張伯榮，趙連玉，盧燕超

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

基于DYNAFORM對(duì)航空鋁殼體進(jìn)行折彎回彈有限元分析

張伯榮1，趙連玉1，盧燕超2

（天津理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384）

鋁制殼體在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用不斷提升，進(jìn)一步提高了航空航天飛行器的綜合性能。高精度是航空航天制造業(yè)的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。鋁合金結(jié)構(gòu)件越來(lái)越呈現(xiàn)出大尺寸、薄壁曲面等復(fù)雜情況。所以，對(duì)航空材料進(jìn)行折彎回彈分析有著重大意義。本文分析了加工中工件發(fā)生彎曲回彈的原因，闡述了影響因子，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)實(shí)際加工具有一定的指導(dǎo)意義。

折彎；回彈；鋁合金盒形件；有限元

0 引言

航空航天零部件制造是整個(gè)航空制造產(chǎn)業(yè)鏈核心的部分，既要保證殼體零件的本身質(zhì)量，還要保證整個(gè)裝配件功效的可靠性和耐久性。鋁合金具有低密度、高比強(qiáng)度、使用溫度范圍寬、耐蝕和可焊等諸多優(yōu)點(diǎn)，是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材。鋁合金智能精密成形技術(shù)將是航空航天制造技術(shù)的研究重點(diǎn)。

鋁合金盒形件一般有兩種形式，一是板料整體沖壓成形，二是板料折彎焊接成形。根據(jù)企業(yè)要求本次研究針對(duì)第二種情況，應(yīng)用于航天電子元件的保護(hù)殼。本文將針對(duì)航空用鋁6061和2A12進(jìn)行折彎回彈仿真分析。通過(guò)對(duì)不同尺寸，不同厚度，相同形狀的板材進(jìn)行仿真分析，將結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而選出合適的材料進(jìn)行加工成型，最大化降低成本，提高航空件的可靠度。

1 材料屬性

1）6061

6061鋁合金是經(jīng)熱處理預(yù)拉伸工藝生產(chǎn)的高品

質(zhì)鋁合金,含鎂、硅合金特性多，具有加工性能極佳、優(yōu)良的焊接性、電鍍性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形等特點(diǎn)。用于制作飛機(jī)蒙皮、機(jī)身框架、大梁、旋翼、螺旋槳、油箱、壁板和起落架支柱等。

參數(shù)如下[1]：

彈性模量E=70Gpa

泊松比ε=0.3

密度ρ=2.70t/m3

表1

表2

各項(xiàng)異性系數(shù)R00=0.38，R45=0.48，R90=0.66

彎曲極限強(qiáng)度228Mpa

2）2A12

2A12鋁合金是一種高強(qiáng)度硬鋁，可以進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。其點(diǎn)焊焊接性良好，用氣焊和氬弧焊時(shí)有形成晶間裂紋的傾向，在冷作硬化后可切削性能尚好。主要用于制作各種高負(fù)荷的零件和構(gòu)件，如飛機(jī)上的骨架零件，蒙皮，隔框，翼肋，翼梁，鉚釘?shù)取?/p>

參數(shù)如下：

彈性模量E=75.4Gpa

泊松比ε=0.33

密度ρ=2.78t/m3

各項(xiàng)異性系數(shù)R00=0.803，R45=0.89，R90=0.641

硬化系數(shù)P1(K)=281

硬化指數(shù)P2(N)=0.179

2 有限元理論

2.1 有限單元法的基本思想

有限單元法（FEM）是一種用于連續(xù)場(chǎng)分析的數(shù)值模擬技術(shù)[2]，其基礎(chǔ)是變分原理和加權(quán)余量法，其基本思想是把計(jì)算域劃分為有限個(gè)互不重疊的單元，選擇其內(nèi)合適的節(jié)點(diǎn)作為求解函數(shù)的插值點(diǎn)，將微分方程中的變量改寫(xiě)成由各變量或其導(dǎo)數(shù)的節(jié)點(diǎn)值，通過(guò)變分原理和加權(quán)余量法將微分方程離散求解。

解題步驟可歸納如下：

1）根據(jù)變分原理建立積分方程；

2）劃分區(qū)域單元；

3）確定單元基函數(shù)；

4）進(jìn)行單元分析；

5）總體合成；

6）處理邊界條件；

7）求解有限元方程。

2.2 有限元求解算法

高效的算法是開(kāi)發(fā)使用板料成形模擬系統(tǒng)最基本，最重要的條件[3]。目前，根據(jù)有限元程序中采用的時(shí)間積分算法的不同，分為靜力隱式算法、靜力顯示算法和動(dòng)力顯示算法。后來(lái)又出現(xiàn)一步成形法。本文主要采用靜力隱式算法和動(dòng)力顯示算法。

2.2.1 靜力隱式算法

靜力隱式算法忽略了速度和加速度對(duì)模擬過(guò)程的影響，采用靜力平衡方程顯得其更加自然準(zhǔn)確。本次仿真將采用靜態(tài)隱式算法進(jìn)行回彈分析。

2.2.2 動(dòng)力顯示算法

動(dòng)力顯示算法采用中心差分進(jìn)行求解，計(jì)算速度快，克服了隱式算法的確定啊。本次仿真將采用此算法進(jìn)行成形模擬。

不考慮阻尼的影響，M為對(duì)角陣，采用中心差分法得到動(dòng)態(tài)顯示算法的遞推公式：

式中，Tmin是結(jié)構(gòu)的最小固有振動(dòng)周期。

2.3 DYNAFORM軟件簡(jiǎn)介

DYNAFORM軟件是由美國(guó)ETA公司和LSTC公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的用于板料成形數(shù)值模擬的軟件，是LS-DYNA求解器與ETA/FEMB處理器的完美結(jié)合，是當(dāng)下主流的CAE軟件之一。該軟件可為成形模擬提供眾多單元類(lèi)型，模擬各種接觸條件，提供多種沖壓材料。模擬簡(jiǎn)單的拉延到多工步成形過(guò)程，從而得到分布應(yīng)力圖、厚向應(yīng)變圖、成形極限圖和成形過(guò)程動(dòng)畫(huà)等。通過(guò)DYNAFORM軟件進(jìn)行模擬，可以縮短模具的開(kāi)發(fā)周期，降低成本得到更大的利潤(rùn)空間，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)的可靠度。

圖1 DYNAFORM分析的一般流程

圖2 盒形件A（260*180*100）

圖2 盒形件A展開(kāi)（200*180*100）

圖2 盒形件B（200*150*80）

圖2 盒形件實(shí)物圖

3 折彎回彈分析

3.1 CAD模型--SolidWorks

通過(guò)SolidWorks建立三維模型，盒形件尺寸分別設(shè)定為A:260*180*100和B:200*150*80，轉(zhuǎn)換成鈑金件，并展開(kāi)，預(yù)留焊縫（后期再DYNAFORM還要優(yōu)化改進(jìn)）。設(shè)定三組不同的板材厚度0.8mm、1.0mm、1.2mm分別應(yīng)用于下面兩種尺寸的盒形件。

3.2 DYNAFORM仿真

將SolidWorks軟件中建立的三維模型另存為IGES格式導(dǎo)入DYNAFORM軟件中進(jìn)行沖壓折彎仿真。由于DYNAFORM中默認(rèn)的沖壓方向是Z軸方向，所以在建立三維模型的時(shí)候要盡量把沖壓面沿Z軸方向[4]。

3.2.1 折彎計(jì)算

1）導(dǎo)入模型

模型有兩種分別為A和B，此處以A為例。

2）網(wǎng)格劃分

將坯料板（BLANK）的網(wǎng)格劃分為1*1單位，由于沖壓方向?yàn)閆軸負(fù)方向，所以單位法向向下。下模（DIE）的網(wǎng)格劃分最大尺寸設(shè)置為4，最小尺寸為1。弦高誤差0.15，角度20，間隙公差2.5。

3）屬性設(shè)置

拉延類(lèi)型選擇為單動(dòng)成形（倒裝），已知下模并固定。將下模、板料、壓邊圈分別按層設(shè)置。由于是折彎成形而不是沖壓，材料的流動(dòng)相對(duì)較小，所以不需要設(shè)置拉延筋。將上文中的材料屬性輸入并編輯，工具運(yùn)動(dòng)速度設(shè)置為2500，壓邊圈閉合速度設(shè)為1000，下壓邊力不需要太大。應(yīng)用并預(yù)覽動(dòng)畫(huà)，檢查模擬運(yùn)動(dòng)是否和預(yù)期的一致。

4）分析求解

提交任務(wù)，先進(jìn)行LS-Dyna輸入文件的設(shè)置，選擇輸出DYNAIN文件，控制參數(shù)和自適應(yīng)參數(shù)選擇缺省，規(guī)定內(nèi)存為256Mb，采用動(dòng)力顯示算法[6]。

3.2.2 回彈計(jì)算

1）導(dǎo)入模型

以模型A為例.

2）設(shè)置材料參數(shù)

注意回彈計(jì)算的材料參數(shù)和沖壓折彎過(guò)程的材料參數(shù)一定要一致，否則會(huì)計(jì)算出錯(cuò)。

3）分析求解

回彈計(jì)算選擇單步隱式算法，這種算法有利于折彎回彈的分析。在網(wǎng)格處理中選用網(wǎng)格粗化，允許把相鄰的法向夾角小于給定角度（8°）的單元合并，這樣可以減少計(jì)算時(shí)間和不穩(wěn)定性，且有利于回彈計(jì)算的收斂[5]。設(shè)置約束時(shí)，在底面選擇三個(gè)不共線的點(diǎn)且不能在折彎邊界處，三個(gè)點(diǎn)之間的距離也不易太遠(yuǎn)。

3.3 仿真結(jié)果分析

由于仿真分析對(duì)比圖較多，本文中將以下四種類(lèi)型為示例。

3.3.1 FLD成形極限圖

圖3 2A12--1.0mm(A)

圖3 6061--1.0mm(A)

圖3 6061--0.8mm(A)

圖3 2A12--0.8mm(B)

通過(guò)分析FLD圖可以得出以下結(jié)論：

對(duì)于材料2A12，隨著厚度的增加，應(yīng)變?cè)椒稚?，不確定因素增加，且當(dāng)厚度≥1.2mm時(shí)，更加明顯，從左半部分的拉--壓區(qū)向右半部分的拉--拉區(qū)擴(kuò)散，模型尺寸對(duì)其影響不是很大。1.0mm的板材起皺集中在四個(gè)底角處，折彎處沒(méi)有斷裂趨勢(shì)較為安全；0.8mm的板材長(zhǎng)邊折彎處受到的力較大，但處在安全范圍內(nèi)，短邊處起皺嚴(yán)重，并向底面擴(kuò)散。

對(duì)于材料6061，模型尺寸和厚度對(duì)其都有明顯影響。0.8mm的A型尺寸，板材的嚴(yán)重起皺集中在四個(gè)底角，整體都較為安全。1.0mm的A型尺寸，短變折彎處受力大與長(zhǎng)邊，長(zhǎng)邊有起皺，四個(gè)底角所受應(yīng)力增加，但處于安全狀態(tài)。1.2mm的B型尺寸和0.8mm的A型尺寸受力很相似。

對(duì)于1.0mm A型板材，2A12比6061較為理想；1.2mm B型板材，6061比2A12受力要更均勻。

3.3.2 Thickness變薄檢查

圖4 2A12--1.0mm(A)

圖4 6061--1.2mm(B)

圖4 6061--0.8mm(A)

圖4 2A12--0.8mm(B)

通過(guò)分析Thickness圖可以得出以下結(jié)論：

針對(duì)A型1.0mm板材，2A12和6061整體變薄量幾乎一致，2A12底面有幾處易變薄區(qū)，彎邊處材料有向底面流動(dòng)的趨勢(shì)；6061短彎邊處易變薄，所有彎角和彎邊較為均勻。

針對(duì)B型1.2mm板材，2A12長(zhǎng)彎邊處有變薄趨勢(shì)，短彎邊處易變厚，底面變化量較為分散；6061整體易變薄，材料向四個(gè)底角流動(dòng)。

0.8mm B型2A12板材，短彎邊處易變厚，長(zhǎng)彎邊易變薄，四個(gè)底角處有兩個(gè)極端小區(qū)域，變薄區(qū)和增厚區(qū)。而0.8mm A型6061板材整體變薄量均勻，且底角處變換柔和。

3.3.3 回彈變形云圖

圖5 2A12--1.0mm(A)

圖5 6061--1.0mm(A)

圖5 6061--0.8mm(B)

圖5 2A12--0.8mm(B)

通過(guò)分析變形云圖可以得出以下結(jié)論：

對(duì)于2A12板材， 1.0mm型的最大變形回彈為3.484mm， 0.8mm型的最大變形回彈4.680mm。所以隨著板厚增加回彈程度減少。

對(duì)于6061板材，1.0mm型的最大變形回彈為5.073mm，0.8mm型的最大變形回彈14.422mm。隨著厚度減少回彈變形嚴(yán)重。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鋁合金薄板6 0 6 1和2 A 1 2運(yùn)用DYNAFORM軟件進(jìn)行折彎回彈仿真，完成了對(duì)鋁合金盒形件的初步?jīng)_壓分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的參考數(shù)據(jù)，并得出以下結(jié)論：

1）每種板料的折彎回彈形變和其厚度、形狀都有著密切的聯(lián)系且厚度的影響因子大于形狀。

2）低于1.0mm厚度的板材，6061在成形極限和變薄方面表現(xiàn)良好，但回彈程度嚴(yán)重，所以選擇2A12較為適當(dāng)。

3）高于1.0mm的板材，2A12在回彈變形表現(xiàn)良好，但在成形極限和變薄方面不如6061的屬性優(yōu)異，所以選擇6061較為合適。

[1] 賈耀卿.常用金屬材料手冊(cè)(下)[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[2] 任學(xué)平,高耀東.彈性力學(xué)基礎(chǔ)及有限單元法[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2007.

[3] 裘紅英.板料成形性能及CAE分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

[4] 王秀鳳,郎利輝.板料成形C A E設(shè)計(jì)及應(yīng)用--基于DYNAFORM[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[5] 陳一哲,劉偉.薄板液壓成形起皺預(yù)測(cè)及控制研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(4):20-26.

[6] 居龍,毛婷婷,李洪波,張杰.沖壓速度對(duì)鋁合金5182-O拉深性能的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,08:2643-2649.

Analysis and research of aviation aluminum shell bending and springback based on dynaform

ZHANG Bo-rong1, ZHAO Lian-yu1, LU Yan-chao2

TG386.41

：A

：1009-0134(2017)07-0120-04

2017-04-04

天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目（16ZXANGX000090）

張伯榮（1990 -），男，山西人，碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。