基于ANSYSLS-DYNA的空拔钢管有限元分析作者：薛隆泉何亚峰代春英陈军涛摘要：本文应用三维非线性有限元分析技术，利用ANSYS软件的LS-DYNA模块动态模拟了空拔钢管的整个过程，得到了各场量的分布，进而分析了产生横裂、纵裂等实际问题的机理，根据拔制力的变化规律，将拔制过程分为起始、流动、稳定三个阶段，并得出了工艺参数（模锥角、摩擦系数、壁厚）与拔制力的关系，为优化模具结构和进行空拔钢管工艺设计提供了依据。关键词：ANSYS/LS-DYNA；空拔钢管；有限元；拔制力；中图分类号：TG356.11文献标识码：A文章编号FEAOnEmpty-sinkingSteelTubeBasedonANSYS/LS-DYNAXueLongquan1HeYafeng1LiuRongchang2DaiChunying1ChenJuntao1(1SchoolofMechanicalandPreciseInstrument,Xi'anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China;2DepartmentofMechanicsandElectronics,HebeiNormalUniversityofScienceandTechnology,Changli066600,China)Abstract:3Dnon-linearFEAtechniqueisusedtosimulatethewholeprocessofempty-sinkingsteeltubedynamicallybasedonLS-DYNAmoduleofANSYS.Distributionsofrelevantfieldvariablesareobtained.Sothemechanismsoftheproblemwhichoftencausetransversefissureandlongitudinalfissionetcinproductionareanalyzed.Basedontherulesofdrawingforce,drawingprocessisdividedintothreestages:start,flow,stable.Therelationshipsofprocessingparametersanddrawingforceareachieved.ThusFoundationislaidforoptimaldesignofdiestructureandtechnologicaldesignofEmpty-sinkingsteeltube.Keywords:ANSYS/LS-DYNA;Empty-sinkingsteeltube;Finiteelement;Drawingforce空拔钢管过程由于能够有效灵活地缩减钢管直径，获得所需的机械性能，因而在实际生产中被广泛应用。目前以实验分析为主的研究成果一直用于指导工业生产[1][2]。许多理论研究都将复杂的三维变形简化为轴对称变形[3][4]，对其变形过程与机理仍然缺乏系统深入地认识，导致生产中出现钢管纵裂、表面横裂和模具磨损严重等问题分析不够。本文应用ANSYS软件的LS-DYNA（显式动力分析）模块建立了三维空拔钢管有限元模型，动态模拟了钢管空拔过程，得到了各种场量的分布及工艺参数对拔制力的影响，进而分析了生产中常见问题的成因，并为模具和拔管优化设计提供了可靠的理论依据。1分析模型的建立1.1基本原理空拔钢管是一个既有接触非线性，又有几何非线性和边界非线性的多重非线性相互耦合问题，钢管和模具的几何模型如图1所示，其变形区分为减径区和定径区两部分，在拔制力的作用下钢管和模具接触，钢管在轴向伸长的同时产生径向收缩，进入定径区后钢管产生弹性恢复。图1钢管和模具的几何模型式中[M]——整体质量矩阵；[C]——整体阻尼矩阵；{P}——外力节点力矩阵；{F}——由内应力计算的整体节点力矩阵；——为整体节点加速度矩阵；——整体节点速度矩阵。式（1）通常有隐式和显式两种解法，本文采用了ANSYS软件的LS-DYNA模块所提供的显式解法[5]。1.2空拔钢管有限元模型的建立钢管和模具几何上是绕同一轴线的回转体，利用ANSYS前处理器很容易建立起钢管和模具的三维实体模型。选用具有显式分析功能的SOLID164单元对实体模型划分网格，为得到较为规则的网格分布，本文采用了映射分网技术（Mappedmesh），分网后钢管和模具的有限元模型如图2所示。图2钢管和模具的有限元模型（Mappedmesh）单元属性的定义包括单元类型（TYPE）、实常数（REAL）和材料模型（MAT），在网格划分前分别定义了模具和钢管的单元属性，这样模具和钢管就可以分别用PART1和PART2标识以进行接触分析，接触边界通过设置接触类型和摩擦系数靠PART1、PART2自动识别。为了加快计算速度，模具按照刚体处理，钢管材料根据试验得到的应力应变曲线用多线性随动强化模型来近似，如图3所示。图3钢管材料模型（多线性随动强化）1.3边界条件和载荷的定义钢管与模具的接触类型设置为面面接触（ASTS），用EDMP命令限制模具的平移和转动。选取钢管上所有节点，将其建立为component块，在其上施加初速度。为了达到计算的收敛性，加载方式选择为在钢管...