薄壁管數(shù)控彎曲精確成形技術(shù)是管彎曲技術(shù)向先進(jìn)塑性加工技術(shù)發(fā)展的必

1、林艷，薄壁管數(shù)控彎曲成形過程失穩(wěn)起皺的數(shù)值模擬研究，西北工業(yè)大學(xué)博士論文 摘錄薄壁管數(shù)控彎曲精確成形技術(shù)是管彎曲技術(shù)向先進(jìn)塑性加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。然而這是一個(gè)多因素禍合交互作用下可能發(fā)生失穩(wěn)起皺的復(fù)雜物理過程。特別是航空、航天高技術(shù)的發(fā)展要求彎管零件的壁更薄、口徑更大、彎曲半徑更小和成形精度更高，這使得對(duì)失穩(wěn)起皺的預(yù)測(cè)和控制成為薄壁管精確彎曲成形技術(shù)研究與發(fā)展迫切需要解決的難題。因此本文采用有限元模擬技術(shù)與起皺能量預(yù)測(cè)準(zhǔn)則相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁管數(shù)控彎曲過程起皺缺陷的分析和預(yù)測(cè)，對(duì)提高薄壁彎管制品的質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低成本具有重要意義。本文系統(tǒng)深入地研究了薄壁管數(shù)控彎曲成形過程三

2、維剛塑性有限元模擬分析中的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出了有效的算法和處理方法:提出了相對(duì)自由度與絕對(duì)自由度相結(jié)合的殼單元，使得速度邊界條件的處理可通過簡單、有效的置“1法或置大數(shù)法來實(shí)現(xiàn);采用了三次因式法確定收斂因子，不僅提高了有限元求解過程的計(jì)算效率，同時(shí)也保證了有限元迭代過程的收斂性。本文提出了描述薄壁管彎曲過程中失穩(wěn)起皺波形的數(shù)學(xué)模型;進(jìn)而基于薄殼小撓度彎曲理論和最小能量原理建立了預(yù)測(cè)起皺的能量準(zhǔn)則;將預(yù)測(cè)準(zhǔn)則與有限元模擬系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)起皺的數(shù)值預(yù)測(cè)。本文自主開發(fā)了薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的起皺數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D，包括模具型腔曲面的幾何描述、管坯初始網(wǎng)格的自動(dòng)劃分、動(dòng)態(tài)邊界條件的處理

3、和摩擦問題的處理、剛塑性有限元模擬分析、變形體幾何構(gòu)形與場(chǎng)變量的顯示以及起皺預(yù)測(cè)等功能。該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成形過程的數(shù)值模擬分析，而且可用于對(duì)成形過程中失穩(wěn)起皺現(xiàn)象的數(shù)值預(yù)測(cè)。采用所開發(fā)的薄壁管數(shù)控彎曲成形過程起皺數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)深入研究了鋁合金和不銹鋼薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的變形特點(diǎn)，獲得了以下的主要結(jié)果:(1)兩種管坯材料的整體變形、等效應(yīng)變場(chǎng)分布、塑性變形區(qū)分布、塑性變形能與西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文起皺能比值隨彎曲角度的變化規(guī)律及大小基本一致;而兩者切向應(yīng)力場(chǎng)分布隨彎曲角度的變化規(guī)律一致，只是不銹鋼管所受的切向應(yīng)力值大于鋁合金管所受的切向應(yīng)力。(2)管數(shù)控彎曲成形過程中應(yīng)力和應(yīng)變中性層的內(nèi)

4、移現(xiàn)象不顯著。(3)在成形的初始階段管坯所受的最大切向壓應(yīng)力不斷增加;但當(dāng)最大切向壓應(yīng)力超過一定值后，管坯進(jìn)入穩(wěn)定變形階段，最大切向壓應(yīng)力只在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)。(4)在變形初期管坯塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)展;管坯進(jìn)入穩(wěn)定變形階段以后，各變形階段塑性區(qū)形狀及尺寸基本保持一致，而已變形部分不斷發(fā)生卸載。(5)塑性變形能與起皺能的比值隨著管彎曲成形過程的進(jìn)行是不斷波動(dòng)變化的，但存在一個(gè)最大值。應(yīng)用所開發(fā)的起皺預(yù)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)由失穩(wěn)起皺所決定的管坯最小彎曲半徑一成形極限進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，揭示了不同成形參數(shù)對(duì)管坯最小彎曲半徑的影響規(guī)律:(1)當(dāng)芯棒伸出長度足夠時(shí)，彎曲半徑對(duì)管坯失穩(wěn)起皺的影響不大;而當(dāng)芯棒長度不足

5、時(shí)，隨著彎曲半徑的減小管坯發(fā)生起皺的趨勢(shì)增加。芯棒伸出量的增加可提高管坯基于失穩(wěn)起皺的成形極限;當(dāng)芯棒伸出量足夠時(shí)，即使得管坯彎曲時(shí)的壓縮塑性變形區(qū)完全受到剛性芯棒的約束，其它成形參數(shù)不影響管坯的最小彎曲半徑。(2)隨著管徑的增加，由起皺所決定的管坯最小彎曲半徑成線性增長。(3)加工速度的變化對(duì)管坯成形極限的影響不大。(4)隨著硬化指數(shù)值由小變大，管坯的最小彎曲半徑先減后增。(5)應(yīng)力強(qiáng)度系數(shù)的變化不影響管坯最小彎曲半徑。(6)摩擦系數(shù)的變化將使得管坯最小彎曲半徑在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。關(guān)鍵詞:薄壁管，數(shù)控彎曲，能量方法，起皺預(yù)測(cè)，精確成形，有限元數(shù)值模擬本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)與貢獻(xiàn)(l)失穩(wěn)起皺的預(yù)測(cè)

6、和控制是薄壁管彎曲精確成形技術(shù)研究和發(fā)展迫切需要解決的難題。能量法可有效實(shí)現(xiàn)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中起皺現(xiàn)象的定量預(yù)測(cè)。為此，必須合理描述起皺波形，并獲得管起皺所需的起皺能以建立失穩(wěn)起皺的預(yù)測(cè)準(zhǔn)則。本文根據(jù)薄壁管彎曲起皺實(shí)際波形的幾何特點(diǎn)提出了描述起皺波形的數(shù)學(xué)模型;基于最小能量原理和板殼彎曲理論，建立了采用塑性變形能與起皺能比值來預(yù)測(cè)失穩(wěn)起皺的預(yù)測(cè)準(zhǔn)則，使得大口徑、小彎曲半徑薄壁管的失穩(wěn)起皺預(yù)測(cè)成為可能。(2)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程是多因素交互作用下的復(fù)雜成形過程。傳統(tǒng)的理論解析法和試驗(yàn)方法難以實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜問題的深入研究，而有限元方法目前是研究和發(fā)展復(fù)雜成形問題的有效手段。本文針對(duì)薄壁件的幾何

7、特點(diǎn)提出了適用于模擬薄壁件成形過程的絕對(duì)一相對(duì)自由度殼單元，解決了相對(duì)自由度殼單元處理邊界條件時(shí)的困難:提出了三次因式法確定收斂因子，保證了有限元迭代求解過程的計(jì)算效率和收斂性;在深入研究薄壁管彎曲成形特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立了符合實(shí)際的三維有限元分析模型，解決了其中關(guān)鍵技術(shù)的處理問題;進(jìn)而研究開發(fā)了可預(yù)測(cè)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中起皺現(xiàn)象的有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)TBWS一3D，為研究失穩(wěn)起皺機(jī)理和實(shí)現(xiàn)對(duì)起皺現(xiàn)象預(yù)測(cè)提供了一種先進(jìn)手段)(3)薄壁管在彎曲成形過程中所受的壓應(yīng)力是造成其起皺發(fā)生的主要因素。為此本文采用自主開發(fā)的面向薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的三維有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)TBWS一3D研究了管坯在彎曲成

8、形過程中應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律、塑性變形區(qū)分布規(guī)律、塑性成形能與起皺能比值的變化規(guī)律等變形特點(diǎn)，為研究其成形過程中的起皺現(xiàn)象提供了理論依據(jù)。(4)為了有效控制薄壁管數(shù)控彎曲成形過程，避免失穩(wěn)起皺現(xiàn)象的發(fā)生，有必要深入研究成形參數(shù)對(duì)由失穩(wěn)起皺所決定的最小彎曲半徑(即彎曲成形極限)的影響規(guī)律。本文采用自主開發(fā)的數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D對(duì)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中的起皺現(xiàn)象進(jìn)行了研究，揭示了包括管坯幾何參數(shù)、材料性能參數(shù)以及加工工藝參數(shù)在內(nèi)的成形參數(shù)對(duì)薄壁管彎曲成形極限的影響規(guī)律，為薄壁管數(shù)控彎曲精確成形過程中實(shí)現(xiàn)成形參數(shù)的確定和優(yōu)化創(chuàng)造了條件。研究意義薄壁管數(shù)控精確彎曲技術(shù)是管彎曲技術(shù)向先進(jìn)塑性加

9、工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，在汽車、航空、航天業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景1。由于成形過程的變形特性和成形過程中多因素交互藕合的復(fù)雜性，因此有必要對(duì)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中的失穩(wěn)起皺現(xiàn)象進(jìn)行研究，深入了解起皺發(fā)生的機(jī)理，對(duì)失穩(wěn)起皺進(jìn)行預(yù)測(cè)和有效控制，掌握成形參數(shù)對(duì)由失穩(wěn)起皺所決定的最小彎曲半徑一成形極限的影響規(guī)律。這是推動(dòng)該成形技術(shù)研究和發(fā)展迫切需解決的關(guān)鍵問題為降低產(chǎn)品成本，并滿足對(duì)產(chǎn)品輕量化的需求，彎管零件己大量應(yīng)用于交通、運(yùn)輸、建筑、電子和輕工等各行各業(yè)。特別是精密成形的薄壁彎管件，在汽車、航天航空工業(yè)有著廣泛的應(yīng)用前景21。對(duì)于彎曲準(zhǔn)確度較高的薄壁管件，常規(guī)的彎管方法和設(shè)備是難以滿足要求的。數(shù)控彎管

10、設(shè)備適應(yīng)精確成形與加工批量生產(chǎn)能力的快速形成。它可以準(zhǔn)確、穩(wěn)定地完成對(duì)管坯的彎曲、送進(jìn)、轉(zhuǎn)角等動(dòng)作，并還可通過復(fù)合模具同時(shí)對(duì)多根管材進(jìn)行加工，不僅可以高效成形彎管零件，保證成形質(zhì)量的穩(wěn)定性，而且可自動(dòng)連續(xù)地實(shí)現(xiàn)不同曲率半徑的復(fù)雜三維管彎曲31。金屬塑性成形過程的研究方法有試驗(yàn)研究方法、基于經(jīng)典塑性理論的解析方法和數(shù)值方法。薄板和薄殼的成形過程是使毛坯材料按一定方式產(chǎn)生永久塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的零件。這一過程的實(shí)現(xiàn)是通過模具對(duì)工件的法向接觸力和切向摩擦力來完成的。因此薄板及薄殼的成形過程是多因素藕合交互作用的復(fù)雜物理過程，涉及力學(xué)的三大非線性問題:幾何非線性，即坯料在成形過程中產(chǎn)生的

11、大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)或大變形;物理非線性，即材料非線性;邊界非線性，即模具與工件產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系35，36。這使得試驗(yàn)研究方法難以對(duì)復(fù)雜成形過程進(jìn)行定量分析;同時(shí)使得解析方法用于板殼成形過程分析時(shí)需要進(jìn)行了大量的簡化，因此解析法往往只能滿足對(duì)簡單成形問題的分析，而對(duì)復(fù)雜成形過程的分析難以滿足工程精度的要求3v。目前應(yīng)用最為廣泛和成熟的數(shù)值方法是在70年代興起，80年代獲得發(fā)展的有限元法，該方法已成功地應(yīng)用于金屬體積成形、板料成形和注塑等工藝過程的分析中，一個(gè)完整的塑性成形有限元數(shù)值模擬流程如圖.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值研究方法的不斷完善，利用有限元法可在計(jì)算模擬分析塑性加工時(shí)從坯料到制件的

12、成形過程，可以求出應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)、形所需的載荷和能量，可以給出成形過程中坯料幾何形狀、尺寸和性能變，預(yù)測(cè)缺陷的產(chǎn)生和分析質(zhì)量等。有限元法目前已成為研究塑性成形規(guī)材料變形行為及各種物理場(chǎng)的強(qiáng)有力的工具之一，并得到了廣泛的應(yīng)用39書它在金屬塑性成形過程中主要應(yīng)用于分析46:(l)材料變形和流動(dòng);(2度、應(yīng)力、應(yīng)變分布;(3)成形力;(4)破裂的預(yù)測(cè);(5)失穩(wěn)起皺生與發(fā)展;(6)回彈量的預(yù)測(cè);(7)殘余應(yīng)力的分布。有限元數(shù)值模擬方法的優(yōu)點(diǎn)是:功能強(qiáng)，精度高，解決問題的范圍廣，以用不同形狀、不同大小和不同類型的單元來描述任意形狀的變形體，理適用于任意速度邊界條件，可以方便合理地描述模具形狀，處理坯料

13、與模的摩擦，考慮材料硬化效應(yīng)、溫度等各種工藝參數(shù)對(duì)成形過程的影響，可得成形過程中任意時(shí)刻的力學(xué)信息和流動(dòng)信息，預(yù)測(cè)缺陷的生成和擴(kuò)展等，可在計(jì)算機(jī)上虛擬實(shí)現(xiàn)成形過程，反復(fù)演示、計(jì)算和優(yōu)化。對(duì)于不同的管彎曲成形過程，有限元方法是應(yīng)用廣泛且較為有效的一種值分析萬法。Forde47運(yùn)用商用軟件Marc對(duì)矩形截面管材的塑性彎曲過程進(jìn)了分析，獲得了成形參數(shù)對(duì)起皺、外側(cè)塌陷、截面畸變的影響規(guī)律。文獻(xiàn)【建立了管熱彎成形過程的有限元分析模型，開發(fā)了專用的三維有限元程序，用于分析、預(yù)報(bào)管成形后的截面畸變情況。Yang腳采用PAM一sTAMP初步分了數(shù)控彎管過程，發(fā)現(xiàn)管坯與防皺塊之間的間隙是影響起皺的重要因素，而著

14、彎曲半徑的減小，截面畸變率和壁厚減薄率將會(huì)增大。文獻(xiàn)【501采用彈塑有限元法對(duì)管的純彎過程進(jìn)行了分析，研究了極限彎矩與管壁局部變薄之間關(guān)系。文獻(xiàn)51一53對(duì)管的純彎過程進(jìn)行了分析。但有關(guān)薄壁管數(shù)控彎曲成形程的深入分析還未見報(bào)道。塑性有限元法可以分為兩類:一類是固體型有限元法，另一類是流動(dòng)型限元法。固體型有限元法包括彈塑性有限元法與彈粘塑性有限元法。此類有元法采用方程Prandtl一ReusS作為本構(gòu)方程，求解單元節(jié)點(diǎn)的位移增量。流動(dòng)有限元法包括剛塑性有限元法和剛粘塑性有限元法。剛塑性有限元法的本構(gòu)系采用Levy一Mises方程，將單元節(jié)點(diǎn)速度增量作為求解列陣。能量準(zhǔn)則預(yù)測(cè)失穩(wěn)起皺主要考慮成形過

15、程中應(yīng)力場(chǎng)分布。由于彈塑性和岡L塑性有限元獲得的板殼彎曲成形過程中應(yīng)力場(chǎng)基本一致，因此為兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，本文基于剛塑性有限元原理開發(fā)了薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的三維數(shù)值模擬系統(tǒng)，獲得了成形過程中應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律，從而為深入了解其成形機(jī)理提供了依據(jù);并以此為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)起皺現(xiàn)象的發(fā)生，分析成形參數(shù)對(duì)起皺的影響，最終獲得其成形極限。成形過程，預(yù)測(cè)失穩(wěn)起皺的產(chǎn)生，定量分析工藝及模具參數(shù)對(duì)失穩(wěn)起皺產(chǎn)生的影響并對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，不僅在理論研究方面有重大意義，而且在航空、航天等工業(yè)領(lǐng)域管彎曲加的工實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中也具有重要價(jià)值。起皺能量預(yù)測(cè)準(zhǔn)則和剛塑性有限元法能夠同時(shí)兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，因此基于能

16、量準(zhǔn)則的數(shù)值預(yù)測(cè)方法，即采用剛塑性有限元數(shù)值模擬與最小能量原理相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁管數(shù)控精確彎曲成形過程中失穩(wěn)起皺現(xiàn)象的有效預(yù)測(cè)。綜上所述，本文對(duì)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中起皺現(xiàn)象的數(shù)值預(yù)測(cè)開展系統(tǒng)深入研究。*其目的在于探明管精密彎曲成形規(guī)律，預(yù)測(cè)成形極限，為確定最佳成形工藝參數(shù)以避免成形過程中出現(xiàn)起皺現(xiàn)象，獲得優(yōu)質(zhì)的彎管零件提供理論依據(jù);從而大大減少試生產(chǎn)次數(shù)，降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，高效低耗地實(shí)現(xiàn)薄壁管的精密彎曲成形過程。本文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面:(l)建立薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中失穩(wěn)起皺分析的殼體模型;根據(jù)實(shí)際的薄壁管起皺波形建立合理的波形函數(shù);基于最小能量原理和板殼彎曲理論

17、推導(dǎo)相應(yīng)的起皺能量預(yù)測(cè)準(zhǔn)則。(2)針對(duì)薄壁管數(shù)控精確彎曲成形過程建立符合實(shí)際的三維有限元力學(xué)模型;對(duì)有限元模擬中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，解決其中單元選取、模具型腔描述、動(dòng)態(tài)邊界條件處理、摩擦條件選取及模擬計(jì)算后處理等問題。(3)開發(fā)基于三維剛塑性有限元數(shù)值模擬及起皺能量預(yù)測(cè)準(zhǔn)則的薄壁管數(shù)控彎曲成形過程起皺預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D;驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性和可靠性。(4)采用自主開發(fā)的面向薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的三維有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)研究管坯在彎曲成形過程中應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律、塑性變形區(qū)分布規(guī)律、塑性成形能與起皺能比值的變化規(guī)律，為深入了解其成形機(jī)理提供理論依據(jù)。第一章緒論(5)采用自主開發(fā)

18、的數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)對(duì)薄壁管數(shù)控彎曲成形過程中的起皺現(xiàn)象進(jìn)行研究，揭示成形參數(shù)對(duì)薄壁管由起皺決定的最小彎曲半徑一成形極限的影響規(guī)律，為薄壁管數(shù)控彎曲精確成形過程中實(shí)現(xiàn)成形參數(shù)的確定和優(yōu)化創(chuàng)造條件。隨著塑性變形理論、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用有限元理論預(yù)測(cè)板料加工過程中起皺分叉點(diǎn)的方法得到了越來越廣泛的重視和應(yīng)用。國內(nèi)外已先后開發(fā)出許多相關(guān)的商用軟件，如Marc、Ansys和Abaqus等。它們都具有起皺預(yù)測(cè)及過程模擬的功能。但它們均采用基于分叉理論的動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法，這使得起皺預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性在很大程度上依賴于操作人員對(duì)有限元數(shù)值計(jì)算及其它相關(guān)知識(shí)的了解程度，因此生產(chǎn)部門目前很難應(yīng)用上述的

19、商用軟件對(duì)實(shí)際成形過程中的起皺現(xiàn)象進(jìn)行建模和分析。本章以前幾章的理論為基礎(chǔ)，研究和自主開發(fā)了專用于薄壁管數(shù)控彎曲成形過程的三維有限元起皺數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D。該系統(tǒng)交互性好，不需要操作人員熟悉相關(guān)的有限元知識(shí)。此外該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有較好的可移植性、可維護(hù)性和可擴(kuò)展性。本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，考慮到軟件維護(hù)、開發(fā)和使用方便性的需要，該系統(tǒng)界面友好，具有開放性，模塊功能可擴(kuò)充。程序在Visua1C什平臺(tái)上采用C語言編寫。系統(tǒng)具有以下的功能:(l)管坯初始網(wǎng)格的自動(dòng)生成;(2)初始速度場(chǎng)的自動(dòng)生成;(3)初始邊界約束條件的自動(dòng)施加;(4)剛塑性有限元求解;(5)變形體網(wǎng)格的二維、

20、三維顯示;一6分一第五章薄壁管數(shù)控彎曲成形過程起皺預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)(6)場(chǎng)變量等值線的繪制;(7)起皺的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè);(8)臨時(shí)文件的生成，以便程序在非正常中斷時(shí)能繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算;5.3模擬系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由五個(gè)主要模塊組成，包括系統(tǒng)管理模塊和四個(gè)主要功能模塊。這四個(gè)主要功能模塊為:前處理模塊、三維有限元分析模塊、起皺實(shí)時(shí)監(jiān)控與預(yù)測(cè)模塊和后處理模塊。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示。各功能模塊負(fù)責(zé)處理各類具體問題，它們之間彼此相互獨(dú)立，既可以在管理模塊控制下運(yùn)行，也可以單獨(dú)運(yùn)行。主要功能模塊有多個(gè)子功能模塊組成，每個(gè)子功能模塊又包含若干個(gè)子程序，某些子程序可為多個(gè)子

21、功能模塊共用。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅便于管理、維護(hù)和開發(fā)，而且系統(tǒng)的層次分明、流程清晰。起皺預(yù)測(cè)模塊主要功能是根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果獲得管坯在每一成形加載步中彎曲部分的塑性變形區(qū)，并計(jì)算該加載步長下管彎曲失穩(wěn)起皺所需的能量砰與穩(wěn)定成形的塑性變形能T;再將兩個(gè)能量進(jìn)行比較:若T之砰則表明管坯在該加載步發(fā)生失穩(wěn)起皺，此時(shí)預(yù)測(cè)模塊發(fā)出起皺警報(bào)，并退出有限元模擬過程，否則繼續(xù)有限元計(jì)算。起皺預(yù)測(cè)模塊結(jié)構(gòu)流程如圖5.5所示。5.4系統(tǒng)的檢驗(yàn)本文對(duì)所開發(fā)的三維有限元數(shù)值模擬及起皺數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D的適用性和可靠性從管坯彎曲成形壁厚減薄量及起皺預(yù)測(cè)結(jié)果兩方面進(jìn)行了初步驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果來自文獻(xiàn)95。管坯壁厚減薄量驗(yàn)

22、證的試驗(yàn)和計(jì)算條件為: 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果的比較如圖5.7所示。其中，實(shí)心點(diǎn)為有限元系統(tǒng)預(yù)測(cè)的管坯成形壁厚減薄量;空心點(diǎn)表示試驗(yàn)獲得的壁厚減薄量。結(jié)果表明預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值較吻合。管坯起皺預(yù)測(cè)驗(yàn)證的試驗(yàn)和計(jì)算條件為:飛西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文圖5.7壁厚減薄率預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)值的比較管坯材料為LFZIM，變形抗力模型為廳=184護(hù)35497l，彈性模量E=7l000MPa，管坯材料的本構(gòu)方程由管壓縮性能試驗(yàn)獲得98;模擬時(shí)彎曲模數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)的起皺預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較如圖5.8所示。其中，空心圓點(diǎn)表示有限元起皺預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)起皺的管坯，而實(shí)心圓點(diǎn)表示預(yù)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)不起皺的管坯。由于管坯最小彎曲半徑

23、的捕捉需要大量的數(shù)值計(jì)算，很難直接采用數(shù)值法進(jìn)行預(yù)測(cè)，因此本文采用通過實(shí)心和空心點(diǎn)之間區(qū)域的虛線表示管坯最小彎曲半徑。圖5.8同時(shí)給出了本文第四章提出的解析法所獲得的管坯最小彎曲半徑，以三角形點(diǎn)表示;還給出了國際上目前可見到的預(yù)測(cè)管坯最小彎曲半徑的解析結(jié)果34l，以菱形點(diǎn)表示。結(jié)果表明數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果是三種結(jié)果中與試驗(yàn)值最為接近的，目前是符合最好的結(jié)果。解析預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差都很大，而文獻(xiàn)34的預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的偏差最為明顯。然而，數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果仍存在一定誤差，其誤差是由于試驗(yàn)條件一7倉一第五章薄壁管數(shù)控彎曲成形過程起皺預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究與開發(fā)與計(jì)算條件不完全相同引起的，還可能是由于實(shí)

24、際試驗(yàn)結(jié)果一般取值偏于安全引起的，也可能是數(shù)值預(yù)測(cè)模型考慮得還不夠精確引起的。本文的解析法預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比偏大，這主要是由于在求解壓應(yīng)力場(chǎng)時(shí)引入了平面應(yīng)變的假設(shè)，而且不像本文提出的數(shù)值預(yù)測(cè)方法能考慮加工速度、摩擦等因素對(duì)管坯彎曲成形的影響。而文獻(xiàn)【34的解析法預(yù)測(cè)結(jié)果偏大，除了上述原因外，還由于所提出的描述起皺波形的函數(shù)不符合大口徑、薄壁管坯彎曲起皺的實(shí)際情況引起的。綜上所述，本文研發(fā)的數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D預(yù)測(cè)的管坯壁厚減薄量與試驗(yàn)值吻合較好，失穩(wěn)起皺的預(yù)測(cè)結(jié)果是目前與試驗(yàn)結(jié)果吻合最好的。因此，本文所建立的數(shù)值預(yù)測(cè)模型、方法和所開發(fā)的系統(tǒng)是正確的、適用的，預(yù)測(cè)結(jié)果是相對(duì)可靠的。5.

25、5本章小結(jié)在前幾章介紹的有限元法基本原理、有限元關(guān)鍵技術(shù)處理以及起皺預(yù)測(cè)準(zhǔn)則一71一西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文的基礎(chǔ)之上本文研究開發(fā)了基于有限元數(shù)值模擬方法的薄壁管數(shù)控彎曲成形過程起皺數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng);介紹了系統(tǒng)的主要特點(diǎn)、功能與結(jié)構(gòu)，并給出了主要功能模塊的流程圖。同時(shí)本章從起皺預(yù)測(cè)及壁厚變化量兩個(gè)方面驗(yàn)證了所開發(fā)的有限元系統(tǒng)和起皺數(shù)值預(yù)測(cè)準(zhǔn)則的可靠性。第六章薄壁管數(shù)控彎曲成形過程變形特點(diǎn)研究6.1引言薄壁管數(shù)控精確彎曲成形過程是復(fù)雜的變形過程，成形過程的成形特點(diǎn)，包括在彎曲成形過程中坯料的變形、等效應(yīng)變分布規(guī)律、切向應(yīng)力分布規(guī)律以及塑性區(qū)的變化規(guī)律，都與成形過程中出現(xiàn)失穩(wěn)起皺有關(guān)。因此要實(shí)現(xiàn)對(duì)成形

26、過程中失穩(wěn)起皺預(yù)測(cè)以有效控制彎管件成形質(zhì)量，必須采用有效手段研究管數(shù)控彎曲成形過程的變形特點(diǎn)。本章在第二、三、四章的基礎(chǔ)之上，采用自主開發(fā)的薄壁管數(shù)控彎曲起皺數(shù)值預(yù)測(cè)系統(tǒng)TBWS一3D對(duì)成形過程中管坯變形網(wǎng)格、應(yīng)力分布、應(yīng)變分布、塑性變形區(qū)分布、起皺能與塑性變形能比值變化規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。異形管材液壓成型關(guān)鍵技術(shù)研究，2003碩士論文 摘錄因此，我國在異形管件液壓DN形研究的薄弱點(diǎn)在于：1尚未很好采用國外成熟的管件成形模擬仿真軟件對(duì)其成形過程進(jìn)行全面的數(shù)值模擬仿真；2沒有與之匹配的完備實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)理論分析進(jìn)行較全面的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究；3沒有得出各種工藝因素對(duì)其成形過程的影響規(guī)律，進(jìn)而缺乏對(duì)工藝

27、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與控制；4.未能合理有效的控制成形工藝過程，工藝穩(wěn)定性差，難以獲得良好的異形管件。1.4研究內(nèi)容及目的1塑性有限元法（Dynaform或DEFORM軟件）對(duì)異形管件液壓成形過程進(jìn)行模擬仿真。由于異形管件的成形是在管坯內(nèi)部施加軸向壓力，外部承受模具的壓力，受力狀態(tài)復(fù)雜，再加上在成形過程中必然存在的較高應(yīng)變硬化現(xiàn)象，因而如果工藝控制不當(dāng)就會(huì)出現(xiàn)折彎、起皺、破裂等缺陷。僅靠傳統(tǒng)的解析法力學(xué)分析，不能得到滿意的結(jié)果。采用Dynaform或DEFORM有限元軟件可以分析管材在不同內(nèi)壓、不同軸向壓力、以及其他不同邊界條件（如摩擦）作用下的成形規(guī)律，異形管件成形載荷、成形應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律等全面

28、信息。進(jìn)而獲得不同材料的管材成形極限圖、管材端部縮進(jìn)距離、液壓成形內(nèi)壓力的大小和變化規(guī)律等，為模具、液壓系統(tǒng)控制和實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與制造提供理論依據(jù)。2優(yōu)化工藝參數(shù)。通過上述模擬仿真優(yōu)選管材材料、優(yōu)化管坯直徑、壁厚以及直徑與壁厚比，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化管件重量的目的，確定出最佳工藝方案。通過對(duì)異形管件液壓成形過程進(jìn)行塑性有限元模擬仿真和實(shí)驗(yàn)研究，達(dá)到如下目標(biāo)：1獲得部分國產(chǎn)管材液壓成形性能，異徑管件液壓成形過程載荷變化規(guī)律、應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律、成形極限大小、缺陷形成機(jī)理等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)規(guī)律；2優(yōu)化異徑管液壓成形工藝參數(shù)，確定最佳工藝方案；1.5研究的可行性異形管件液壓成形技術(shù)在國外（特別是在德國）已經(jīng)進(jìn)行了較為深入的研究，并取得了很多成果，許多異形管件的液壓成形工藝已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，前景看好。近兩年德國、美國、日本等國家采用DYNAFORM、DEFORM等軟件分析異形管件的成功實(shí)例，國外實(shí)驗(yàn)臺(tái)的成功建立，表明：借助國外成熟的有限元模擬軟件與自行研制實(shí)驗(yàn)臺(tái)相結(jié)合對(duì)異形管件液壓成形技術(shù)進(jìn)行研究，在技術(shù)上是可行的。目前模具實(shí)驗(yàn)室擁有UG，Pro/E等適宜于異形管件產(chǎn)品的CAD造型軟件，同時(shí)擁有適于異形管件液壓成形模擬仿真的有限元分析軟件（DYNAFORM、DEFORM等