液压胀形模拟

保冷杯液压胀形摘要本文从日常用品入手，探究了不锈钢保冷杯的主要成形工艺，即液压胀形工艺，简单介绍了液压胀形的原理以及设备，并运用ansys workbench 对液压胀形工艺进行了有限元模拟。

通过分析有限元模拟的结果，总结了液压胀形工艺的特点，并分析了液压胀形工艺的不足。

通过对液压胀形产品的观察，有限元模拟，以及相关论文查阅，我对液压胀形有了较为直观，具体的认识。

AbstractIn this paper, I start from daily necessities, explores the major forming process of stainless steel cup, the hydroforming process, introductionthe principles of hydroforming and equipment, and the use the Ansys workbench to analyzethe hydroforming process . Through the analysis of finite element simulation results, I summarized the characteristics of hydroforming process, and analyzed the shortcomings of hydroforming process. Through the observation of hydroforming products, finite element simulation, as well as access to relevant papers, I have a more intuitive hydraulic bulging concrete understanding.第一章探究背景保冷杯是专门用来保持冷水温度的杯子，区别于保温杯的最大特点是杯口较小，便于直接饮用。

其保温原理和保温杯相同，是利用内层与外层之间形成的真空阻止热交换，保温杯组织热水的热能向外扩散，而保冷杯阻止外部热能向内层冷水扩散。

该保冷杯的外壳分为两部分，主体部分和底部，两部分通过焊接连接，可以在外壳与底过渡部分看到明显的焊接痕迹。

底部成型工艺应该是冲压成型，因为底部没有接口痕迹，是一个整体，冲压能直接形成这样的整体。

对于外壳主体部分，经过仔细观察，发现外壳均匀，光滑，没有接缝，是一个整体，并且，这个整体不是简单的圆筒状，是下粗上细，上部还有缩颈结构。

首先能判断的是该部分不能用冲压成型的方式制造，原因之一是主体部分很长，深冲很难做到均匀缺陷少。

其二是主体部分形状上小下大，下部没有底，形状不利于深冲。

有一种可能是铸造成型，但是保冷杯外壳比较薄，比较轻便，铸造难度很大，并且铸件很少直接应用与产品，所以虽然铸造工艺可能做出这样的壳体，但保冷杯外壳用铸造工艺的可能性很小。

最有可能是以无缝的钢管为原料，以液压胀形的方式成型。

第二章液压胀形工艺2.1液压胀形通过模具采用液体作为传力介质使管状坯料由内向外扩张。

其最大特点是胀形力传递均匀，能使材料在最有利的情况下成形；成形精度高，适用于复杂形状的成形，对于长筒型的水杯成型尤为适合。

工艺简单，成本低廉，成型后表面光滑，极少出现变形不均匀的现相。

管材液压胀形的基本原理是轴向力和内压力同时作用下的管坯成形过程,也有直接利用内压力成形。

该成型工艺最大的难点应该是如何控制轴向力和内压力的大小，尤其是轴向力，液压成型的过程是管壁中部径向扩张，而轴向需要从一边或两边向中间补料。

液压成形过程中如果轴向力和内压力匹配不合理,将会导致在成形过程中出现屈曲和起皱、破裂等失效现象，其中,起皱是由于内压力过低而轴向进给过大造成的,分为轻微起皱和死皱两种情况,有人把管材胀形中出现的随压力升高变形继续而最终可以消除的起皱形式称作有益皱,与之相对应的就是死皱;成形初期产生的轻微褶皱可以起到预先储存坯料的作用,在成形后期随着压力的升高和变形的继续而消失,这对顺利成形有益,而死皱在整个成形过程中无法消除,应尽量避免其出现。

破裂主要是由于轴向进给相对较小而内压力上升过快,或是局部变形量过大超过了金属的成形极限,即使有足够的补料量也很难保证成形而不破裂。

2.2管材液压胀形设备管材液压胀形设备包括液压机、模具系统、液压系统及超高压发生装置、数据采集和计算机控制系统,各系统的主要功能是:模具系统是胀形过程的工作平台;液压机为模具系统的安装提供空间并在液压胀形过程中提供所需的合模力;超高压发生装置是液压胀形系统的关键,由增压器产生胀形过程中所需的内压,输出的超高压由高压管路、轴向冲头的内孔导入管坯内腔中,并由超高压传感器检测工作内压,反馈给计算机控制系统进行闭环控制.2.3有限元模拟与液压胀形工艺由于液压胀系工艺的内压与轴向载荷的确定用实验方法费时费力，所以该工艺的设计一般需要运用有限元模拟进行预设计。

有限元软件与液压胀形工艺的结合是现在的一个研究热点，液压胀形工艺不仅仅是用在像保冷杯这样的小型产品上，还在汽车复杂零件制造方面非常有用。

不同的产品需要不同的加载路径，越复杂的产品需要越复杂的模拟。

运用较多的有2.4限元模拟软件：Dynaform:用于模拟钣金成形工艺。

Dynaform软件包含BSE、DFE、Formability三个大模块，几乎涵盖冲压模模面设计的所有要素，包括：定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切边线的求解、压力机吨位等。

Ansys:ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。

由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中高级CAE工具之一。

由于ansys workbench界面较为友好，不需要编程，模块划分清楚，智能化程度高，因而本文做的有限元模拟就是用ansys workbench完成的。

MARC:功能齐全的高级非线性有限元软件，具有极强的结构分析能力。

可以处理各种线性和非线性结构分析包括：线性/非线性静力分析、模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动分析、动力响应分析、自动的静/动力接触、屈曲/失稳、失效和破坏分析等。

为满足工业界和学术界的各种需求，提供了层次丰富、适应性强、能够在多种硬件平台上运行的系列产品.第三章保冷杯外壳水胀成形有限元仿真实验3.1绘制cad模型：用cad2011绘制先绘制模具与管材的2d轮廓，然后通过旋转操作使外模成形，再通过按住并拖动将管材成形。

为了便于观察，将成形后的模具剖切后如下图：3.2 ansys workbench 模拟的准备工作3.2.1 将建立好的3d模型以sat格式输出，打开ansys14.0 workbench，新建static structural 模块，从材料库中导入材料：structural steel（结构钢）和Aluminum Alloy（铝合金）。

将sat 格式的几何模型导入geometry（几何模型）模块。

3.2.2 刷新model模块，并编辑。

首先设置几何体材料属性：模具设置为structural steel ，为使仿真计算量减小，属性设置为rigid（刚体），若要便于设置约束，则要设置为flexible(可变形)。

管材材料为Aluminum Alloy，属性为flexible。

3.2.3 定义接触，ansys会在物体接触部分自动定义接触，管材与模具接触的地方接触已经被定义，但需要修改接触属性，将bonded（连接）改为no separation(不分离的)，因为bonded 接触会组织管材变形，而no sepration接触允许接触不脱离的情况下产生滑动。

No sepration 和bonded接触属性是最简单的，计算量最小的，使用no separation。

管材在变形时会和模具中间凹进部分接触，这些部分需要自己定义接触，方法是添加接触对，以管材外表面为contact（接触面），模具凹进面为target(目标面)，一般以刚体表面作为target，接触属性为no sparation，本模型共自行设置了4个接触对。

3.2.4 网格划分：ansys能提供自动网格划分，对于一般的问题分析都可以直接自动划分，直接点击mesh, generate mesh即可。

3.2.5 加载，ansys workbench提供了非常齐全的约束与加载,对于该几何模型，加载非常简单，首先定义内压，方法是insert—pressure ,选择加载面为管材内壁，其他参数为默认，加载力大小可以任意定义，因为几何模型和材料都是任意选择的，所以第一次加载任选了加载压力为200Mpa。

加载轴向压力的方法与加载内压相似，步骤是：insert—force，选择加载面，选择加载方向，定义加载大小。

由于模型只有一半，所以在管材剖切面上施加位移约束，防止管材从剖切面挤出模具以外。

3.3.6 求解，添加需要求解的问题，例如insert—stress—equivalent stress(von mises)。

第四章实验结果与分析1.轴向不施加载荷，依靠金属流动自然补料，只改变内压（为使结果更直观，隐藏了模具）：1.1.200Mpa内压：有少量塑性变形，小部分管材外壁开始接触模具。

1.2.300Mpa内压：弧面开始形成1.3.400Mpa内压形状还不够饱满1.4.500Mpa内压形状完好，但在瓶颈的弧面上开始出现褶皱1.5.600Mpa内压内压略大，不同弧面接触的地方出现明显皱褶1.6.700Mpa内压内压太大，模具损坏（为方便对模具进行约束，模具材料属性为flexible）从以上的求解结果看，该模型成型的最佳内压力在400Mpa—500Mpa之间，在不需要轴向压力的情况下，如果摩擦系数较低，管材变形过程中会从两端向中间缩进以补偿变形。

2.选定内压力400Mpa,在管材轴向施加对称载荷：根据不断尝试的结果，要使管材变形明显区别于不施加轴向载荷的最小内压力为100KN，所以轴向载荷以100KN的间隔施加。

对照：400Mpa 内压，无轴向力2.1.100KN：加轴向力后变形比不加轴向力稍大，证明加轴向力后对塑性变形有利。

2.2.200KN变形与加100KN时区别不大但从变形处颜色看，变形处承受的压力在变大。

2.3. 300KN变形处承受的压力继续增大，变形与100KN时区别也不够明显。