(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111340852.1 (22)申请日 2021.11.12 (71)申请人 南京工程学院 地址 211167 江苏省南京市江宁区科 学园 弘景大道1号 (72)发明人 张振　谢斌　查光成　白嘉旭　 端宇航　郭孟雨　 (74)专利代理 机构 南京钟山专利代理有限公司 32252 代理人 张明浩 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 119/04(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于有限元模拟的预应力冷挤压模具 寿命预测方法 (57)摘要 本发明公开了一种基于有限元模拟的预应 力冷挤压模具寿命预测方法， 步骤一、 建立冷挤 压模具的三维表征的模具S ‑N曲线和应变 ‑循环 次数曲线： 在冷挤压模具应变、 应力分别 作为X、 Y 轴的基础上， 建立一个垂直于应力应变坐标的Z 轴， 用来记录模具打击的循环次数N， 将循环次数 N用柱状图表示出来， 柱 状图在应力 ‑循环次数坐 标平面内的投影， 则符合冷挤压模具寿命S ‑N曲 线的特征； 步骤二、 在冷挤压模具的冷挤压模具 内增加一个标准预应力件， 使冷挤压模具获得相 对于模具打击的预应力， 然后重复步骤一， 步骤 三、 进行有限元仿真实验。 本发明能预测模具的 寿命， 进而得出最优化设计 。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 113919202 A 2022.01.11 CN 113919202 A 1.一种基于有限元模拟的预应力冷挤压模具寿命预测方法， 其特 征是： 包括以下步骤： 步骤一、 建立冷挤压模具的三维表征的模具S ‑N曲线和应变 ‑循环次数曲线： 在冷挤压 模具应变、 应力分别作为X、 Y轴的基础上， 建立一个垂 直于应力应变坐标的Z轴， 用来记录模 具打击的循环次数N， 将 循环次数N用柱状图表示出来， 柱状图在应力 ‑循环次数坐标平 面内 的投影， 则符合冷挤压模具寿命S ‑N曲线的特征， 柱状图在应变 ‑循环次数坐标平面内的投 影， 为应变‑循环次数曲线； 步骤二、 在冷挤压模具的冷挤压模具内增加一个标准预应力件， 使冷挤压模具获得相 对于模具打击的预应力， 然后重复步骤一， 直至冷挤压模具 的冷挤压模具内的标准预应力 件数量达 到预设值； 步骤三、 建立有限元仿真模型， 在有限元软件中依据S ‑N曲线和应变 ‑循环次数曲线制 定参数， 进行有限元仿真实验； 步骤四、 通过有限元仿真实验获得的数据来预测预应力冷挤压模具寿命。 2.根据权利要求1所述的一种基于有限元模拟的预应力冷挤压模具寿命预测方法， 其 特征是： 步骤一中， 先基于厚壁圆筒理论， 建立冷挤压过程中预应力冷挤压模具的力学模 型， 然后建立冷挤压模具的三维表征的模具S ‑N曲线和应 变‑循环次数曲线， 具体为： 步骤1.1建立厚壁圆筒理论的力学模型， 根据拉梅公式， 得出厚壁圆筒半径r处的切应 力σt及径向应力σr公式如下： 冷挤压模具可看作是一个厚壁圆筒， 式中r1、 r2分别为厚壁圆筒的内、 外径； p1、 p2为圆筒 所受的内压和外 压； 步骤1.2建立冷挤压过程中预应力冷挤压模具的力学模型， 可得到切向预应力σt和径向 预应力σr的计算式如下： 由于冷挤压模具与标准预应力件之间有过盈量， 从而产生预应力 当将p1＝0, 代入式(1)时， 即可求得式(2)。 3.根据权利要求1所述的一种基于有限元模拟的预应力冷挤压模具寿命预测方法， 其 特征是： 步骤三中， 建立有限元仿 真模型， 在有限元软件中依据S ‑N曲线和应变 ‑循环次数曲 线制定参数， 进行有限元仿真实验的具体步骤为： 步骤2.1建立有限元仿真模型： 通过建模软件构造本次模拟冷挤压成形过程中所需要的具有冷挤压模具的冷挤压模 具、 标准预应力件和坯料模型， 然后导入到有限元模拟软件中得到所需要的有限元仿真模权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 113919202 A 2型； 在有限元软件中进 行挤压成形过程的参数设置， 坯料设置为 塑性体， 冷挤压模具设置为 弹塑性体， 冷挤压模 具的弹性模量根据应变 ‑循环次数曲线确定， 标准预应力件设置为 弹性 体， 根据实验内容设置好材 料特性、 运动条件、 加载 条件、 边界条件； 步骤2.2有限元仿真实验结果： 用模拟软件依照设置好的工艺参数和构建好的模型进行有限元仿真分析， 得到冷挤压 模具在工作过程中的应力 ‑应变场的分布状况， 通过对不同数量下标准预应力件的模拟， 分 析研究在不同大小数值预应力下冷挤压模具的应力应 变分布。 4.根据权利要求1所述的一种基于有限元模拟的预应力冷挤压模具寿命预测方法， 其 特征是： 步骤四中通过有限元仿真实验获得的数据来预测预应力冷挤压模 具寿命的具体方 法为： 根据不同数量下标准预应力件得到的应力应变情况， 由于冷挤压模具承受 的是多向应 力的作用， 依据 Van‑Mises屈服法则， 利用(3)式把冷挤压模 具的多向应力转化 成单向应力， 即等效应力； 求出冷挤压模具多向应力的等效应力后， 利用局部应力应变法来推算冷挤压模具的寿 命， 式(4)为局部应力应 变法公式： 其中， Nf为疲劳寿命； Δσ 为应力范围， Δσ ＝σmax‑σmin， σmax、 σmin分别为应力循环中的最大 和最小应力； σ'f为疲劳强度系数； b为疲劳强度指数； 绘制相应的应力 ‑应变‑寿命的三维数据图， 得到了冷挤压模具的三维S ‑N曲线图， 从而 预测不同大小数值预应力下冷挤压模具的寿命。 5.根据权利要求3所述的一种基于有限元模拟的预应力冷挤压模具寿命预测方法， 其 特征是： 所述坯料材料只考虑塑性变形， 所述冷挤压模具考虑弹塑性变形， 所述标准预应力 件材料只考虑弹性变形。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 113919202 A 3