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:A

FE M Si m ulation and Exper i m en tation

Analysis for Tube Hydroform i ng Process

GAO 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 YNA

0　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 ing

2　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78002100.32524107460.223150582

903(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)