一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法技术

本发明专利技术属于金属材料成形加工领域，特别涉及一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法，本发明专利技术主要包括热电耦合模型和静力通用模型，其中通过热电耦合模型获得实际拉拔过程中无法检测的变形区温度，利用变形区平均温度获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程材料力学本构关系，并将由本构关系获得的应力应变曲线输入到静力通用模型中获得毛细管电辅助拉拔时的材料流动行为及力学响应，实现对薄壁毛细管电辅助拉拔工艺参数的快速优化。本发明专利技术利用热电耦合与成形过程静力学分析协同仿真的方法在不损失模拟精度的条件下可以提高电辅助拉拔工艺仿真的计算效率。辅助拉拔工艺仿真的计算效率。辅助拉拔工艺仿真的计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法


[0001]本专利技术属于金属材料成形加工领域，特别涉及一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法。

技术介绍

[0002]由于优良的换热性能和耐压、耐热性能，毛细管式换热器对于降低航空发动机的进口气流温度、缓解发动机各工作部件的热环境具有重要应用价值。然而，毛细管式换热器使用的薄壁毛细管外径为0.9mm，壁厚仅为0.05mm，壁厚均匀性要求小于5μm，这对薄壁毛细管的拉拔成形工艺提出了极高的要求。薄壁毛细管的制造技术主要基于两种传统的工艺方法：多道次挤压+拉拔的组合工艺和无模热拉拔工艺。然而，采用传统拉拔工艺成形的毛细管尺寸精度差、壁厚不均匀，不合格率高，严重影响成形效率。
[0003]电辅助成形工艺近年来已受到了广泛关注并获得了快速发展。电流能够有效降低材料的变形抗力，提高材料塑性变形能力，改善成形质量，并能够调控材料微观组织。目前，电流已应用到压印、轧制、拉丝、辊压等工艺中，并展现出良好的成形效果。然而，针对薄壁毛细管的电辅助拉拔成形工艺少有研究，特别是不同工艺参数对成形质量的影响尚不明确，需要通过仿真结合实验来促进薄壁毛细管电辅助拉拔工艺的成熟与进步。
[0004]目前对于薄壁毛细管电辅助拉拔成形工艺仿真具有诸多难点。一方面，采用热电力直接耦合仿真方法建模比较困难，边界条件设置繁琐，且极易出现不收敛情况；另一方面，热电力直接耦合仿真方法所采用的热-电-结构网格单元只能用于三维部件，这导致无法使用轴对称模型对轴对称结构进行建模分析，极大地降低了计算效率。因此，目前亟需设计一种计算效率高、预测精度高的仿真方法来指导薄壁毛细管电辅助拉拔成形工艺优化设计。
[0005]公开号为CN106807799A的专利技术专利“一种超塑性锌铝合金管材拉拔成形模拟方法”提出了一种管材传统拉拔成形工艺仿真优化方法，但由于未在仿真模拟中引入电流，因此不能适用于薄壁毛细管电辅助拉拔成形仿真。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术提供了一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法，本方法采用有限元分析软件建立热电耦合模型和静力通用模型，所述热电耦合模型用于获得薄壁毛细管在电辅助拉拔过程中变形区的温度，所述静力通用模型用于分析薄壁毛细管在电辅助拉拔过程中材料流动及力学响应行为。本专利技术划分为两个模型的原因在于利用热电耦合与成形过程静力学分析协同仿真方法在不损失模拟精度的条件下可以提高电辅助拉拔工艺仿真的计算效率。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供了一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法，包括如下步骤：
[0008]建立热电耦合模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区平均温度，然后
利用变形区平均温度获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的材料力学本构关系，进而获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程的应力应变曲线；
[0009]基于所获得的应力应变曲线，建立静力通用模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的材料流动及力学响应行为。
[0010]进一步，所述建立热电耦合模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区平均温度，具体过程为：
[0011]建立热电耦合模型，具体过程为：
[0012]1)设置模型物理常数绝对零度和Stefan-Boltzmann常数；
[0013]2)提取薄壁毛细管电辅助拉拔装置的几何参数，建立所述拉拔装置的轴对称模型；
[0014]3)设置导电材料和绝缘材料的材料属性，并将材料属性赋予所述拉拔装置的不同部件；
[0015]4)对不同部件进行装配，建立热电耦合稳态分析步；
[0016]5)定义所述拉拔装置的正负电极和薄壁毛细管之间的电传导，以及所述拉拔装置的所有部件之间的热传导，并设置不同部件在环境中的散热；
[0017]6)在载荷模块定义电流密度、零电势位置以及环境温度；
[0018]7)对导电部件指定热电耦合单元，对绝缘部件指定热传递单元，并对所有部件进行网格划分；
[0019]基于所建立的热电耦合模型，进行仿真分析，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区温度并求平均，得到变形区平均温度。
[0020]进一步，步骤3)中，为导电材料设置热导率、电导率和焦耳热份额，为绝缘材料设置热导率。
[0021]进一步，步骤5)中，不同部件在环境中的散热包括热对流和热辐射，根据空气流速设置对流换热系数，并设置不同材料的发射率。
[0022]进一步，步骤7)中，对薄壁毛细管变形区以及拉拔模具的模芯部分进行网格细化处理。
[0023]进一步，所述基于所获得的应力应变曲线，建立静力通用模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的材料流动及力学响应行为，具体过程为：
[0024]建立静力通用模型，具体过程为：
[0025]1)提取薄壁毛细管电辅助拉拔装置的几何参数，建立薄壁毛细管的轴对称可变形模型和所述拉拔模具模芯的轴对称离散刚体模型；
[0026]2)根据所述热电耦合模型的仿真结果获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区平均温度，根据变形区平均温度获得薄壁毛细管的力学本构关系，并设置薄壁毛细管的材料属性；
[0027]3)对薄壁毛细管和模芯装配，建立静力通用分析步，并开启几何非线性设置；
[0028]4)设定薄壁毛细管和模芯之间的摩擦系数，建立薄壁毛细管和模芯相互作用关系；
[0029]5)对薄壁毛细管设置拉拔速度边界条件，对模芯参考点设置完全固定边界条件；
[0030]6)对薄壁毛细管指定轴对称应力单元，对所述拉拔装置的所有部件进行网格划
分；
[0031]基于所建立的静力通用模型，进行仿真分析，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的材料流动及力学响应行为。
[0032]进一步，步骤2)中，基于变形区平均温度和不同电流密度下电辅助单向拉伸实验数据通过插值方法获得薄壁毛细管的力学本构关系。
[0033]进一步，所述方法还包括步骤：将所获得的仿真结果与薄壁毛细管电辅助拉拔实验结果对比，以及将所获得的仿真结果与热电力直接耦合模型运算结果对比，验证所述方法的有效性。
[0034]本专利技术的有益效果：
[0035]1)本专利技术采用热电耦合模型和静力通用模型形成薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法，两种模型均可以采用二维轴对称模型进行建模仿真，有利于提高运算效率；
[0036]2)本专利技术能够在静力通用模型中删除多余部件，例如正负极电极、模座、除模芯外的拉拔模具，这样能够在不影响变形区温度预测精度的前提下，极大提高薄壁毛细管静力学分析效率；
[0037]3)本专利技术有利于对电辅助成形工艺中变形区温度基本一致且材料热膨胀影响可以忽略不计的微型零件快速有效地进行工艺参数优化设计，节约时间成本。
附图说明
[0038]图1为实施例的薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法流程图；
[0039]图2为实施例的热电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄壁毛细管电辅助拉拔成形热电力间接耦合仿真方法，其特征在于，包括如下步骤：建立热电耦合模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区平均温度，然后利用变形区平均温度获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的材料力学本构关系，进而获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程的应力应变曲线；基于所获得的应力应变曲线，建立静力通用模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的材料流动及力学响应行为。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述建立热电耦合模型，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区平均温度，具体过程为：建立热电耦合模型，具体过程为：1)设置模型物理常数绝对零度和Stefan-Boltzmann常数；2)提取薄壁毛细管电辅助拉拔装置的几何参数，建立所述拉拔装置的轴对称模型；3)设置导电材料和绝缘材料的材料属性，并将材料属性赋予所述拉拔装置的不同部件；4)对不同部件进行装配，建立热电耦合稳态分析步；5)定义所述拉拔装置的正负电极和薄壁毛细管之间的电传导，以及所述拉拔装置的所有部件之间的热传导，并设置不同部件在环境中的散热；6)在载荷模块定义电流密度、零电势位置以及环境温度；7)对导电部件指定热电耦合单元，对绝缘部件指定热传递单元，并对所有部件进行网格划分；基于所建立的热电耦合模型，进行仿真分析，获得薄壁毛细管电辅助拉拔过程中的变形区温度并求平均，得到变形区平均温度。3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤3)中，为导电材料设置热导率、电导率和焦耳热份额，为绝缘材料设置热导率。4.根据权利要求2所述方法，其特征在于，步骤5)中，不同部件在环境中的散热包括热对流和热辐射，根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宝，刘义哲，万敏，赵睿，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：