管件液壓成形過程的有限元分析及實驗研究

1、年第卷第期（總第期）中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）（）（）文章編號：（）管件液壓成形過程的有限元分析及實驗研究高振莉，張晶賢（北京建筑工程學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，北京）摘要：以圓管變形為管球相間零件為研究對象，對液壓成形這種新工藝進(jìn)行研究采用計算機(jī)數(shù)值模擬與試驗相結(jié)合的方法，分析了圓管液壓成形過程管件液壓成形主要有褶皺和破裂兩種失效形式，而成形控制中最主要的參數(shù)之一是壓力，即管件內(nèi)部壓力和軸向壓力在對不同加載路徑進(jìn)行分析后，得出模擬結(jié)果與相同條件下的實驗結(jié)果比較吻合的結(jié)論研究表明了液壓成形工藝中加載路徑（內(nèi)壓力與軸向壓力的配比關(guān)系）的重要性，同時也證實了用計算機(jī)模擬仿真液壓成形過程具有一定的可靠性

2、關(guān)鍵詞：液壓成形；有限元法；模擬；加載路徑；中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：，（，）：，（，）：；引目液壓成形（）技術(shù)是利用液體壓力使工件產(chǎn)生塑性變形的一種新型制造工藝方法，它主要用于制造空心零件，屬于少無切削、精確（半精確）、節(jié)能環(huán)保的成形加工技術(shù)由于此技術(shù)的特殊方式，因此生產(chǎn)的零件材質(zhì)均勻，具有較高的強(qiáng)度、剛度，可承受彎曲、扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜應(yīng)力，且重量輕、節(jié)約材料，對工件能起到“以空代實”的作用，因而受到了航空、航天、軍事及汽車制造業(yè)的青睞¨，近年來在國內(nèi)外受到收稿日期：基金項目：北京市教委科技發(fā)展資助項目（）作者簡介：高振莉（一），女，副教授主要從事機(jī)械制造、材料成形方面的研究（總第期）管件

3、液壓成形過程的有限元分析及實驗研究（高振莉等）廣泛重視目前，日本、德國、美國等國都對該技術(shù)做了大量研究，并且成功地應(yīng)用于航空、航天、汽車、化工、機(jī)械、建筑等領(lǐng)域在我國雖然液壓成形技術(shù)研究的步伐日益加快，但至今應(yīng)用的范圍還非常有限，為了能夠更好地控制液壓成形零件的質(zhì)量，研究和預(yù)測脹形中可能出現(xiàn)的缺陷，通過計算機(jī)模擬仿真的方式來再現(xiàn)成形過程是十分必要的有效手段液壓成形原理管件液壓成形的原理是將欲加工的管坯置于模具中，在管坯內(nèi)加入高壓油，由于管內(nèi)壁受均勻壓力的作用因而產(chǎn)生了塑性變形為了保持管內(nèi)高壓的狀態(tài)，在實際成形的工藝過程中管的兩端還需加軸向密封推進(jìn)力，其原理如圖所示要使管件在成形過程中不出現(xiàn)折皺

4、和破裂等缺陷，軸向密封力與內(nèi)壓力之間需要得到恰當(dāng)?shù)目刂魄蓤D圓轡液壓成形原理圖圓管液壓成形過程的有限元模擬本文所選零件為柱形管坯通過液壓成形的方法變形為中間球形、兩端柱形的零件有限元軟件選為要想得到切合實際的模擬結(jié)果，必須把握有限元分析中的幾個關(guān)鍵問題單元類型的選取單元類型的選取是影響模擬成形精度的關(guān)鍵之一，優(yōu)良的單元既要有一定的剛性（抗畸變能力），以避免網(wǎng)格再劃分，又必須有一定的柔性（良好的變形能力），以便精確地模擬金屬的塑性變形情況為避免模型沙漏現(xiàn)象，這里通過適當(dāng)?shù)卦黾訌椥詣偠葋硐陈┍灸M中管件為薄壁圓管，考慮到顯式動力分析以及管壁材料彎曲的需要，選用單元劃分網(wǎng)格；為正確模擬管件屈曲，采

5、用算法；模具采用單元，但采用剛體模型來考慮網(wǎng)格的劃分在有限元模擬分析中，增加劃分網(wǎng)格密度可以提高計算結(jié)果的精度，但網(wǎng)格劃分的越密，模擬計算量越大，模擬的時間將越長方案中管坯初始長度、內(nèi)徑、厚度分別取，由于管材、模具幾何形狀、載荷及邊界條件都是軸對稱的，為了節(jié)約時間，減少空間，模型僅選用圓柱的來計算，共個單元，計算時間約為模具工件模型及單元劃分如圖所示材料參數(shù)及幾何尺寸管坯為冷拔無縫鋼管，根據(jù)材料的特性及變形特點選定參圖模具工件模型及單元劃分?jǐn)?shù)，如表所示表材料性能及幾何參數(shù)屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度硬化強(qiáng)度應(yīng)變硬化指數(shù)管坯長度管坯內(nèi)徑管坯壁厚材料牌號密度彈性模量泊松比中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）年第期計算機(jī)

6、模擬及實驗分析在液壓成形過程中，管件主要受到兩種載荷：管內(nèi)部的液體壓力和管兩端的軸向載荷這兩個載荷隨時間變化的分布關(guān)系是工件能否按要求成形而不出現(xiàn)失效的關(guān)鍵所在經(jīng)過多次的計算機(jī)模擬和實驗的反復(fù)驗證，總結(jié)出了以下種加載路徑，它們分別對應(yīng)了種情況：第一種情況：如圖所示，圖（）表示管內(nèi)部的液體壓力與管兩端的軸向壓力隨時間變化的分布曲線，在這種加載模式下，可得到如圖（）所示的實驗成形圖；用計算機(jī)模擬的方法來解釋這種現(xiàn)象，從圖（）中可知，當(dāng)管件的軸向壓力始終保持在時，管件未達(dá)到要求的形狀就產(chǎn)生破裂，其原因是此時管內(nèi)金屬在最大變形處的應(yīng)力約為，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了材料的強(qiáng)度極限，而導(dǎo)致管件破裂是什么使管件處在這樣的

7、應(yīng)力狀態(tài)？這主要是由于軸向壓力的不足引起的在實驗中當(dāng)管件的軸向壓力保持在時，只能起到對管件兩端的密封作用，并不能促使管端金屬向中部移動從而起到補(bǔ)充材料的作用，此時管件的變形等于是在局部受到很大的力，因而產(chǎn)生失效重，：（）（）破裂管件圖破裂管件分析（）管件等效應(yīng)力圖第二種情況：如圖所示，圖（）表示管內(nèi)部的液體壓力與管兩端的軸向壓力隨時間變化的分布曲線，在這種加載模式下，可得到如圖（）所示的實驗圖，對比計算機(jī)模擬結(jié)果圖（）有：當(dāng)管件的軸向壓力隨著內(nèi)壓力由上升到時，管件出現(xiàn)了圖（）所示的兩端突起、中間下凹的形狀，此時再繼續(xù)加大內(nèi)壓力則管件破裂，最終管件未能達(dá)到模具所要求的形狀，其原因?qū)φ請D（）可以看

8、出：管內(nèi)變形區(qū)金屬等效應(yīng)力的最大值已達(dá)到為，接近硬化材料的強(qiáng)度極限值，此時再想靠調(diào)節(jié)內(nèi)壓來達(dá)到理想的變形是不可能的這種情況通常稱為起皺，是繼破裂后的又一種失效形式造成管件起皺的主要原因是軸向壓力過大引起的尤其是在變形的初期，管內(nèi)壓力還未達(dá)到較大時，管端過多的金屬在軸向力的作用下向中部滑移，造成了金屬的堆積，給中部變形增加了阻力，因而出現(xiàn)了中部變形小，兩側(cè)變形大的結(jié)果星軋一：，口，：，占（）（）加載路徑（）起皺管件（）管件等效應(yīng)力圖圖起皺管件分析第三種情況：如圖所示，圖（）表示管內(nèi)部的液體壓力與管兩端的軸向壓力隨時間變化的分布曲線，在這種加載模式下，可得到如圖（）所示的實驗圖，對比計算機(jī)模擬結(jié)果

9、圖（）有：當(dāng)管件的軸向壓力隨著（總第期）管件液壓成形過程的有限元分析及實驗研究（高振莉等）內(nèi)壓力由上升到時，管件可得到模具所要求的形狀尤其是在管的內(nèi)壓接近時，需要將軸向壓力逐步增大到，再進(jìn)行一段時間的保壓，即可得到合格的工件此時的應(yīng)力分布（圖（）表明：管件變形區(qū)內(nèi)的最大等效應(yīng)力值為，遠(yuǎn)小于材料硬化強(qiáng)度值比較兩側(cè)的等值線圖發(fā)現(xiàn)，此時管件應(yīng)力分布較均勻，對稱性好，從管端到中間的應(yīng)力等值線依次均為，且形狀分布相似，是較理想的成形工件罷氙：矗，十，占（）（）加載路徑（）合格管件（）管件等效應(yīng)力圖圖合格管件分析結(jié)論）管件的內(nèi)壓力與軸向壓力的合理匹配關(guān)系是液壓成形成功與否的關(guān)鍵所在，通過上述的計算、實驗和

10、分析，基本上掌握了類似管件成形的規(guī)律，為剛性聯(lián)接的萬向球接軸空心零件生產(chǎn)提供了一種新的工藝方法和具體實現(xiàn)途徑）對于液壓成形這種新型工藝而言，利用計算機(jī)模擬是提高分析效率的有效途徑但由于模擬的近似性、有限元方法和邊界條件的復(fù)雜性，目前的模擬計算結(jié)果還尚顯不足，不能為生產(chǎn)提供完全可靠的精確數(shù)據(jù)，因此實驗研究還是十分必要的，只有有效地將兩者結(jié)合起來，互相對比，反復(fù)論證方能達(dá)到預(yù)期的目的參考文獻(xiàn)：，：，（）：，：楊兵，宋忠財，張衛(wèi)剛，等管件液壓成形的影響因素上海交通大學(xué)學(xué)報，（）：，（）：（）程東明，苑世劍，安學(xué)良內(nèi)壓對型三通管內(nèi)高壓成形影響研究塑性工程學(xué)報，（）：，（）：（）蘇嵐，王先進(jìn)，唐狄，等型

11、管液壓成形過程的有限元分析北京科技大學(xué)學(xué)報，（）：，：，（）：（），（），：管件液壓成形過程的有限元分析及實驗研究作者：作者單位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次數(shù)：高振莉， 張晶賢， GAO Zhen-li， ZHANG Jing-xian北京建筑工程學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院,北京,100044中北大學(xué)學(xué)報JOURNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CHINA2008，29(4)0次參考文獻(xiàn)(7條)1.Lee Munyong.Sohn Sungman.Kang Changyoung Study on the hydroforming process for automob

12、ile radiatorsupport members 20022.Kim J.Kang B S.Hwang S M Numerical prediction of bursting failure in tube hydroforming by the FEMconsidering plastic anisotropy 2004(153-154)3.Mac B J D.Hashmi M S J Analysis of die behaviour during bulge forming operations using the finiteelement method 20027.Koc M

13、.Ahan T Application of two dimensional (2D) FEA for the tube hydroforming process 2002相似文獻(xiàn)(8條)介紹了管件液壓成形數(shù)值模擬技術(shù)的研究進(jìn)展,并結(jié)合實例對軸對稱零件和非對稱零件的管件液壓成形的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析,揭示了數(shù)值模擬不僅能準(zhǔn)確地反映管件液壓成形過程,預(yù)測成形缺陷和給出壁厚分布,而且可以方便地調(diào)整內(nèi)壓與軸向位移的匹配關(guān)系,以獲得最佳的加載路徑,最后指出了管件液壓成形數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展方向.2.學(xué)位論文 王會鳳 多通管液壓脹形成形研究及過程控制 2004管材塑性加工是用管材作毛坯,通過塑性加工手段,制

14、造管材零件的一種先進(jìn)的加工技術(shù).由于容易滿足塑性成形產(chǎn)品輕量化、強(qiáng)韌化和低耗高效、精確制造等方面的要求,管材塑性加工已成為先進(jìn)塑性加工技術(shù)面向21世紀(jì)研究與發(fā)展的一個重要方向.管材脹形研究作為管材塑性加工的一個重要方面,已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點之一.文中詳細(xì)介紹了多通管液壓脹形的機(jī)理及力學(xué)分析,并在此基礎(chǔ)上建立了液壓脹形有限元數(shù)值模擬模型,結(jié)合不同的工況,對軸向壓縮脹形和復(fù)合脹形兩種方法過程進(jìn)行了模擬,分析研究了脹形方法及工藝參數(shù)對應(yīng)力、應(yīng)變、變形量、壁厚減薄的影響,為多通管液壓脹形工藝參數(shù)優(yōu)化和過程控制提供可靠的理論依據(jù).該文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1.在深入分析多通管液壓脹形原理、成形過

15、程及工藝特點的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)計算出多通管液壓脹形中成形力的估算值,為建立有限元數(shù)值模擬模型提供了可靠的依據(jù);2.在深入研究彈塑性有限元數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上,合理確定摩擦條件、接觸條件、時間步長、收斂準(zhǔn)則等相關(guān)參數(shù),建立了多通管液壓脹形的三維彈塑性有限元模型;3.運用多通管液壓脹形的三維彈塑性有限元模型,對多通管軸向壓縮脹形、復(fù)合脹形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并分析了摩擦系數(shù)、過渡圓角半徑、加載路徑等參數(shù)對脹形過程應(yīng)力應(yīng)變分布、最大變形量、壁厚減薄的影響.具體結(jié)論為:1)多通管液壓脹形時,采用復(fù)合脹形方法無論從最大變形量,還是應(yīng)力應(yīng)變分布上考慮,都優(yōu)于軸向壓縮脹形方法;2)摩擦應(yīng)在保障最大支管高度的情況

16、下減至最小,過渡圓角半徑應(yīng)在要求的范圍內(nèi)增至最大,內(nèi)壓與軸壓的比值控制在1:3時得到的模擬結(jié)果最優(yōu);3)復(fù)合脹形中采用逐漸加載優(yōu)于直接加上所有載荷,在脹形到一定程度時再逐步加上反壓,所得結(jié)果優(yōu)于與軸壓、內(nèi)壓同時加載,并模擬得到最佳加載路徑.建立T型管液壓成形的有限元分析模型,對成形支管高度和管壁厚度的分布進(jìn)行了模擬,與試驗結(jié)果的比較證實了該模型的有效性.提出了綜合反映T型管件液壓成形性能的評價指數(shù),對在不同的材料各向異性系數(shù)r值、應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)n值以及不同加載路徑、摩擦系數(shù)等工藝參數(shù)下的T型管件液壓成形分別進(jìn)行計算分析,討論了這些因素對成形性能的影響.研究結(jié)果為有限元方法在管件液壓成形中的應(yīng)用奠

17、定了一定基礎(chǔ).摩擦對管材液壓成形有極大的影響,管材摩擦因數(shù)的確定是一項極其重要的工作.在分析比較現(xiàn)有測試方法的基礎(chǔ)上,基于徑壓脹形原理及其變形規(guī)律提出確定管材液壓成形脹形區(qū)摩擦因數(shù)的新模型.該模型以恒定內(nèi)壓力下圓形管材徑壓脹形成方形斷面后,以斷面對角線長度差作為確定摩擦因數(shù)的測量指標(biāo).對比對角線長度差的有限元數(shù)值模擬結(jié)果及實測結(jié)果,以此確定管材液壓成形時脹形區(qū)的摩擦因數(shù).對低碳鋼及不銹鋼管的有限元數(shù)值模擬分析表明:對角線長度差與摩擦因數(shù)及內(nèi)壓力均成指數(shù)關(guān)系,該長度差對摩擦力很敏感且可方便測量,也可作為針對管材液壓成形脹形區(qū)潤滑劑特性的評定指標(biāo).所提出的新模型具有簡單、實用等優(yōu)點.5.學(xué)位論文 滕步剛 殼體內(nèi)約束無模液壓成形的數(shù)值模擬與實驗研究 2002無模脹球是一種內(nèi)外皆無附加約束的自由脹形,在擴(kuò)大應(yīng)用范圍過程中,出現(xiàn)了一些有待解決的問題.殼體內(nèi)約束無模液壓成形是繼無模脹球法后提出的一種新型液壓成形方法,是以往環(huán)形容器液壓成形的一種合理發(fā)展.該文介紹了國內(nèi)外殼體無模液壓成形工藝的應(yīng)用概況及研究進(jìn)展,還論述了有限元法在板材成形中的應(yīng)用概況,指出了殼體內(nèi)約束液壓成形技術(shù)的重要意義和應(yīng)用前景.應(yīng)用動態(tài)顯式有限元法,建立了T型管液壓成形分析模型