管件液压成形过程的有限元分析及实验研究

2008年第29卷第4期中北大学学报(自然科学版)V o l.29　N o.4　2008 (总第120期)JOURNAL OF NORTH UN IVERSIT Y OF CH INA(NATURAL SC IENCE ED ITI ON)(Sum N o.120)文章编号:167323193(2008)0420308204管件液压成形过程的有限元分析及实验研究Ξ高振莉,张晶贤(北京建筑工程学院机电与汽车工程学院,北京100044)摘　要:　以圆管变形为管球相间零件为研究对象,对液压成形这种新工艺进行研究.采用计算机数值模拟与试验相结合的方法,分析了圆管液压成形过程.管件液压成形主要有褶皱和破裂两种失效形式,而成形控制中最主要的参数之一是压力,即管件内部压力和轴向压力.在对不同加载路径进行分析后,得出模拟结果与相同条件下的实验结果比较吻合的结论.研究表明了液压成形工艺中加载路径(内压力与轴向压力的配比关系)的重要性,同时也证实了用计算机模拟仿真液压成形过程具有一定的可靠性.关键词:　液压成形;有限元法;模拟;加载路径;A nsys L S2D YNA中图分类号:　T G394 文献标识码:AFE M Si m ulation and Exper i m en tationAnalysis for Tube Hydroform i ng ProcessGAO Zhen2li,ZHAN G J ing2x ian(Schoo l of M echanical2E lectronic and A utomobile Engineering,Beijing U niversity of C ivil Engineering and A rch itecture,Beijing100044,Ch ina)Abstract:H ydrofo r m ing of bu lging in the m iddle of a tube is focu sed on,and num erical si m u lati on s are carried ou t fo r the tube hydrofo r m ing p rocess to p rovide reference fo r the p ractical fo r m ing exp eri m en ts. Tw o m ain failu re types in the p rocess of hydrofo r m ing are w rink ling and bu rsting.Con tro lling of hydrofo r m ing p rocess m ain ly dep ends on in teri o r p ressu re and ax ial feeding.Si m u lati on resu lts are com p ared w ith exp eri m en tal resu lts in the sam e conditi on s and the agreem en t is ob tained after analyzing differen t loading p ath s.T he study show s the i m po rtance of loading path in the p rocess(exp,in teri o r p ressu re and ax ial feeding).It also indicates that the hydrofo r m ing p rocess can be si m u lated w ith good reliab ility by com p u ter.Key words:hydrofo r m ing;fin ite elem en t m ethod;si m u lati on;loading path;A n sys L S2D YNA0　引　言液压成形(H ydrofo r m ing)技术是利用液体压力使工件产生塑性变形的一种新型制造工艺方法,它主要用于制造空心零件,属于少无切削、精确(半精确)、节能环保的成形加工技术.由于此技术的特殊方式,因此生产的零件材质均匀,具有较高的强度、刚度,可承受弯曲、扭转等复杂应力,且重量轻、节约材料,对工件能起到“以空代实”的作用,因而受到了航空、航天、军事及汽车制造业的青睐[1],近年来在国内外受到Ξ收稿日期:2008201215　基金项目:北京市教委科技发展资助项目(K M200510016006).　作者简介:高振莉(19632),女,副教授.主要从事机械制造、材料成形方面的研究.广泛重视.目前,日本、德国、美国等国都对该技术做了大量研究,并且成功地应用于航空、航天、汽车、化工、机械、建筑等领域.在我国虽然液压成形技术研究的步伐日益加快,但至今应用的范围还非常有限,为了能够更好地控制液压成形零件的质量,研究和预测胀形中可能出现的缺陷,通过计算机模拟仿真的方式来再现成形过程是十分必要的有效手段[223].1　液压成形原理管件液压成形的原理是将欲加工的管坯置于模具中,在管坯内加入高压油,由于管内壁受均匀压力的作用因而产生了塑性变形.为了保持管内高压的状态,在实际成形的工艺过程中管的两端还需加轴向密封推进力,其原理如图1所示.要使管件在成形过程中不出现折皱和破裂等缺陷,轴向密封力与内压力之间需要得到恰当的控制[425].图1　圆管液压成形原理图F ig .1　P rinci p le of tube hydrofo r m ing2　圆管液压成形过程的有限元模拟本文所选零件为柱形管坯通过液压成形的方法变形为中间球形、两端柱形的零件.有限元软件选为AN SYS L S 2D YNA .要想得到切合实际的模拟结果,必须把握有限元分析中的几个关键问题.2.1　单元类型的选取单元类型的选取是影响模拟成形精度的关键之一,优良的单元既要有一定的刚性(抗畸变能力),以避免网格再划分,又必须有一定的柔性(良好的变形能力),以便精确地模拟金属的塑性变形情况[6].为避免模型沙漏现象,这里通过适当地增加弹性刚度来消除沙漏.本模拟中管件为薄壁圆管,考虑到显式动力分析以及管壁材料弯曲的需要,选用shell 163单元划分网格;为正确模拟管件屈曲,采用B etlytschko 2W ong 算法;模具采用so lid 185单元,但采用刚体模型来考虑.图2　模具工件模型及单元划分F ig .2　F inite elem ent model 2.2　网格的划分在有限元模拟分析中,增加划分网格密度可以提高计算结果的精度[7],但网格划分的越密,模拟计算量越大,模拟的时间将越长.方案中管坯初始长度、内径、厚度分别取150mm ,558mm ,2mm .由于管材、模具几何形状、载荷及边界条件都是轴对称的,为了节约时间,减少空间,模型仅选用圆柱的1 4来计算,共1204个单元,计算时间约为2h .模具工件模型及单元划分如图2所示.2.3　材料参数及几何尺寸管坯为冷拔20无缝钢管,根据材料的特性及变形特点选定参数,如表1所示.表1　材料性能及几何参数Tab .1　M aterial characteristics and its geom etrical param eters 材料牌号密度 kg ・m -3弹性模量 GPa 泊松比屈服强度 M Pa 抗拉强度 M Pa 硬化强度 M Pa 应变硬化指数管坯长度 mm 管坯内径 mm 管坯壁厚 mm 20钢78002100.32524107460.223150582903(总第120期)管件液压成形过程的有限元分析及实验研究(高振莉等)3　计算机模拟及实验分析在液压成形过程中,管件主要受到两种载荷:管内部的液体压力和管两端的轴向载荷.这两个载荷随时间变化的分布关系是工件能否按要求成形而不出现失效的关键所在.经过多次的计算机模拟和实验的反复验证,总结出了以下3种加载路径,它们分别对应了3种情况:第一种情况:如图3所示,图(a )表示管内部的液体压力与管两端的轴向压力随时间变化的分布曲线,在这种加载模式下,可得到如图(b )所示的实验成形图;用计算机模拟的方法来解释这种现象,从图(c )中可知,当管件的轴向压力始终保持在12M Pa 时,管件未达到要求的形状就产生破裂,其原因是此时管内金属在最大变形处的应力约为840M Pa ,远远超出了材料的强度极限,而导致管件破裂.是什么使管件处在这样的应力状态?这主要是由于轴向压力的不足引起的.在实验中当管件的轴向压力保持在12M Pa 时,只能起到对管件两端的密封作用,并不能促使管端金属向中部移动从而起到补充材料的作用,此时管件的变形等于是在局部受到很大的力,因而产生失效.图3　破裂管件分析F ig .3　Burst tube analysis第二种情况:如图4所示,图(a )表示管内部的液体压力与管两端的轴向压力随时间变化的分布曲线,在这种加载模式下,可得到如图(b )所示的实验图,对比计算机模拟结果图(c )有:当管件的轴向压力随着内压力由10M Pa 上升到22M Pa 时,管件出现了图(b )所示的两端突起、中间下凹的形状,此时再继续加大内压力则管件破裂,最终管件未能达到模具所要求的形状,其原因对照图(c )可以看出:管内变形区金属等效应力的最大值已达到为718M Pa ,接近硬化材料的强度极限值,此时再想靠调节内压来达到理想的变形是不可能的.这种情况通常称为起皱,是继破裂后的又一种失效形式.造成管件起皱的主要原因是轴向压力过大引起的.尤其是在变形的初期,管内压力还未达到较大时,管端过多的金属在轴向力的作用下向中部滑移,造成了金属的堆积,给中部变形增加了阻力,因而出现了中部变形小,两侧变形大的结果.图4　起皱管件分析F ig .4　W rink le tube analysis第三种情况:如图5所示,图(a )表示管内部的液体压力与管两端的轴向压力随时间变化的分布曲线,在这种加载模式下,可得到如图(b )所示的实验图,对比计算机模拟结果图(c )有:当管件的轴向压力随着013中北大学学报(自然科学版)2008年第4期内压力由12M Pa 上升到15M Pa 时,管件可得到模具所要求的形状.尤其是在管的内压接近20M Pa 时,需要将轴向压力逐步增大到15M Pa ,再进行一段时间的保压,即可得到合格的工件.此时的应力分布(图(c ))表明:管件变形区内的最大等效应力值为636M Pa ,远小于材料硬化强度值.比较两侧的等值线图发现,此时管件应力分布较均匀,对称性好,从管端到中间的应力等值线依次均为C 2B 2C 2D 2E ,且形状分布相似,是较理想的成形工件.图5　合格管件分析F ig .5　R egular tube analysis4　结　论1)管件的内压力与轴向压力的合理匹配关系是液压成形成功与否的关键所在,通过上述的计算、实验和分析,基本上掌握了类似管件成形的规律,为刚性联接的万向球接轴空心零件生产提供了一种新的工艺方法和具体实现途径.2)对于液压成形这种新型工艺而言,利用计算机模拟是提高分析效率的有效途径.但由于模拟的近似性、有限元方法和边界条件的复杂性,目前的模拟计算结果还尚显不足,不能为生产提供完全可靠的精确数据,因此实验研究还是十分必要的,只有有效地将两者结合起来,互相对比,反复论证方能达到预期的目的.参考文献:[1]　L ee M unyong ,Sohn Sungm an ,Kang Changyoung .Study on the hydrofo r m ing p rocess fo r automobile radiato rsuppo 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