基于DEFORM的水箱拉拔功率计算.pdf
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1、第49 卷Vol.49doi:10.3969/j.issn.1003-4226.2023.04.009第4期No.4金属制品MetalProducts基于DEFORM的水箱拉拔功率计算2023年8 月August2023周洁2,姚利丽2,李呐2(1.江苏兴达钢帘线股份有限公司,江苏泰州2.江苏省结构与功能金属复合材料重点实验室,江苏泰州2 2 57 2 1)摘要:借助DEFORM模拟软件研究水箱拉丝过程中道次压缩率的改变对钢丝拉拔力的影响规律。根据功率与力、力与应力的关系,引入总拉拔功率与拉拔应力的数学公式。把拉拔应力模拟结果代人数学公式通过计算得到总拉拔功率,并与实测功率进行比较,验证有限元
2、模型的可靠性。结果表明:减少拉拔道次,总功率有增加的趋势;只改变前几道次的压缩率,总功率最小。根据实测值修正模拟值,使模拟值与实测值的相对误差较小。总功率与拉拔应力数学关系的引人和有限元模型的建立对实际电耗研究具有参考价值,也为预测钢丝多道次拉拔过程中的电耗提供一种有效途径。关键词:钢丝;拉拔力;有限元;DEFORM软件;道次压缩率中图分类号:TG356225721;文献标识码:ADrawing power calculation of water tank based on DEFORMZhou Jiel:2,Yao Lilil.2,Li Nal,2(1.Jiangsu Xingda Ste
3、el Cord Co.,Ltd.,Taizhou 225721,China;2.Jiangsu Key Laboratory for Structural and Functional Metal Materials Composites,Taizhou 225721,China)Abstract:Using DEFORM simulation software,influence of changes in pass compression rate on steel wire drawing forceduring wet drawing process is studied.Accord
4、ing to relationship between power and force,as well as relationship betweenforce and stress,a mathematical formula is introduced for total drawing power and drawing stress.The total drawing powerwas calculated by substituting drawing stress simulation results into mathematical formula,and compared w
5、ith measuredpower to verify reliability of finite element model.Results show that total power tends to increase when drawing passes arereduced;Only changing compression rate of the first few passes results in the smallest total power.The simulated value ismodified according to measured value to mini
6、mize relative error between simulated and measured values.The introduction ofmathematical relationship between total power and drawing stress and establishment of finite element model have referencevalue for actual power consumption research,and also provide an effective way to predict power consump
7、tion during multi-pass drawing of steel wires.Keywords:steel wire;drawing force;finite element;DEFORM software;pass compression rate水箱拉丝机是主要的金属拉拔生产设备之一,一般采用液体润滑,具有设备简单、维护方便、生产灵活、制品尺寸精确及表面光洁等优点 。拉拔时钢丝发生塑性变形,功率消耗包括均匀变形功率、摩擦损失功率和多余变形功率。这些功率大小与钢丝塑性变形时的道次压缩率、模具结构、润滑条件等因素有关。水箱拉拔道次较多,理论上不同的道次压缩率对拉拔功率存在较大影响
8、。针对拉拔功率的计算和分析,不同文献给出了不同的公式,朱为昌 2 利用上限定理推导出计算功率分量的公式;杨立东等 3 使用拉拔力与拉拔速度计算电机功率的公式;卢学军等 4 通过分析切割钢丝拉拔过程中压缩变形功、摩擦阻力功及在变径区由于速度突然变化而消耗的多余变形功,推导出了功率损耗的数学表达公式。这些公式都需要反复试验来进行优化。近年来,利用数值模拟方法解决金属塑性成形问题的研究越来越多,并受到国内外学术界的关注 5-8 。笔者为了研究道次压缩率的改变对拉拔力和拉拔功率的影响规律,借助DEFORM有限元第4期分析软件,模拟分析在原2 1个模具的基础上减少1个模具后的不同配模设计对拉拔应力和拉拔
9、功率的影响,并根据模拟计算值与实测值的对比结果,获得总拉拔功率与拉拔应力之间的关系,为合理设计道次压缩率、节省模具个数及预测能耗提供理论依据。1有限元模型简化与假设由于钢丝多道次拉拔过程比较复杂,在有限元建模和计算上需要做出简化和假设 9 :(1钢丝拉拔属于冷加工,钢丝截面相对较小及冷却条件良好,不考虑摩擦热和变形功;(2)假设钢丝为各向同性拉拔道次道次压缩率/%113.41218.73318.76418.72518.46617.73716.56最终钢丝的拉拔速度为10 m/s,模具半锥角为4.5,模具的定径带长度1=0.4D;(D,为出线直径)。弹性模量为2 0 6 GPa,泊松比为0.3,
10、钢丝密度为7 8 50 kg/m,摩擦因数为0.0 8。钢丝初始长度为5mm,采用绝对网格划分,最大单元尺寸设为0.0 8mm,最大与最小尺寸比设为3:1;由于钢丝表面变形剧烈,为了防止网格畸变,因而对钢丝表面采用了局部网格细化,初始钢丝拉拔有限元模型如图1所示,实测2 1道次钢丝加工硬化曲线如图2 所示。图1初始钢丝拉拔有限元模型Fig.1Finite element model of initial wire drawing2.2原2 1道次模拟结果分析在DEFORM软件中把第1道次的应力场结果模型作为下个道次的初始模型,以此类推,并利用周洁,等:基于DEFORM的水箱拉拔功率计算进行模拟
11、分析。2有限元分析2.1有限元参数设定选取原材料碳质量分数为0.8 2%,初始钢丝直径为1.8 0 mm,最终钢丝直径为0.3 0 mm,采用2 1道次模链进行拉拔模拟,现场生产的2 1道次压缩率见表1。表1现场生产的2 1道次压缩率Table 1 Compression rate of 21 passes produced on site拉拔道次891011121314拉拔方向31材料,且满足体积不变定律;(3)模具与钢丝之间的接触符合库仑摩擦定律;(4)在拉拔过程中,忽略模具的弹性变形,可将其定义为刚体;(5)钢丝和模具都是回转体,根据对称性,选取有限元模型的1/4来道次压缩率/%拉拔道次
12、16.471516.431616.471716.391814.991914.962014.82213600340032003000BdN/32.80026002.4002200拉2.0001800160014001200100000.51.01.5元2.02.5 3.03.5真应变图2 2 1道次钢丝加工硬化曲线Fig.2Work hardening curve of 21 passes steel wireDEFORM软件的网格重划分功能实现多道次钢丝连续拉拔模拟,钢丝采用绝对网格重划分。有限元模拟结果中提取了2 1道次钢丝的拉拔力,按照公式(1)计算每个道次钢丝的拉拔应力,原21道次钢丝的
13、拉拔力及拉拔应力模拟值如图3 所示。在多道次钢丝拉拔过程中,第i道次钢丝的拉拔应力为:0;=F,/A;=F,/道次压缩率/%14.9114.9214.8314.6114.7514.297.54-21模(T(1)32式(1)中:F,为第i道次钢丝的拉拔力,N;为第i道次钢丝的拉拔应力,MPa;A,为第i道次钢丝的横截面积,mm;D,为第i道次钢丝直径,mm。1400-拉拔力1200F一一拉拔应力1000N/48006004002000246810 1214161820拉拔道次图3原2 1道次钢丝的拉拔力及拉拔应力模拟值Fig.3Simulation value of drawing force
14、and drawingstress of original 21 passes steel wire2.3原2 1道次钢丝拉拔功率计算第i道次钢丝的拉拔功率为:P,;=F,u;/1 000,式(2)中:P,为第i道次钢丝拉拔功率,kW;u;为第i道次钢丝拉拔速度,m/s。根据各道次钢丝体积秒流量相等原则,Duo=Diul=.=D,v;=.=Dun,(3)结合式(1)和式(3),代人式(2)可求得第i道次钢丝的拉拔功率与拉拔应力的关系:P,=D,u;0;/4 000=D,u,0;/4 000,(4)式(4)中,D,为最终钢丝直径,Un为最终钢丝的拉拔速度,两者都是已知量。为了计算第i道次钢丝的拉
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