高振莉，袁美霞，竇蘊(yùn)平

(北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 ，北京 100044)

?

薄壁管件加工的有限元模擬分析

高振莉，袁美霞，竇蘊(yùn)平

(北京建筑大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 ，北京 100044)

摘要:利用有限元理論和計(jì)算機(jī)手段，對(duì)液壓成形工藝生產(chǎn)薄壁圓管局部變方管進(jìn)行了模擬分析，在正確處理各種邊界條件和載荷路徑下，得到了管件的變形過程、等效應(yīng)力分布和管端位移等一系列物理場(chǎng)參數(shù)；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壓力和軸向壓力之間的配比關(guān)系是零件成形的重要參數(shù)。本研究結(jié)論可為實(shí)際加工該類工件提供理論依據(jù)和生產(chǎn)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:薄壁管件加工；有限元模擬；液壓成形工藝；變形過程；等效應(yīng)力

目前,薄壁管件加工有多種形式，主要分為切削加工、材料成形加工和特種加工三大類，選用何種加工方法要根據(jù)工件的用途、材料、形狀而定。如圖1所示為某車輛所用的異形截面管件模型，如果要想生產(chǎn)這樣的工件，用傳統(tǒng)的切削加工的方法是很困難的；用沖焊工藝過程要經(jīng)過：板料—沖壓—冷彎成形—焊接—拋光打磨等5道工序才能完成，需要開發(fā)很多模具，動(dòng)用許多設(shè)備，其生產(chǎn)過程繁瑣，生產(chǎn)周期長，且可能存在工件強(qiáng)度方面的缺陷，廢品率極高。目前最有效的加工方法是液壓成形(脹形)。

液壓成形(Hydroforming)或稱液壓脹形，也叫內(nèi)高壓成形，是20世紀(jì)90年代首先在歐美國家興起的新型空心管件加工工藝[1]2523。該工藝最大的特點(diǎn)是善于生產(chǎn)變截面(也稱異形截面)的管件，且以此方法生產(chǎn)的管件重量輕、強(qiáng)度高、韌性好，因此受到航空航天、車輛制造領(lǐng)域的青睞。我國成規(guī)模的研究此技術(shù)始于21世紀(jì)初。目前，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究水平基本可代表我國的現(xiàn)狀，它們?cè)谌ü?、?fù)雜變截面管及汽車一些零部件上取得較好的成果，為國內(nèi)汽車行業(yè)的廠商開發(fā)了此特種設(shè)備。[1]2531

作為一種特殊工藝下的生產(chǎn)方法，在生產(chǎn)過程中還存在很多不穩(wěn)定的因素，為了能夠保證產(chǎn)品的合格率，通常情況下在生產(chǎn)前期需對(duì)每一個(gè)具體的零件開展計(jì)算機(jī)模擬仿真分析，通過分析找到具體零件變形的基本規(guī)律，掌握力能參數(shù)之間的關(guān)系，以指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

圖1　異形截面管件模型Fig.1　Model of section tube with special shape

1液壓成形原理

液壓成形(Hydroforming)技術(shù)是利用液體壓力使薄壁工件產(chǎn)生塑性變形的一種新型制造工藝方法[2]。如圖2所示，為簿壁管件液壓成形原理。其工藝過程是將工件的管坯料放入成形的上、下模具中，管坯中輸入高壓油，兩端在左、右兩個(gè)推進(jìn)缸的作用下密封，薄壁管坯在高壓油壓力和兩端推進(jìn)力的作用下產(chǎn)生塑性變形，逐步形成模具的形狀，從而得到合格的產(chǎn)品[3]。

原理是簡單易懂的，但在實(shí)際的操作過程中由于管腔里的高壓油的壓力值與兩端的推進(jìn)力大小有一定的關(guān)系，且不同材料、不同形狀、不同尺寸的工件的油壓與推進(jìn)力關(guān)系曲線是不一樣的。因此，為了在實(shí)際的生產(chǎn)中加載更有把握，少出廢品，先用計(jì)

算機(jī)模擬其成形過程，初步找到它們的油壓與推進(jìn)力的關(guān)系規(guī)律，為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

圖2　薄壁管件液壓成形原理圖Fig.2　Principle of tube hydroforming

2有限元模擬中的幾個(gè)關(guān)鍵問題

所選零件為柱形管坯,通過液壓成形的方法變形為中間矩形兩端柱形的零件，有限元軟件選為具有較高知名度的Ansys商業(yè)應(yīng)用程序。為了更準(zhǔn)確地模擬其成形過程，必須把握有限元分析中的幾個(gè)關(guān)鍵問題。

2.1單元類型的選取及劃分

單元類型的選取是影響模擬成形精度關(guān)鍵之一。根據(jù)軟件提供的單元特性，結(jié)合具體的管件壁厚，選用shell 163單元，并選取適度大小劃分網(wǎng)格[4]；模具不是重點(diǎn)計(jì)算分析對(duì)象，所以采用solid 186單元，剛體模型來考慮[5]145。為了節(jié)約計(jì)算時(shí)間，又因工件結(jié)構(gòu)和受力均對(duì)稱，所以選1/4進(jìn)行研究。

2.2材料幾何參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

管坯為冷軋20鋼無縫鋼管，材料的特性及變形特點(diǎn)選定參數(shù)如表1所示。由于這種工藝過程屬于再結(jié)晶溫度以下的冷變形，所以要考慮加工硬化現(xiàn)象，也正是利用這個(gè)特點(diǎn)，使得加工后的工件增加了強(qiáng)度。

表1　20鋼材料性能及幾何參數(shù)

模型采用經(jīng)典的與應(yīng)變率無關(guān)的雙線性隨動(dòng)硬化模型，用兩個(gè)斜率來表示材料的應(yīng)力應(yīng)變特征即本構(gòu)關(guān)系， 如圖3所示。

圖3　材料的本構(gòu)關(guān)系Fig.3　Relationship of stress to strain

2.3接觸問題

工件在變形過程中始終要與模具相接觸，在軟件的接觸算法中，罰函數(shù)法已成為目前最常見的算法。具體操作時(shí)選用面對(duì)面接觸(surface to surface)，工件定義為接觸面，模具定義為目標(biāo)面，選擇自動(dòng)接觸摩擦。這樣選的好處在于，隨著工件的變形，工件與模具既有接觸又有摩擦，軟件會(huì)自動(dòng)按照罰函數(shù)法進(jìn)行處理[5]146。

3工件成形過程的有限元模擬

3.1工件的變形過程

在軸向力和內(nèi)壓力的共同作用下，工件產(chǎn)生了塑性變形如圖4所示。用Ansys模擬完成了工件在型腔由局部突起—褶皺—充滿—飽滿的成形過程，充分展示了工件的變化過程。

圖4　工件突起—褶皺—充滿—飽滿的成形過程Fig.4　Tube shaping process of preiection-wrinkle-filling-complete

3.2等效應(yīng)力

應(yīng)力狀態(tài)是塑性變形中的關(guān)鍵問題。圖5為工件成形過程中的等效應(yīng)力云圖,根據(jù)色標(biāo)不同可看出應(yīng)力分布情況。圖中，應(yīng)力最大值主要集中在變成方形的平面處深紅色部位，大約為670 MPa左右；最小應(yīng)力集中在深蘭色部位，約為380 MPa左右；其余根據(jù)變形不同顏色也各有分布，從數(shù)值上看都大于管坯的屈服強(qiáng)度，這充分說明了整個(gè)工件在塑性充型過程中應(yīng)力的變化。

圖5　等效應(yīng)力云圖Fig.5　Equivalent stress nephogram

3.3軸向縮短

工件在變形過程中脹起來時(shí)往往會(huì)使壁厚變薄，從而使管件破裂。為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，在圓管的兩端加了液壓缸，它的作用一是對(duì)管件里的油密封，二是施加一個(gè)軸向的推進(jìn)力來促使管端的金屬向中間變形，從而達(dá)到補(bǔ)充金屬的作用，這樣就使得原來的管坯變短了。計(jì)算機(jī)可以計(jì)算出這個(gè)量。即取管端的某一節(jié)點(diǎn)，經(jīng)Post26處理得到其Z方向的位移(原管坯一側(cè)縮短量)如圖6所示，為約6 mm，兩端為12 mm。所以，在這個(gè)參數(shù)下成形后管子比原管坯縮短12 mm。

圖6　軸向縮進(jìn)Fig.6　Axis inden tation

3.4加載路徑

圖7　加載路徑Fig.7　Loading path

在計(jì)算模擬的過程中，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)壓力與管端軸向壓力的配比關(guān)系是工件能否完整充滿型腔的重要因素。在多次反復(fù)試驗(yàn)和結(jié)果對(duì)比中，得出了如圖7所示的管內(nèi)壓力和軸向壓力關(guān)系圖。從圖中可以看出其工藝過程的壓力變化趨勢(shì)：成形開始時(shí)管內(nèi)和管端都充滿了液壓油，它們分別是15 MPa和12 MPa；隨著時(shí)間的變化，管內(nèi)壓力迅速上升達(dá)到55 MPa左右，而管端壓力緩慢上升大約只有15 MPa。這個(gè)結(jié)果與通常用理論判斷的定性結(jié)論趨勢(shì)相符，即工件變形力主要靠內(nèi)壓力，軸向壓力只是起到輔助作用[6]。

3.5有限元模擬結(jié)果分析

從以上的4個(gè)方面的模擬分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1) 完整地模擬了工件在型腔內(nèi)由局部突起—褶皺—充滿—飽滿的成形階段，充分展示了工件的變化過程；

2) 找出了工件變形的最大和最小應(yīng)力值，其中最大值約660 MPa，在材料的抗拉強(qiáng)度410 MPa與硬化強(qiáng)度746 MPa之間，數(shù)值較為合理；

3) 計(jì)算出了管坯在成形過程中軸向縮短的距離約為每一端6 mm，兩端共12 mm；

4) 初步確定了工件成形時(shí)管內(nèi)壓力和軸向壓力的加載路徑，為實(shí)際的生產(chǎn)提供第一手可靠的資料。

4結(jié)論

利用有限元方法加之計(jì)算機(jī)手段對(duì)非常規(guī)加工的工件進(jìn)行成形過程模擬，充分展示了管件在模具中由局部突起—褶皺—充滿—飽滿的形變過程；得到了工件在成形過程中的等效應(yīng)力分布圖及最大等效應(yīng)力值和相應(yīng)的位置；計(jì)算出了變形完成后原管坯軸向縮短的值及加載路徑的配比關(guān)系。

以上模擬結(jié)果的價(jià)值在于為實(shí)際工件的加工做了許多前期的預(yù)見性工作，提供了應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的參考及實(shí)際生產(chǎn)操作時(shí)的具體載荷數(shù)值，為防止廢品的產(chǎn)生，節(jié)約成本，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益起了積極的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]苑世劍，何祝斌，劉鋼，等.內(nèi)高壓成形理論與技術(shù)的新進(jìn)展[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2011,21(10): 2523-2533.

[2]高振莉，張晶賢.管件液壓成形過程的有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，120(4)：308-211.

[3]姚丹，高振莉，張晶賢.圓管液壓成形過程的有限元模擬及失效分析[C]∥中國塑性工程學(xué)會(huì).第十屆全國塑性工程學(xué)術(shù)年會(huì)、第三屆國際塑性加工先進(jìn)技術(shù)研討會(huì)論文集.北京：全國塑性工程學(xué)會(huì)，2007：173-176.

[4]LEE Munyong,SOHN Sungman,KANG Changyoung.Study on the hydroforming process for automobile radiator support members[J].Journal of Materials Processing Technology,2002，131：115-120.

[5]姚丹，高振莉，張晶賢.圓管液壓成形過程有限元模擬及失效分析[J].鍛壓技術(shù)， 2007，32(5):145-147.

[6]MUAMMER K,TAYLAN A.Application of two dimensional (2D) FEA for the tube hydroforming process[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture,2002(42)：1285-1295.

(編輯：龐富祥)

Finite Element Method Simulation for Thin Tube Processing

GAO Zhenli，YUAN Meixia，DOU Yunping

(SchoolofMechanicalElectronicandAutomolbileEngineering,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044，China)

Abstract:This paper focuses on hydroforming of rectangle in the middle of a tube. The numerical simulations were carried out for the tube processing. The controlling of hydroforming process mainly depended on processing parameters such as loading path and boundary conditions.The deformation process, distribution of equivalent stress and feeding displacement were obtained.The matching between internal pressure and feeding loading was found to be an important parameter for part forming.The results can provide reference for the practical forming

Key words:thin tube processing;finite element method simulation;hydroforming;deformation processing;equivalent stress

文章編號(hào):1007-9432(2016)02-0174-04

*收稿日期：2015-08-28

基金項(xiàng)目：北京市教委科技發(fā)展項(xiàng)目：復(fù)雜薄壁件加工變形預(yù)測(cè)理論研究(KM201510016008)

作者簡介：高振莉(1963-),女,太原人，副教授，主要從事機(jī)械制造理論及薄壁管件加工研究,(E-mail)gaozhenli@bucea.edu.cn

中圖分類號(hào):TG394

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.02.010