基于有限元分析的36號低碳鋼半球形板件成形壁厚分析

基于有限元分析的36號低碳鋼半球形板件成形壁厚分析

0半球形板件充液拉深成形固結(jié)構(gòu)近年來，隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，《中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)》的頒布對排放的要求越來越高。人們越來越重視減少結(jié)構(gòu)重量，實(shí)現(xiàn)節(jié)約材料，減少車身重量，實(shí)現(xiàn)排放標(biāo)準(zhǔn)。這給板材液壓成形技術(shù)的發(fā)展帶來了機(jī)會本文選取材料牌號為DQSK(36）作為研究對象，分析半球形板件充液拉深成形過程中壁厚的變化情況。根據(jù)半球形板件和模具幾何特征建立有限元模型，通過有限元仿真軟件模擬不同摩擦系數(shù)和液室壓力加載路徑，分析不同工況下半球形板件成形區(qū)域壁厚的變化規(guī)律。1材料參數(shù)獲取選取厚度為1mm的圓形板材，板材的材料牌號選取36號低碳鋼，通過查閱材料手冊，獲取該材料的參數(shù)如表1所示。板材的原始尺寸如圖1a）所示，半徑R=140mm，成形之后板材的尺寸如圖1b）所示，液壓作用區(qū)域半徑R=89mm，成形深度H=60mm。2dynafmc軟件的模擬有限元軟件建模過程較為復(fù)雜，對于處理復(fù)雜形狀的模型效果較差，需首先在三維軟件中建立半球形件的數(shù)學(xué)模型。如圖2所示，然后將數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入有限元軟件中，圖3是利用DYNAFORM軟件所建立的半球形板件充液拉深成形有限元分析模型，包括板料、凸模、壓邊圈和凹模四部分，板件位于壓邊圈和凹模中間，凹模下方為高壓液體，合模過程中壓邊圈向Z軸負(fù)方向移動，壓邊圈和凹模提供固定壓邊間隙為1.1mm，拉深過程中板料同時受凸模、液室壓力、壓邊力和摩擦力的共同作用，成形為半球狀結(jié)構(gòu)。3不同摩擦系數(shù)和液室壓力加載路徑對壁厚的影響借助有限元軟件DYNAFORM來研究半球形板件成形過程中壁厚分布規(guī)律，主要研究不同摩擦系數(shù)和液室壓力加載路徑這兩種參數(shù)在半球形板件成形過程中對壁厚的影響。選取半球形板件的中心橫截面為研究對象，在所選對象上取11個等距測量點(diǎn)，半球形板件截面和截面壁厚測量點(diǎn)如圖4和圖5所示。3.1不同摩擦系數(shù)作用下的成形結(jié)果板件與壓邊圈和凹模接觸面的摩擦力對板件的材料流動性存在一定程度上的影響，為研究摩擦力對半球形板件厚度的影響情況，本次試驗(yàn)采用不同摩擦系數(shù)對半球形板件成形過程中壁厚變化規(guī)律的影響，選取摩擦系數(shù)為變量，其他參數(shù)不變。將摩擦系數(shù)μ的值分別設(shè)定為0.1、0.3和0.6，壓邊力設(shè)置為200KN，液室壓力設(shè)置為10MPa，采用線性加載方式，作用時間為0.02s。研究摩擦系數(shù)分別為μ取0.10、0.30、0.60等工藝下，板件成形區(qū)域厚度的分布規(guī)律。不同摩擦系數(shù)作用下的成形結(jié)果如圖6所示。從這幾副位移云圖可以看出，摩擦系數(shù)對板件成形結(jié)果的影響較大，當(dāng)摩擦系數(shù)μ為0.10時，成形結(jié)果較差，最小壁厚為0.943mm，最大的減薄率為5.699%；摩擦系數(shù)μ對半球形板件底端的厚度作用較大，隨著摩擦系數(shù)的增大，最小壁厚存在過度減薄現(xiàn)象，而最大減薄率在逐步增大。由此可以得出，在其他條件不變的情況下，摩擦系數(shù)的值越小，成形過程中的壁厚減薄程度也就越低。為了研究摩擦系數(shù)對成形區(qū)域中各個壁厚分布的情況，給出了不同摩擦系數(shù)對橫截面中壁厚的影響規(guī)律，如圖7所示，從圖中可以看到，壁厚分布曲線對稱分布，在不同摩擦系數(shù)下均是在底端周邊區(qū)域減薄最為明顯，且摩擦系數(shù)越大，底部減薄則越為明顯。結(jié)果表明，摩擦系數(shù)對截面處厚度分布的情況起著較大的影響。這是因?yàn)槌尚芜^程中在壓邊力作用下接觸面的摩擦力越小，板材在成形過程中的材料流動性越高，成形區(qū)域中的進(jìn)料量增大，降低了板材壁厚的減薄率。3.2不同加載路徑對減薄率的影響液室壓力所采用的加載方式、路徑不同，其成形結(jié)果也會有所不同。為研究半球形板件在不同加載路徑作用下的成形壁厚變化規(guī)律，分別選取三種不同的液室壓力加載路徑，具體的加載路徑如圖8所示。在不改變其他參數(shù)的前提下，液室壓力設(shè)置為10MPa，板料與模具的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.125，采用線性加載方式，作用時間為0.02s。各工藝下的成形結(jié)果如圖9所示，從圖中可看出，不同的加載路徑對成形結(jié)果有明顯影響，在加載路徑1的作用下板件減薄率最高，達(dá)到8.3%；在加載路徑3的作用下板件減薄率最低，僅為5.4%。結(jié)果表明，成形初期采用平緩加載更有利于降低充液拉深成形過程中板件的減薄率。加載路徑對半球形板件橫截面處各測量點(diǎn)的壁厚影響規(guī)律如圖10所示，在初始相對平緩的加載路徑3的作用下，半球形板件底部的減薄相對較小，底部厚度分布較為均勻；在加載路徑1的作用下，半球形板件底部的減薄最為嚴(yán)重，底部厚度分布差別較大，底端周邊區(qū)域減薄較為嚴(yán)重。測量點(diǎn)2和測量點(diǎn)10為板件和凹模內(nèi)側(cè)邊界接觸的圓角過渡區(qū)域，在不同加載路徑的作用下，該處厚度變化較為明顯，說明該圓角過渡區(qū)域受加載方式影響較大，初始平緩加載能夠有效抑制圓角過渡區(qū)域的減薄。4不同加載路徑對壁厚的影響⑴在半球形板件充液拉深過程中，通過有限元仿真軟件分析了板料與模具的摩擦系數(shù)對板件成形的影響，獲取摩擦系數(shù)μ分別等于0.10、0.30和0.60三種工況下的成形結(jié)果，相比于其他兩種工況而言，當(dāng)μ為0.1時的成形結(jié)果壁厚減薄率最小，且厚度分布較為均勻；當(dāng)摩擦系數(shù)μ為0.60時，成形結(jié)果壁厚減薄率最大，且成形區(qū)域厚度分布不均。充液拉深成形過程中壓邊區(qū)域板件有一定程度的增厚。⑵對比分析不同加載路徑條件下半球形板件壁厚的變化情況，初期選取較為平緩的加載