采用ABAQUS针对航空某型材件的拉弯分析

采用ABAQUS针对航空某型材件的拉弯分析
采用ABAQUS针对航空某型材件的拉弯分析
美国ABAQUS软件公司北京代表处梁明刚
前言：型材拉弯工艺广泛应用于航空航天、汽车、机械设备、建筑等行业，随着高新技术越来越多应用于这些工业，设计工程师对于计算机仿真技术的要求也与时俱进。

ABAQUS 以其卓越的非线性问题的处理能力为广大工业客户所认可，本文以航空工业中某型材拉弯产品为例，介绍了ABAQUS对应的分析流程，对工程中提出的四种加工方案逐一进行分析，结合回弹的结果对它们进行比较，最后提出改进方案。

经实践检验，仿真分析的结果跟实际结果达到高度一致，为设计工程师提供了可信的参考数据。

一、模型描述
首先将造型设计工程师提供的型材产品目标形状的几何模型导入到ABAQUS/CAE中，如图１所示。

图１型材产品目标形状
考虑到型材几何形状的对称性，我们针对1/2模型的拉弯过程进行分析，图２所示为实际模型的一半，考虑到型材壁厚与其表面长宽之间的比例关系，我们进一步将模型简化为壳结构，图３为根据该模型的尺寸生成的模具模型及其有限元网格模型，图４为装配模型及其有限元模型。

图２产品模型的二分之一
图３刚体模具的几何模型（左）和有限元网格模型（右）
图４装配体的几何模型（左）和有限元网格模型（右）
二、分析方案
根据实际加工过程的特点，并针对此类型材拉弯问题，我们采用ABAQUS的隐式算法模块ABAQUS/Standard进行成形分析。

考虑到实际成形时的影响因素，我们按照下面四类分析过程分别进行模拟，最后分别以回弹量、型材厚度变化量、局部型材的变形量作为考查标准，为实际加工过程提供必要的数据作为参考。

分析过程的分类如下：
1、直接进行型材拉弯，然后考察其回弹量；
2、首先对型材做一个整体拉伸，然后再进行型材拉弯，最后进行回弹分析；
3、第一步进行型材拉弯，然后对弯曲得型材做一个整体拉伸，最后进行回弹分析；
4、首先对型材做一个整体拉伸，然后再进行型材拉弯，接着对弯曲得型材做一个整体
拉伸，最后进行回弹分析；
三、分析结果
针对以上提出的四种方案的具体流程，我们分别生成相应的分析模型进行计算。

下面总结了这四种分析方案得到的Mises应力、等效塑性应变、型材壁板厚度和最终成形之后的回弹量的对比结果。

由图５可以得到：对于方案2和方案4最大Mises应力的大小均为：127.9MPa，方案1和方案3最大Mises应力的大小均为：149.2MPa。

四个方案共同之处是Mises应力的分布表现一致，即应力集中区域都是在型材的弯曲部分，尤其竖筋与板的交界处；不同之处在于方案2和方案4的Mises应力分布更均匀，而方案1和方案3的Mises应力分布集中。

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图５ Mises应力分布云图
由图６可以得到：对于方案2和方案4最大等效塑性应变的大小均为：0.04734，方案1和方案3最大等效塑性应变的大小均为：0.04738。

四个方案等效塑性应变的最大值基本相等，不同之处在于方案2和方案4的等效塑性应变分布更均匀。

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图６等效塑性应变分布云图
由图７可以得到：四个成形方案对于型材厚度的影响基本相等，即厚度变化最大的区域的位置和大小相同。

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图７壁板厚度分布云图
由８可以得到：对于方案2和方案4，最终变形位移最大为：146.1mm，方案1和方案3，变形位移最大为：142.3mm。

从分析步骤来看，型材位移大小表征了型材成型之后的回弹量，图９为回弹分析之前各方案中型材的变形位移大小。

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图８回弹分析之后变形位移分布云图
图９回弹分析之前变形位移分布云图
图９与图８相减后得到，方案1的回弹大小为6.5mm ，方案2的
回弹大小为3.3mm ，方案3的回弹大小为6.5mm ，方案4的回弹大小为2.8mm 。

四、总结
从表一可以看出，方案二和方案四的成形过程对于成形效果来说具有变形相对均匀、应力集中不大、回弹量较小等特点，尤其方案四，优势更为突出，因此更应作为实际加工流程来考虑。

表一：四种方案计算结果对比 Mises 应力
等效塑性应变壁板厚度回弹量(U2) 方案一
分布相对集中，最大值为149.2MPa. 分布相对集中，最大值为0.04738. 厚度变化为：0.033mm. 6.5mm 方案二
分布相对均匀，最大值为127.9MPa. 分布相对均匀，最大值为0.04734. 厚度变化为：0.033mm. 3.3mm 方案三
分布相对集中，最大值为149.2MPa. 分布相对集中，最大值为0.04738. 厚度变化为：0.033mm. 6.5mm 方案四分布相对均匀，最大
值为127.9MPa. 分布相对均匀，最大值为0.04734. 厚度变化为：
0.033mm. 2.8mm
五、方案改进
我们从方案四出发，通过修正模具的形状来达到影响最终成形的回弹量的目的。

第一步，考虑到方案四的回弹量为 2.8mm ，我们直接修正模具的圆弧部分，将其半径4 1
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减小2.8mm，图10是重新计算得到的最终位移分布云图。

图10 初步修正模具后得到的型材变形位移云图
最终的位移大小为148.6mm，与方案四中最终期望的位移（148.9mm）相差0.3mm，这是很好理解的：因为后者变形更大，因此回弹量也更大。

于是，我们可以继续进行修正，如图11所示，回弹之后，型材最终停留在位移为148.9mm处，跟目标形状一致。

图11 最终修正模具得到的型材变形位移云图。