上心盘热模压成形过程的模拟分析

一、引言

随着我国国民经济的发展，铁路运输能力也在不断增强，这就要求进一步提高铁路运行的可靠性、安全性和快速性。

铁路货车上心盘是货车车体底部一个重要的支撑零件，在铁路运行中一直承受车体的整体重量，要求其具有较高的抗疲劳性能和整体综合性能。

某机车厂针对上心盘生产和使用中存在的问题将生产工艺从铸造生产改为水压机上的热模压成形。为深入研究该成形方式是否可行，本文采用有限元法对上心盘热模压成形过程进行了数值模拟分析。

二、模拟分析模型的建立

上心盘从结构上具有对称性，以两个平面坐标轴对称，在长度方向上相差很小，热模压成形过程中金属流动也以两个坐标轴对称，金属成形过程中对中间环形部分具有几乎完全一致的流动规律。为提高计算效率、节省计算时间，取其轴向截面的二分之一来建立几何模型，该模型可以较完整地描述出金属在成形过程中的流动情况，如图 1 所示。

图 1 模压件简图

从数值模拟分析的角度出发，借助基于修正的拉格朗日描述的弹塑性大变形有限元方法，忽略了变形过程中温度对变形的影响 ( 变形速度较快 ) ，应用接触单元建立包括上、下模及坯料在内的整体模型，对整个成形过程进行数值模拟。几何模型如图 2 所示。

图 2 有限元分析模型

计算所用坯料尺寸为 420 × 500 × 45mm 的厚板，材料为 25 号钢，由于高温热态成形，为简化计算过程，材料特性取为各向同性双线性材料模式，此时材料的性能参数如表 1 。

表 125 号钢的材料性能参数

取泊松比μ＝ 0.3 ，摩擦系数 f ＝ 0.12 。

考虑到坯料的尺寸较大，变形体采用平面四边形四节点单元作为基本单元，以保证坯料按所要求的形状成形。在整个模型中，共有二维实体单元 336 个，上模具接触单元 13 个，坯料上表面接触单元 45 个；下模具表面单元 13 个，坯料下表面与之对应的接触单元 46 个。整个模型共有 453 个单元， 427 个节点。

由于取整个模具与坯料对称面的一半为模型，因此对于模具及坯料的左侧，只允许有上下方向的位移，不允许其左右移动，同时在下模的表面加上位移约束使其固定，这与热模压成形过程中下模具不动是完全一致的。

对所建立的有限元模型进行求解，其迭代步数为 335 步，迭代总次数为 1952 次，总的计算时间为 6h42min 。

三、计算结果分析

1. 应力场

图 3 ～图 5 是在上述条件下计算得到的 X 方向应力、 Y 方向应力和等效应力分布规律。从应力场分布规律可以看出，坯料在成形过程中能较好地充填模具型腔，成形性较好，没有充不满、折叠等缺陷生成。在上心盘 230mm 圆环面外端 R30mm 圆角处， X 、 Y 两个方向上受到较大的压应力，应力平均值为 100MPa ；在 125mm 圆环面上 R20mm 圆角处沿 X 方向出现了拉应力，但未达到破坏的程度。对于疲劳实验易产生裂纹的 300mm 圆环面底部 R20mm 处，在两个方向上均为压应力，不会产生裂纹。

图 3X 方向应力分布规律

2. 应变场

图 6 ～图 8 是计算得到的 X 方向应变、 Y 方向应变及等效应变分布规律。从应变分布可以看出，各处应变差别较大，上心盘中心部位受 X 方向应变较大，即沿 X 方向伸长较多，而在 140mm 圆环面处出现了压缩应变。在 Y 方向上，上心盘中心部位受压缩变形最大，但由于中心部位受三向压应力状态，不存在产生裂纹的危险性。

图 4Y 方向应力分布规律

图 5 等效应力分布规律