疏松结构FM法压实疏松结构FEM模拟优化

2022/07/16135 作者：佚名

导读：随着电力装备装机容量的大型化，其大锻件所用钢锭也越来越大，当前我国百万KW级核电大锻件最大钢锭已达到600吨级。钢锭在冶金和铸锭过程中不可避免地存在疏松、空洞等冶金缺陷。随着钢锭尺寸增大，冶金缺陷产生的可能性也越大。因此，锻造过程中压实疏松等内部缺陷是生产优质大锻件的关键之一。 20世纪70年代以来，国内外学者就钢锭心部缺陷压实做了大量研究，并提出了JTS、WHF、FM等拔长工艺。早期应用有限元研

随着电力装备装机容量的大型化，其大锻件所用钢锭也越来越大，当前我国百万KW级核电大锻件最大钢锭已达到600吨级。钢锭在冶金和铸锭过程中不可避免地存在疏松、空洞等冶金缺陷。随着钢锭尺寸增大，冶金缺陷产生的可能性也越大。因此，锻造过程中压实疏松等内部缺陷是生产优质大锻件的关键之一。

20世纪70年代以来，国内外学者就钢锭心部缺陷压实做了大量研究，并提出了JTS、WHF、FM等拔长工艺。早期应用有限元研究了上下平砧锻造过程中孔洞的闭合；通过有限元分析WHF法及FM法对压实心部孔隙的效果；对大钢锭内部空洞锻合过程进行模拟和试验研究。研究锻造条件对毛坯内部孔洞闭合的影响；对镦粗过程中锻件内孔洞缺陷进行光塑性模拟和数值模拟；利用有限元法研究大锻件内部空洞闭合条件；通过建立与实际缺陷外形相同的有限元模型来模拟孔洞变化规律。限于当时研究条件，绝大多数都是以人工模拟孔洞缺陷作为工艺优化判据，显然这种方法对孔洞等缺陷是较为适宜的，但对于疏松这种孔隙型缺陷则相差较大。为此研究件FM法拔长方坯的主变形阶段，设计了四因素三水平的正交表，以密度作为疏松压实评价指标，考察温度、压下率、砧宽比、摩擦因子四个参数对疏松材料致密化过程影响的主次顺序，从而为后期的以压实疏松为目标的大型锻件锻造工艺的优化奠定基础。

疏松结构疏松材料模型

疏松材料致密化过程以DEFORM-3D软件中多孔材料模型进行数值模拟，多孔材料数学模型如下：

AJ'₂ BJ²₁=Y²_R=Y²₀

图2 疏松材料有限元模型其中A=2 R²、B=1-A/3、δ=2R²-1，R为相对密度，J'₂为应力偏张量第二不变量，J₁为应力第一不变量，Y_R为多孔材料屈服应力，Y₀为实体材料屈服应力。疏松材料数值模拟有限元模型如图2所示，横截面尺寸200mm×200mm，长度300mm，中心直径150mm范围作为疏松部分赋予初始相对密度0.8，外层密度为1。