变径管液压胀形与折叠有限元分析及加载路径的优化 - 学兔兔 www.bzfxw.com .pdf

2 0 1 5 年1 1 月2 5 日第3 2 卷第6 期 通馋屯球技年： T e l e c o mP o w e rT e c h n o l o g y N o v 2 5 ，2 0 1 5 ，V 0 1 3 2N o 6 文章编号：1 0 0 9 3 6 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 6 0 1 4 8 0 3 变径管液压胀形与折叠有限元分析及加载路径的优化 陈君迪，雷君相 ( 上海理工大学机械工程学院，上海2 0 0 0 9 3 ) 摘要：针对现有的变径管制造技术，文章提出了液压胀形与折叠工艺，实现在一副模具同时完成液压胀形与折叠，并 且采用了A B A Q U S 有限元模拟确定了成形过程参数、几何参数。分析了液压胀形与折叠过程中液压力和两端进给量这 两个关键参数的优化组合以及不同的加栽曲线对其成形的影响。结果表明，采用液压胀形与折叠工艺成形的零件壁厚更 加均匀。用初始阶段内压力和轴向推力同时较大的加载路径方式所获得的零件成形性能优良。当内压组合在3 0 、7 0 、 2 0M p a 的情况下，变径管的壁厚得到优化。 关键词：变径管；液压胀形；折叠；加载路径 中图分类号：T G 3 9 4文献标识码：A R e s e a r c ho nF i n i t eE l e m e n ta n dL o a d i n gP a t h sO p t i m i z a t i o no fH y d r a u l i c B u l g i n ga n dF o l d i n go nV a r i a b l e - d i a m e t e rT u b e C H E NJ u n - D i ，L E IJ u n - X i a n g ( S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，U n i v e r s i t yo fS h a n g h a if o rS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：A i m i n ga tt h ee x i s t i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fv a r i a b l e - d i a m e t e rt u b e ，t h ep a p e rp r e s e n t sh y d r a u l i cb u l g i n ga n df o l d i n gt e c h n o l o g yt oa c h i e v et h ea c c o m p l i s h m e n tO fap a i ro fd i eh y d r a u l i cb u l g i n ga n df o l d i n gs i m u l t a n e o u s l y B y A B A Q U Sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n di d e n t i f i e st h ef o r m i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dg e o m e t r yp a r a m e t e r s T h ep a p e ra n a l y z e st h eo p t i m a lc o m b i n a t i o no ft h et w ok e yp a r a m e t e r so ft h el i q u i dp r e s s u r ea n de n d so ft h ef e e dd u r i n gt h eh y d r a u l i cb u l g i n ga n df o l d i n g ，b e s i d e se f f e c to fd i f f e r e n tl o a d i n gc u r v eo nt h ef o r m i n gp r o c e s s T h er e s u l ts h o w st h a tw a l lt h i c k n e s so f c o m p o n e n tu s i n gh y d r a u l i cb u l g i n ga n df o l d i n gi sm o r ee v e n m e nt h es u p e r i o rl o a d i n gp a t hu s e si n t e r n a lp r e s s u r ea n da x i a lt h r u s ti nt h ei n i t i a ls t a g e 。t h ef o r r n i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep a r t si se x c e l l e n t m e nt h ei n t e r n a lp r e s s u r ec o m b i n a t i o nf a l l s i n t o3 0 ，7 0 ，2 0M p a ，t h i c k n e s so ff o r m i n gp a r t sr e a c h e si t so p t i m i z a t i o n K e yw o r d s ：v a r i a b l ed i a m e t e r ；h y d r a u l i cb u l g i n g ；f o l d i n g ；l o a d i n gp a t h s 液压胀形技术是一种以液体作为传力媒介，利用 液压力或两端轴向力共同作用下使管坯成型出所需加 工零件的塑性加工工艺。在德国、美国等发达国家，此 项技术已有一些研究，并且已经应用在航空、汽车、化 工、机械等各行各业的领域 1 。 随着时代的发展，人们对于安全性的重视程序越 来越高。吸能元件在人体防护和结构安全方面起着关 键的作用。车辆行驶安全、重装备空投、航天器软着 陆、直升机起落、核电站防护和电子产品或贵重物品的 包装等领域对材料和结构的能量吸收皆提出迫切的需 求 2 。变径管主要采用铸造和焊接的方法来生产，但 这些方法原材料利用太低，生产成本高。因此本文针 对现有的成形技术，提出采用液压胀形的方法，并且提 出折叠的工艺，实现胀形与折叠在一副模具中实现。 但是这一变形系统是一个非稳定的成形过程。要使管 材在胀形与折叠当中不发生屈曲、褶皱和破裂等失效 形式的话，精确控制液压胀形与折叠成形过程中的加 载路径是十分重要的。文中用软件对液压胀形与折叠 收稿日期：2 0 1 5 0 6 2 8 作者简介：陈君迪( 1 9 9 0 - ) ，男，硕士研究生，主要研究方向：内 高压技术。 进行有限元模拟，以变径管吸能元件成形件的最大减 薄率和均匀度作为评价标准，分析加载路径对成形质 量的影响，通过模拟得出最优的加载路径。 1液压胀形与折叠原理及工艺分析 1 1 液压胀形与折叠原理 将管坯放入成形模具中，通过左右两端冲头将管材 放入下模中，然后通过两端的冲头将其密封，随后上模向 下模移动，与下模接触，形成一个封闭模腔。随后液压油 从两端冲头进入到管材内部。两端冲头通过设定，给两 端进给，使管坯在型腔内完成液压胀形。完成胀形后，内 压保持不变冲头继续进给，完成折叠，如图1 所示。 1 2 变径管液压胀形与折叠工艺分析 一般的变径管是通过液压胀形成形出零件，本文 采用变径管吸能元件的成形在一副模具中一次完成， 成形阶段分为两部，首先是液压胀形，完成后继续通人 液压油完成液压折叠阶段，并且在液压胀形过程中首 先要保证管材的长度；而后液压折叠要保证壁厚和折 叠圆角半径，就是要满足吸能元件在成形后的折叠圆 角半径与在进行自由翻转产生的翻卷圆角半径的一致 性。因此，在设计开发变径管吸能元件时，一次成形两 万方数据 幅吸能元件，这样成形出的零件壁厚均匀，又可以节省 不必要的成本和时间。 一E 盛王子5 注：管坯j ：陵轴同堆义卜模成形零1 J = 图1管材液压成形与折叠工艺过程 管材液压胀形的主要工艺参数包括初始屈服压 力、开裂压力、整形折叠压力、轴向进给力、合模力和补 料量 3 I 。图2 所示的是所要成形后的变径管零件图。 成形区直径D 为5 6l T l m ，成形区长度为1 0 0m m ，零件 长度为2 0 0m m ，最小圆角半径为2 5m m ，管材外径为 4 0m m ，壁厚为1 4m i D _ 。 图2 变径管成形零件图 2 变径管有限元模拟 2 1 有限元模型的建立 首先本文对成形零件进行分析，依据零件的特点， 因为变径管符合轴对称的要求，因此建有限元模型对 于Y 轴中心对称模型，又为以后方便进行自由碰撞， 减少需要切开变径管的仿真工序，将模型又对于Z 轴 对称。经过与三维实体建模零件模拟结果相比较，在 忽略材料各向异性的情况下，三维实体与简化后建模 模型结果基本一致。 模具 左冲迤了7 一= = = = 斗- 1 乙冲头 k 。十亨呜“” 管坯料 1 图3 成形过程有限元模型 模型的几何尺寸如下：管坯长2 6 0m m 、外径 2 0m m 、厚1 4m m ；模具总长2 8 0m m 、模具大径 5 6m m 、变形区长1 0 0m m ，圆角半径3m m ；冲头直径 为2 0m m 。网格划分：厚度方向取网格数为3 ，长度方 向取网格数为3 0 0 。 2 2 材料的选取 按照材料的本构关系，管坯可选择理想刚塑性，在 管材液压成形模拟中，采用满足M i s s e 各向同性屈服 准则和H i l l 厚向异性屈服准则的弹性材料模型。模具 和两端冲头的材料模型为解析刚体。 表12 0 号钢无缝冷拔钢管 材料密度弹性模量泊松屈服强度抗拉强度 硬化 牌号( k g m3 ) G p a 比 M p aM p a 指数 2 0 # 钢78 0 0 2 1 00 2 72 5 55 0 40 2 2 3 液压成形模拟 计算采用A B A Q U S E x p l i c i t 求解器求解，并且 定义分析步：为了更好控制屈服、胀形、圆角折叠这三 个成形阶段，将分析过程分为了三个分析步。 变径管自由翻卷吸能元件的液压成形过程设计分 为液压胀形与折叠两个阶段，第一阶段为液压胀形，完 成传统的管材液压成形；第二阶段为液压折叠，在保持 液压油通入的情况下，完成吸能元件在自由翻卷变形 前的预成形一液压折叠。液压成形与折叠的仿真结果 如图4 所示。 雕篓逻! 斛 图4 变径管能量吸收元件的成形过程仿真 3 加载路径对成形的影响 变径管成形质量、减薄和增厚情况、甚至之后的碰 撞自由翻转情况主要取决于液压胀形与折叠过程中对 于控制液压载荷和轴向进给的加载路径。在成形过程 中，如果轴向推力和内压力无法匹配，都会使成形件失 败。因此，加载路径的设计首先要保证零件能够成形， 避免各种缺陷的产生，然后是设计合理的加载路径提 高成形件的精度。下面以壁厚分布以及均匀度为目标 函数，通过选择合理的加载路径来优化内高压成形。 3 1 壁厚分布均匀性指数 壁厚的减薄率是判断变径管成形的标准。但同时 它无法作为评判的唯一标准。液压胀形与折叠的壁厚 是否均匀直接影响零件质量的好坏。因此，本文引入 了壁厚均匀性指数： i n a e x 一簿 式中，t o 是管坯的初始壁厚( r a m ) ，t i 是变形后各点的壁 厚( r a m ) ；N 是测量的点数。i n d e x 值越小，表示成形 件的壁厚越均匀，成形质量越好，更利于今后的自由翻 万方数据 2 0 1 5 年1 1 月2