Bi系高温超导单芯线材拉拔工艺的数值模拟

C 5系高温超导单芯线材拉拔工艺的数值模拟蔡!芳!雷丽萍!赵迎红!曾!攀清华大学先进成形制造教育部重点实验室!北京!"###,)摘要!对高温超导单芯线材的拉拔工艺开展了研究!建立了单芯高温超导线材拉拔工艺的轴对称数值模型!计算分析了拉拔半模角"截面缩减率以及摩擦因数等工艺参数对拉拔工艺的影响#针对拉拔过程中径向体积应变"拉拔力"摩擦损耗能以及残余应力等多指标的优化问题!采用了线性加权和法获得了C 5系高温超导单芯线材拉拔过程中的最优拉拔半模角#关键词!高温超导"拉拔"有限元"工艺参数中图分类号!%&’T (K (!!!文章编号!"##)#"’$*$$##(%"+#$#"###)!5,$()0/%4),5%/*)"6"-G (/2)6’N ("0$88-"(.)45D $(0"6350*)6’4)6’%$Q -)%/,$6*R /D$O -5R -01!43545I 501!‘;-./501;.01!‘301>-0\3?4-F .9-:.9?E .9V D B -0@3D S -06E -@:69501F ?S -:395-7=>9.@3==501%3@;0.7.1?&S 505=:9?.EL D 6@-:5.0&O ;50-&C 35a 501&"###,)&<8*(/0*!%;3D 9-<501I 9.@3==.E -;51;:3H I 39-:693=6I 39@.0D 6@:501=50173Q E 57-H 30::-I3<-==:6D 53D KP 5:;-M 5=?H H 3:95@-7H .D 37.E :;3D 9-<501I 9.@3==501.E :;3=6I39@.0D 6@:.9E 57-H 30:3=:-F N 75=;3D &:;350E 7630@3=.E :;3I 9.@3==501I -9-H 3:39==6@;-=:;3-0173.E :;3D 9-<501D53&@9.==Q =3@N :5.0-793D 6@:5.09-:5.-0D E 95@:5.0@.3E E 5@530:.0:;3D 9-<501I 9.@3==<393-0-7?b 3D K V @@.9D 501:.:;3H 67:5Q.F a 3@:5B 3.I :5H 5b -:5.0I 9.F 73H937-:3D <5:;9-D 5-7B .76H 3:95@=:9-50&D 9-<501E.9@3&E 95@:5.0D 5==5I -:5.030391?-0D93=5D 6-7=:93==3=&7503-9<351;:3D H 3:;.D <-=5H I73H 30:3D:.D 3:39H 503:;3.I :5H 5b 3DD 9-<501-0173K =$>2"(38!;51;:3H I 39-:693=6I 39@.0D 6@:.9"D 9-<501"E 505:3373H 30:H 3:;.D "I 9.@3==501I -N 9-H 3:39收稿日期!$##(##,#$T基金项目!国家自然科学基金资助项目$T #’#T #"T%#!引言经过十几年的努力&C 5系高温超导材料率先实现了产业化技术突破&使超导技术的大规模应用成为可能’银包覆套管法是目前制造C 5系高温超导带材最有前途的方法&即将适当配比的超导氧化物粉末填充到银管内&然后机械加工$拉拔(轧制%成所要求的形状$线或带%&再经过热处理或多次反复的形变热处理&得到最终成品线材)"*’拉拔应力的连续在线测量表明&C ]O O e导线的每道次拉拔都会沿其长度范围内产生显著的应力波动&其主要原因在于银或银合金包套的加工硬化(C ]O O e 前驱粉的致密化以及复合材料对中间退火条件的高度敏感性’通过对上述因素进行细致的研究以及对拉拔速度(减面率(半模角进行优化&可以显著地改善超导线材沿长度方向的均匀性)$*’本文采用V C V i A ]软件&对高温超导单芯线材的拉拔工艺进行数值建模&分析了拉拔半模角(截面缩减率(摩擦因数对拉拔性能的影响’同时&基于线性加权和法&考虑了拉拔过程中拉拔半模角对径向体积应变(拉拔力(摩擦损耗能以及残余应力影响&获得了最佳拉拔半模角’"!有限元模型的建立?K ?!拉拔模型的验证为了考证所建立的拉拔工艺有限元模型的正确性&首先在V C V i A ]+L *>4_O _%环境下&建立纯银线材的轴对称拉拔模型&其中锥形拉拔模的半模角为’g &拉拔前半径为"#H H &拉拔后半径为+H H &摩擦因数取#Y "’由有限元计算结果可知&拉拔过程中纯银线材的稳定拉拔力!1F (#Y $!T !#&其中&!#为纯银的屈服强度’同时&通过上限法)’*&求得纯银线材的稳定拉拔力!1F (#Y $)’!#’可以看出&有限元的计算结果与上限法的计算结果只相差T Y +d &从侧面验证了所建立的有限元模型的正确性’?K @!粉末介质的屈服条件与连续固体介质相比&粉体介质的屈服条件更为复杂&这是由于粉体的塑性屈服不仅与连续固体介质中的偏应力张量有关&还与静水压力有关’因此&连续固体介质常用的B .0S 5=3=屈服函数已不适合描述粉体介质的屈服条件’在此&,#"#$,中国机械工程第"!卷第"+期$##(年"#月上半月万方数据采用^96@G 39>9-139S .D 5E 53D !O -I 模型对超导陶瓷粉体的塑性屈服行为进行描述"该模型包括两个部分##控制剪切流动应力的^96@G 39>9-1N 39剪切失效线$$对静水压力轴进行切分的一个帽子"?K A !高温超导拉拔有限元模型的建立图?!高温超导单芯线材拉拔模型高温超导单芯线材的轴对称模型如图"所示%相应材料的力学性能参数&)’如表"所示"表"中%!("分别为纯银的应力(应变%,(-为实验测定的用于确定静水屈服压应力与塑性体积应变关系的参数$/#为高温超导粉末的初始密度$1为摩擦角$5为粘聚力"表?!材料机械性能参数材料弹性性能杨氏模量>)S >-*泊松比-塑性性能纯银T !’$##K ’,!Z ’$#"#K ’)S >-*高温超导粉末"’!+##K $#,)S >-*-)@H ’!1*/#)1!@H ’*1)g *5)S >-*$#K ("K #$K #T !K ’"T$!结果分析@K ?!拉拔半模角对拉拔工艺的影响由于粉体材料的力学性质%拉拔过程中高温超导单芯线材外层的银管是拉拔应力的主要承受部位"如果拉拔应力过大%将导致拉拔制品频繁地被拉断"对于棒型材料的拉拔%最大拉拔应力应满足&T ’!H -M )D !F)"*式中%!F 为材料的抗拉强度$D 为安全系数%一般取#Y !"拉拔工艺参数中%超导线材拉拔前后的半径分别为"#H H (+H H %摩擦因数取#Y ""经过计算可以发现%计算中所采用的拉拔半模角均能使银所承受的最大拉拔应力小于式)"*中的极限拉拔应力%也就是说%在拉拔过程中不会发生银线断裂的问题%拉拔工艺可以正常进行"在此基础上%我们将对拉拔工艺过程进行分析"拉拔过程中%拉拔力如果过大%则会使制品畸变甚至拉断%因此%减小每道次的拉拔力有重要的意义"图$所示为不同拉拔半模角的稳态拉拔力%锥形拉拔模的半模角越小拉拔力反而越大%拉拔半模角为+g 时拉拔力达到了最小值"这是因为拉拔半模角越小%要达到相同的截面缩减率时拉拔模的长度更长%从而增大了摩擦面%由此提高了稳态拉拔时的拉拔力"为了考察拉拔过程中拉拔半模角对高温超导粉体密实均匀性的影响%本文中采用径向体积应变标准值进行表征"径向体积应变的标准偏差反映了体积应变分布的均匀性"标准偏差越小%体积应变分布越均匀%拉拔变形后密度的分布越均匀"因此%减小径向体积应变的标准偏差对提高制品的质量有重要的意义"不同拉拔半模角对径向体积应变标准偏差曲线如图’所示%可以看出%拉拔半模角为’g 时的径向体积应变的标准偏差值最小%这可能是因为拉拔半模角较小时%拉拔时模具与高温超导线材的接触长度较长%拉拔过程中几何形状变化比较缓慢%由此使纯银管内的高温超导粉体密实均匀性较好%但是%过小的拉拨半模角将提高摩擦力%也在一定程度上降低了粉体密实的均匀性"图@!拉拔半模角L 拉拔力曲线!!图A !拉拔半模角L 径向体积应变标准偏差曲线减小拉拔过程中的摩擦损耗能可以提高拉拔效率"图)所示为不同拉拔半模角的摩擦损耗能%拉拔半模角越大%摩擦损耗能越小"由上可知%随着拉拔半模角的增大%模具与线材的接触摩擦面减小%从而摩擦损耗能变小"拉拔品中的残余应力是极为有害的%它是产生应力腐蚀和裂纹的根源"图T 所示为不同拉拔半模角的残余应力%拉拨半模角小于T g 时残余应力较小%大于T g 时残余应力基本不变"当拉拔半模角较小时%拉拔线材的变形过渡较为缓慢%变形比较均匀%因此的残余应力也相对较小"@K @!最优拉拔半模角的确定拉拔半模角对拉拔过程中的拉拔力(径向体积应变(摩擦损耗能以及残余应力等多种因素产生影响%如何获得一个最优的拉拔模%将是一个多目标的优化问题%本文采用了线性加权和法对C 5系高温超导单芯线材拉拔过程中的拉拔半模角进行优化"+""#$+C 5系高温超导单芯线材拉拔工艺的数值模拟,,,蔡!芳!雷丽萍!赵迎红等万方数据图B !拉拔半模角!摩擦损耗能曲线!!图H !拉拔半模角L 残余应力曲线首先!将拉拔半模角对拉拔过程中拉拔力"径向体积应变"摩擦损耗能以及残余应力等拉拔性能值进行归一化处理!然后根据拉拔工艺的要求!对相对重要的均匀性指标给予较大的权系数#在此!由于我们的主要目标为拉拔后银管内的高温超导粉体密实均匀性!因此!取径向体积应变的标准偏差的归一化值中的权系数为#Y !!其他拉拔性能归一化值的权系数为#Y "!将这些拉拔性能参量归一化后进行加权相加!所得结果如图(所示#从图(可以看出!拉拔半模角为’g 时其加权和值最小#由此可看出!高温超导带材拉拔前后半径分别为"#H H "+H H !摩擦因数取#Y "等拉拔工艺条件下!此高温超导单芯线材拉拔过程中的最优拉拔半模角为’g#图I !不同拉拔模角的综合性能@K A !截面缩减率对拉拔工艺的影响图!所示为不同截面缩减率时的拉拔力!可以看出!截面缩减率越大拉拔力越大#这是因为截面缩减率越大!所需拉拔模的长度越长!摩擦力越大!因此稳态时的拉拔力也越大!摩擦损耗能也越大#不同截面缩减率与摩擦损耗能关系曲线如图,所示#图M !拉拔截面缩减率L 拉拔力曲线!!图V !拉拔截面缩减率L 摩擦损耗能曲线图+所示为不同截面缩减率时的径向体积应变的标准偏差曲线!可以看出!随着截面缩减率的增大!单芯线材体积应变的分布呈均匀的趋势#图"#所示为不同截面缩减率下的残余应力!可以看出!残余应力随截面缩减率的增大而增大#图Q !拉拔截面缩减率L 径向体积应变标准偏差曲线图?J !拉拔截面缩减率L 残余应力曲线@K B !摩擦因数对拉拔工艺的影响图""所示为拉拔过程中不同摩擦因数下的拉拔力曲线!可以看出!拉拔力随摩擦因数的增大而增大!其摩擦损耗能也应随之增加#图"$所示为不同摩擦因数的残余应力曲线!可以看出!摩擦因数越大!粉体的残余应力反而减小!这也许是当摩擦因数增大时!变形主要集中在银管内!变形无法传递到银管内的超导粉体中!因此粉体的残余应力相对降低#图??!拉拔时摩擦因数L 拉拔力曲线!!图?@!拉拔时摩擦因数L 残余应力曲线’!结论$"%随着拉拔半模角增大!拉拔力与摩擦损耗能也随之增大!体积应变的分布越不均匀!但残余应力的变化不大#基于线性加权和法!考虑了拉拔过程中拉拔半模角对径向体积应变"拉拔力"摩擦损耗能以及残余应力等多因素的影响#由计算可知!在该拉拔工艺参数条件下!最优拉拔模角为’g#$$%随着截面缩减率的增大!拉拔力"摩擦损耗能以及残余应力均呈上升的趋势!而体积应变的分布也越均匀#$’%随着摩擦因数的增大!拉拔力与摩擦损耗能增大!粉体的残余应力反而有所减小#&$"#$&中国机械工程第"!卷第"+期$##(年"#月上半月万方数据"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""!!!)"本文分析结果对高温超导单芯线材拉拔工艺优化具有一定的参考价值#参考文献$%"&!张劲松’康伟K C5系高温超导线材的发展历史及应用现状%[&K新材料产业’$##)’"$,!!"$(T!!"K%$&!易汉平’张劲松’刘庆’等K实用C5系高温超导带材%[&K中国有色金属学报’$##)’")!""$’)"!’)(K %’&!艾维超C K金属成形工艺与分析%S&K王学文’译K 北京$国防工业出版社’"+,,K%)&!&69=.0V4’/6-0^PKS-:395-7S.D37E.9-O3N 9-H5@>.<D39C-=3D.0A7:9-=.60D’%U]C30DC-9’-0D V M5=?H H3:95@%95-M5-7O.H I93==5.0%3M:U3N 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S>#!引言拉深筋在汽车覆盖件工艺设计过程中占有重要的地位#合理设置拉深筋’可以有效地阻止薄板在冲压成形过程中发生起皱缺陷’使薄板的塑性流动更趋均匀’从而允许薄板发生更大的塑性应变’提高板料的弹性极限以及成形件的刚度和强度#收稿日期$$##(*#,*#,基金项目$国家自然科学基金资助项目!T#T!T#,#"在很多情况下’拉深筋设置得是否合理决定着冲压成形过程的成败#在进行拉深筋设计时’还必须考虑拉深筋布置的位置(拉深筋的形状(拉深筋的道数等问题#因此’在产品早期设计阶段’工程技术人员就需要一个方便快捷的辅助工具’能对设计的产品进行工艺辅助分析’在设计阶段就充分考虑产品的工艺性’避免重大的工艺设计缺陷#一些学者在基于形变理论的有限元逆算法方面作了一定的研究%"!T&#一些比较著名的基于逆算+’"#$+基于有限元逆算法的拉深筋工艺设计和优化***章志兵!柳玉起!杜!亭等万方数据。