基于電片液壓成形的有限元建模實驗

摘 要：高速金屬板材的成形方法，如電磁成形和液壓成形（EHF），都是是基于高壓電能。本文給出了關于在電液成形過程中高應變率的理論細節。根據文獻中的實驗結果，編寫的是一個具有一片空白動態加載應用的模擬的高能ABAQUS-CAE，并且可以產生塑性變形的Johnson-Cook材料模型。從現有的實驗值文獻中，模擬的結果得到了驗證。為了在商業上獲得類似結果的可用材料如鋁6061 T6合金和Mg-Gd-Y合金，仿真模型進行了進一步的模擬驗證。

關鍵詞：電液成形；Johnson-Cook材料模型；液電效應；鋁6061 T6；Mg-Gd-Y 合金

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.219

1 操作原理

原理包含了現代能源排放系統的基本組成部分：直流儲能電容器、放電電極、傳力液罐。一個基本的電液控制系統如圖1所示。必要的高電壓從直流儲能電容器得到線操作直流。當電子觸發電路被激活，能迅速傾倒到同心或敵對的火花隙電極浸沒在裝滿水的容器，由此產生對著工件的沖擊波。在這個例子中，一個金屬片被迫準備為成形模。

雖然液電效應的外觀是簡單的爆炸，但是其成分復雜的多。不同于化學爆炸的動力是以毫秒為單位測量，電事件發生在幾微秒之間。存儲在一代人的能量突然釋放的結果小汽泡，對于所有的實際目的獲得等離子體特性。它可以作為溫度高30000℃，伴隨著估計峰值在約20000個大氣壓的壓力。

2 有限元建模

動態顯式有限元，是針對其可能性的進行模擬的有限元分析高應變率成形方法。用于模擬軟件ABAQUS CAE。該模型模擬流行性散熱是根據丹尼爾等人在2008發表的文獻中的結果。仿真結果由阿恩·米蘭德等人在2013通過成形高度和從電液成形實驗的應變分布進行了驗證。

2.1 模型

該模型由兩部分組成，毛坯和模具。空白是正在形成的片材；仿真與IF210為模型與實驗結果進行了驗證試驗材料。模擬的進一步進行，得到類似的結果為材料鋁6061 T6和Mg-Gd-Y系合金。在模孔直徑為165毫米；空白是一個直徑175毫米的代表的鎖定和形狀像一個圓臺模具直徑。仿真模型的部分是基于實驗設置如下圖所示于圖2。模具工具形狀的空白。在模擬的空白是免費的形成或得到一個免費的擴展，這意味著死亡限制的穹頂直徑也由圓形邊緣與得到的彎曲半徑4 mm的空白在。在流行性出血熱試驗壓力是建立在刀具后端弧，這在模擬由均勻分布壓力脈沖代表。下面是在ABAQUS模型。

2.2 性能

有限元模型的性能是基于已有的文獻中，從模型中獲得的性能。為了驗證模型模擬，我們把IF210鋼材料作為參考材料，為空白，輸入性能要求的密度，楊氏模量和泊松比為表1中給出的可塑性，一個采用應變率依賴Johnson-Cook材料模型。手動安裝JC材料模型參數被用于在表1中給出了仿真。

模具被建模為一個三維解析剛體殼。模具與板料之間的接觸相互作用是設置一個表面表面狀態，接觸性切向的行為和處罰0.1摩擦系數。模具被約束在其參考點的矩條件即鎖定的所有6個自由度。空白給出了沿邊緣使它相當于一個固定的空白作為實驗用矩條件。

2.3 Johnson-Cook材料模型

在材料的拉伸應力，可以根據不同的應變率，通常具有較高的流動應力增加應變率。能夠實現精確的結果盡可能的模擬，它是必要的描述與材料本構模型的現象。有幾種不同的模型描述這種變化機械性能。在這個項目的約翰遜Cook材料模型中，JC被選擇。因為該模型是一種廣泛使用的用于程序和公認的模型仿真，ABAQUS，約翰遜Cook材料模型已經實現和模型參數可以作為一個輸入文件。約翰遜Cook模型公式1表達。

（1）

該模型表示的流動應力（σ）。表達分為三架，第一部分是代初始屈服強度和強度的硬化由于染色，其中一個是代表初始強度和B和n為代表的硬化由于應變（ε）。第二支架表示由于應變硬率，其中C是由于應變率硬化的敏感性是歸一化的應變率的參考。最后的支架是由于與參數t材料加熱材料軟化，T0 tmare常數代表初始溫度和熔化溫度。但在這項工作中的溫度效應被忽視的參數t不評價[謝爾蓋等人2013和H 2006 Couque ]。Johnson –Cook中使用的參數在表2中給出的模型。

2.4 加載

負載為空白的頂面，它是作為在表面的均勻壓力，提供爆炸加載在高應變率情況下的成形，動力顯式的力被選擇在ABAQUS。時間段壓力脈沖為100微秒類似一個典型的丹尼爾等人在2008年所用的電液爆時間。壓力脈沖的應用，通常所需的36拱頂高度為20.1MPa的幅度。脈沖是由一個1和一個長度為100微秒，幅正弦曲線表示。

由于在實驗和壓力輸入的輸入能量之間的關系的復雜性在模擬脈沖，脈沖幅度的參考設置，IF210級，形成的高度空白，圓頂，同樣在流行性散熱實驗圓頂的高度。

3 結果與討論

根據實驗數據顯示的模型的空白形成一個隨時間變化的模擬。爆炸荷載僅為100微秒，而仿真時間為1000微秒。一個簡單的參數來估計脈沖峰值。放電的能量被假定為在放電室中的液體轉變為壓力。靜態壓力等于能量除以液體體積。這種壓力也相當于一個壓力脈沖通過室。在這種情況下，它是假定動力學的影響可以忽略不計。由于無介質模型是一個合理的假設進行有無衰減，沖擊波壓力振幅可以被設置為值的輸入能量作為實驗給出了。這一結果應在在實驗中得到的相同的圓頂高度。圖6是一張從仿真的一段情節如果210在ABAQUS顯示大小變形坯料的高度。

圖7是主要的和次要的應變分布圖從邊緣到中心的空白模擬與假定的連接的能量和壓力脈沖之間的等級材料IF210。比較其與文獻中的類似結果，獲得的實驗數據進行仿真圖。過程有與實測應變分布的實驗相當類似的應變分布和模擬。實驗測定的大應變，LE11從實驗是高于來自模擬。這是一種可以影響該材料是各向異性的，使用ABAQUS模型不能描述這一現象。

材料IF210確認結果允許我們準備其他市售的模擬6061 T6鋁合金一樣，Mg-Gd-Y合金，得到了類似的結果可以作為任何理論值實驗和調查在這場發生。圖8是主要的和次要的應變分布圖從邊緣到中心的空白模擬材料鋁6061 T6與假定的能量和壓力脈沖之間的連接。比較其過程是與類似的過程模擬在FG 10與丹尼爾等在文獻中得到的實驗數據。

從得到的圖與圖的結果我們可以看到，小區有一個在高應變率對鋁6061 T6的模擬模型比較相同的應變分布。鋁合金表明在自由成形不起皺可見光滑變形。觀察0.32%回彈相對于總變形而達到最大速度，在變形過程中為293.3米/秒。圖9顯示的主要和次要的應變分布圖從邊緣到中心的空白模擬Mg-Gd-Y合金與假定的能量和壓力脈沖之間的連接。由于形成鎂合金的過程仍在調查階段，有沒有確鑿的實驗結果相同。由于我們的模型，通過仿真結果的驗證，從現有的文獻結果進行了驗證可以推測，遵循類似的應變分布格局將Mg-Gd-Y系合金的研究。

鎂合金也表現出平滑的變形而在圓頂上有一定的不均勻變形觀察圖10中看到的。觀察到的最大速度是1.69%分鐘在回彈變形是523.5米/秒。

4 結論

有限元模型在ABAQUS驗證進行了調查和了解的成形性高應變率下的材料和他們的行為。

（1）模型中的液電效應納入100設置爆炸脈沖持續時間微秒對應電液沖擊波。（2）材料if210，應變分布曲線顯示了類似的應變分布和最大應變率接近實驗中得到的速率。（3）實驗和模擬應變率得到了if210模擬相媲美，因此驗證結果。（4）得到的鋁合金的應變分布模式是相當類似，從文獻對高應變率成形。（5）鋁合金呈光滑的變形不起皺，回彈，最大一分鐘變形速度達到298.3米/秒。（6）得到了Mg-Gd-Y系合金的應變分布格局。鎂合金表現出一定的不均勻而獲得最大的變形速度為523.5米/秒在圓頂峰值變形。（7）所形成的板的幾何形狀和應變能與良好的協議與實驗模擬。

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作者簡介：陳義（1984-），男，湖南常德人，碩士，講師，研究方向：測控技術。