条件）来确定变形载荷的近似解，它总是小于（理想情况下才等于）真实载荷，即高低的近似解，故称下限解。,9.2 极值原理及上限法,稳定平稳状态的变形体中，当给予变形体一几何约束所许可的微小位移（因为该位移只是几何约束所许可，实际上并未发生，故称虚位移）时，则外力在此虚位移上所作的功（称虚功），必然等于变形体内的应力在虚应变上所作的虚应变功，其表达式为：实际应用常用功率形式表达,虚功原理,虚功原理,式中，左边为外力所作虚功或虚功率，右边第一项为虚应变功耗或虚应变功率消耗，第二项为接触摩擦与刚性界面上剪切功耗或功率消耗等。（为所在界面上的相对滑动速度）。第三项为裂纹形成等的功耗或功率消耗。虚功原理对于弹性变形、弹塑性变形或塑性变形力学问题都是适用的。,到目前为止，上限法中虚拟的运动学许可速度场模式大体有三种模式：（1）Johnson模式，通常称为简化滑移线场的刚性三角形上限模式，主要适用于平面应变问题。（2）Avitzur模式，通常称为连续速度场的上限模式，它既可适用平面应变问题、轴对称问题，也可用于某些三维问题，用途比较广泛。（3）上限单元技术（UBET），目前比较实用的是圆柱坐标系的圆环单元技术。它可用于解轴对称问题，以及某些非对称轴的三维问题。具体实例在硕士阶段将详细分析。,虚拟的运动学许可速度场模式,9.3 速度间断面及其速度特性,(1),(2),A,v2,v1,x,x,A,B,C,D,H,图9-4 速度间断面上的速度间断 a）物理平面 b）速度图,9.4 Johnson上限模式及应用,基本思路是设想塑性变形区由若干个刚性三角形构成，塑性变形时完全依靠三角形场间的相对滑动产生，变形过程中每一个刚性块是一个均匀速度场，块内不发生塑性变形，于是块内的应变速度。因此，式（9-6）的能量基本方程中，若不计附加外力及其他功率消耗的话，其塑性变形功率消耗部分也为零，则上限功率表达式变为：,Johnson上限模式求解的基本步骤,根据变形的具体情况，或参照该问题的滑移线场，确定变形区的几何位置与形状，再根据金属流动的大体趋势，将变形区划分为若干个刚性三角形块；根据变形区划分刚性三角形块情况，以及速度边界条件，绘制速端图；,Johnson上限模式求解的基本步骤,3.根据所作几何图形，计算各刚性三角形边长及速端图计算各刚性块之间的速度间断量，然后计算其剪切功率消耗；4.求问题的最佳上限解，一般划分的刚性三角形块时，几何形状上包含若干个待定几何参数，所以须对待定参数求其极值，确定待定参数的具体数值以及最佳的上限解。,9.5 Aviztur上限模式及应用,基本思路：B.Avitzur上限模式为连续速度场模式，其基本思路是把整个变形区内金属质点的流动用一个连续速度场vi=fi(x,y,z)来描述。同时考虑塑性区与刚性区界面上速度的间断性及摩擦功率的影响。因此Avitzur上限模式的基本能量方程与式（9-4）是一致的，常简化为 N=Nd+Nt+Nf+Nq,式中，为塑性变形功率消耗 为速度间断面上剪切功率消耗 为接触面上摩擦功率消耗 为附加外力消耗的（取“+”号）或向系统输入的附加功率（取“-”号）,应用范围,一、直角坐标平面应变问题 考虑侧鼓时板坯的平锤压缩二、极坐标平面应变问题 宽板的平辊轧制三、圆柱坐标轴对称问题圆盘的镦粗四、球坐标轴对称问题圆棒的拉拔或挤压,
