考虑拉压不对称的薄壁管数控热弯有限元建模关键技术
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典型零件形体的热变形模型及其有限元仿真金少搏;赵凤霞;李纪峰【摘要】随着精密技术的精度不断提高,温度变化引起零件形变带来的影响不容忽视,为了解决此问题,根据弹性力学和热力学理论,建立了典型零件形体的热变形模型,利用ANSYS有限元分析软件对典型零件形体的热变形误差及其分布进行了仿真,并进行了模型实验验证,给出了实例应用的分析,说明了热变形模型在公差与配合中的应用.结果表明,所建立的模型考虑了热应力的影响,相对于传统计算方法更加合理可靠,为合理进行零件的公差与配合设计提供了理论依据和参考.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】4页(P9-12)【关键词】热变形模型;ANASYS;有限元仿真;典型零件;圆柱孔轴【作者】金少搏;赵凤霞;李纪峰【作者单位】郑州大学机械工程学院,河南郑州 450001;郑州大学机械工程学院,河南郑州 450001;郑州大学机械工程学院,河南郑州 450001【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH1241 引言随着精密技术的精度不断提高,温度变化带来的影响愈来愈大,甚至成为制约精度的决定因素,并使传统的热变形误差理论失去作用[1]。
近年来,文献[2-5]中对轴类、孔类零件在均匀温度场和非均匀温度场下的热变形规律进行了研究和探索。
文献[6]中以有限元为工具,研究了稳态场下圆柱筒尺寸变化规律;文献[7]中基于ANSYS对主轴热变形进行了建模与预测分析;文献[8]中对模块化工具系统中非线性温度下的主轴热变形位移量进行了数学建模,并提出了补偿模型。
但以上研究大都针对孔轴零件进行热变形研究,对球类、板类零件研究较少。
基于弹性力学和热力学建立了典型零件形体的热变形数学模型,基于ANSYS有限元分析软件对典型零件形体的热形误差及其分布进行了仿真,并进行了实验验证,最后进行了实例应用分析。
2 典型零件形体的热变形模型圆柱孔类、轴类、板类、球类零件是机械结构中的典型的基本零件形体。
芯棒伸出量对薄壁矩形管弯曲失稳起皱影响的数值模拟赵刚要刘郁丽杨合西北工业大学,西安,710072摘要:基于动态显式有限元平台ABA QUS/Ex plicit,建立了3A21铝合金薄壁矩形管绕弯成形过程的三维有限元模型,模拟分析了芯棒伸出量对薄壁矩形管绕弯成形过程中失稳起皱的影响规律。
结果表明:随着芯棒伸出量的增大,起皱波纹高度逐渐减小,切向压应力极大值波动的峰值减小,等效应力逐渐减小,并且变化趋于平缓;当芯棒伸出量达到一定值后,随着芯棒伸出量的增大,起皱波纹高度极大值变化不明显。
该研究对薄壁矩形管绕弯成形工艺参数的确定具有重要的参考价值。
关键词:薄壁矩形管;芯棒伸出量;失稳起皱;绕弯成形;数值模拟中图分类号:T G386;T P391 文章编号:1004)132X(2006)S2)0035)03Numerical Simulation of Influence of Mandrel on Wrinkling in Bending ofThin -walled Rectangular Tube Zhao Gangyao Liu Yuli Yang H eNo rthw estern Po lytechnical University,Xi .an,710072Abstract :A three-dimensio nal FEM mo del of ro tary draw bending of thin-w alled rectangular tube is built under the ABA QUS/Ex plicit env ir onment.Based on the model,a simulation and analysis of ro tary draw bending for aluminum alloy 3A21thin-w alled rectangular tube hav e been car ried out.The r esults sho w that the max imum heig ht of w rinkling w ave decreases obviously w ith the increase of the initial lead of the mandrel,the m ax imum tangential com press stress and the equivalent stress de -creases g radually,and the variation becom e steadier.T he maxim um height of w rinkling w ave does not almost alter w ith the increase of the initial lead of the mandrel w hen the initial lead reached a fix ed va-lue.T he achievem ents o f this study provide a g uideline for determ ining the process parameters fo r thin -w alled rectangular tube in rotary draw bending process.Key words :thin-w alled r ectangular tube;m andrel initial lead;w rinkling;rotary draw bending;numerical simulatio n收稿日期:2006)08)15基金项目:国家自然科学基金资助项目(50575184);西北工业大学研究生创新实验中心资助项目(05072)0 引言铝合金薄壁矩形波导管是雷达和无线电通信系统中的关键部件,被广泛应用于航空、航天等领域。
拉压不对称本构全文共四篇示例,供读者参考第一篇示例:拉压不对称是一种常见的现象,也是一个重要的材料本构特性。
在材料的拉伸和压缩过程中,往往会出现拉压不对称的情况,即在拉伸和压缩方向上的应力-应变曲线不对称。
这种不对称性不仅对材料的力学性能产生影响,还会对材料的工程应用带来一定的挑战。
拉压不对称是由于材料微观结构的非对称性导致的。
在金属材料中,晶粒的取向、晶粒内部的位错堆积等因素都会导致材料在不同方向上的变形行为不同。
在晶粒的特定取向下,材料在拉伸时会出现颈缩现象,而在压缩时则不会出现。
这种差异性导致了材料的应力-应变曲线在拉伸和压缩方向上不对称。
拉压不对称的本构特性在材料设计和加工中具有重要意义。
了解材料的拉压不对称特性可以帮助工程师更准确地预测材料在现实工程应用中的行为。
在设计零件的结构时,需要考虑材料在拉伸和压缩状态下的强度和变形性能,以确保零件在使用过程中不会发生失效。
拉压不对称还可以用于改变材料的力学性能。
通过调控材料的微观结构和添加合适的合金元素,可以实现材料在拉伸和压缩状态下的性能均衡,从而提高材料的综合性能。
要研究材料的拉压不对称本构特性,需要进行一系列的实验和模拟分析。
在实验方面,可以通过拉伸试验和压缩试验来获取材料在拉伸和压缩状态下的应力-应变曲线,进而分析材料的拉压不对称性。
在模拟方面,可以借助有限元方法和分子动力学模拟等技术来模拟材料的微观结构和变形行为,以揭示拉压不对称的机制及影响因素。
拉压不对称是材料本构中的重要特性,对材料的工程应用和性能具有重要影响。
通过深入研究拉压不对称的机制和调控方法,可以为材料设计和加工提供重要的指导,促进材料科学与工程领域的发展。
【本段是增加内容的一种方式,可以根据实际情况修改或者增加相关内容】在研究材料的拉压不对称本构特性时,需要重点关注材料的微观结构和变形行为。
根据材料的晶体结构和位错运动规律,可以理解材料在拉伸和压缩状态下的行为差异,从而揭示拉压不对称的机制。
6061铝合金超薄壁弯管制造工艺及组织性能研究丁月霞;马燕楠;郭群;王辉;马福业;郭训忠【摘要】通过单向拉伸试验建立了材料的本构方程,对6061铝合金板材半片拉深成形过程进行了有限元模拟,研究了摩擦系数与压边力对拉深成形结果的影响规律模拟结果表明:拉深成形时,应采用较大的压边力和较小的摩擦系数,以避免外管的外弧处易出现明显的起皱缺陷;基于模拟结果,进行了6061铝合金Φ202mm×1mm 弯管半片拉深成形;最后对半片焊接后的超薄壁弯管进行了耐压爆破试验及关键部位微观组织分析.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)017【总页数】5页(P50-54)【关键词】6061铝合金;超薄壁弯管;有限元模拟;拉深成形【作者】丁月霞;马燕楠;郭群;王辉;马福业;郭训忠【作者单位】江苏华阳金属管件有限公司,镇江212400;南京航空航天大学先进材料及成形技术研究所,南京211100;江苏核能装备材料工程实验室,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100;南京航空航天大学先进材料及成形技术研究所,南京211100;江苏核能装备材料工程实验室,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100;南京航空航天大学先进材料及成形技术研究所,南京211100;江苏核能装备材料工程实验室,南京211100;南京航空航天大学先进材料及成形技术研究所,南京211100;江苏核能装备材料工程实验室,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100;南京航空航天大学先进材料及成形技术研究所,南京211100;江苏核能装备材料工程实验室,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100【正文语种】中文导管是现代军机、民机上的关键部件之一,将各种介质输送到飞机发动机、起落架、座舱等关键部位,满足飞机包括燃油、氧气、液压、环境控制等方面的系统需求[1-3]。
薄壁球壳压缩非对称屈曲特性的实验及有限元分析周刚毅;董新龙;郝伟伟【摘要】The deformation behaviors of thin-walled spherical shells subject to quasi-state and dynamic com-pression are studied experimentally. The process of deformation, the non-axisymmetric buckling characteristic and its influence factors are analyzed in detail using ABAQUS finite element code. The results show that the deformation modes are dependent on the impact velocity. It is found that, if impact loading speed increases, the collapse modes shift from pentagons to hexagons. The dynamic loading-deformation curve on which the impact velocity is not very high is in good consistence with its quasi-static one. Meanwhile, the load-deformation curves of FEM simulation conform well to the experimental results at the stage of axi-symmetric inward dimple, but it is not so at the non-axisymmetric buckling stage. Furthermore, the process of deformation of spherical shells and its effect factors are discussed, suggesting that the contact constraints of surface between spherical shell and rigid plate play a significant role in the process of non-asymmetric deformation.%采用实验方法研究了球壳在刚性板准静态和冲击压缩下变形特性及非对称屈曲模态,结合ABAQUS有限元分析了球壳冲击压缩下的屈曲变形过程、非对称屈曲特性,探讨了其影响因素。
文章编号:2095-6835(2023)24-0006-05弯管成型截面畸变的有限元分析*谌宏1,2(1.江苏科技大学苏州理工学院,江苏苏州215600;2.张家港江苏科技大学产业技术研究院,江苏苏州215600)摘要:针对弯管成型截面畸变的问题,基于ABAQUS有限元分析软件,建立了21-6-9高强度不锈钢管弯曲的有限元模型。
研究了相对弯曲半径、相对壁厚、弹性模量、屈服强度关于弯管成型截面畸变的显著性规律及经验公式。
研究结果表明,根据正交试验设计判断出,显著性强弱为相对弯曲半径>相对壁厚>屈服强度>弹性模量;为降低弯管成型截面畸变率,可以选用相对弯曲半径较大的工艺组合;根据回归分析结果,得出成型参数关于弯管成型截面畸变率的经验公式,并校核验证了大概适用范围,该公式可以预测非大半径弯管成型截面畸变的情况,完善后可应用于实际生产。
关键词:管材弯曲;成型参数;截面畸变;有限元模拟中图分类号:TG386.3文献标志码:A DOI:10.15913/ki.kjycx.2023.24.002作为现代弹塑性加工工艺代表之一的管材加工工艺,其管材弯曲加工是其重要的组成部分,管材部件的轻量化、强韧化、高效、低耗等特点显著,被广泛应用于汽车制造、航空航天、输油管道等高新技术领域。
管材弯曲过程是一个非线性多重复杂的物理过程,在弯曲过程中容易出现成型截面畸变、起皱、壁厚减薄等各种质量缺陷,亦会发生回弹等多种问题。
因此,针对成型截面畸变问题开展几何非线性的模拟分析,了解其成型机理因素的显著性,判断最优弯曲方案,预测最大成型截面畸变,合理规避不合格的缺陷管材具有重大意义。
在管材弯曲成型系列研究中,国内外学者针对横截面变形现象开展了各种各样的研究。
王光祥等[1]通过实验的方法研究了弯曲中心角对截面畸变的影响,发现弯曲中心角是影响截面畸变的重要因素,椭圆率随弯曲中心角增大而增大,可以根据这个结论进行预测;JIANG等[2]主要研究了不同数控弯曲模组下的强度TA18管,其弯曲模、刮水模、夹紧模、压力模的合理选用可以提高截面质量;鄂大辛等[3]在平面应力和三向应力状态假设下,得出横截面短轴变化与壁厚的关系式;王刘安等[4]通过6061-T6铝合金管单向拉伸试验数据,对异形弯管进行有限元模拟,得出芯棒与管壁间隙大于1mm时,管材畸变减小,否则畸变严重的结论;何花卉等[5]在管材弯曲变形试验的基础上,进行有限元分析,指出长、短轴变化率比椭圆率更能形象反映界面形状变化,且短轴变化率更加明显,认为弯曲部分变形有向后段直管部分扩散的趋势;方军等[6]通过有限元软件建立不锈钢管材绕弯成型的弹塑性模型,分析了几何和材料参数对截面畸变的影响规律;宋飞飞等[7]利用有限元软件模拟Ti35合金管材绕弯过程,研究了芯棒伸出量、弯曲角度、压块相对助推速度、相对弯曲半径对它的影响规律;官强等[8]通过ABAQUS有限元软件模拟分析了圆管弯曲成型,提出将最大截面畸变率提高20%,应用实际加工判断截面质量的可行性;陈国清等[9]基于MSC.MARC有限元软件建立了推弯成型有限元模型,得出大弯曲半径推弯时,良好的润滑条件有利于获得更好的成型质量的结论;梁闯等[10]通过ABAQUS/Explicit平台,建立了TA18高强钛管数控弯曲成型过程三维有限元模型,研究得出较好的间隙水平是0.1mm的结论;刘芷丽等[11]基于ABAQUS有限元软件,建立圆管压扁-压弯连续成型的有限元模型,分析了圆管的受力方式;陈钱等[12]通过Dynaform有限元软件建立了高强度薄壁管材有限元模型,得出芯棒与管材间隙关于截面畸变率的影响规律;ZHAO等[13]通过ABAQUS/Explicit程序建立了钢管的三维有限元模型,通过实验验证了其可靠性,发现最大横截面畸变的位置几乎随模与管间隙的变化而变化;YAN等[14]基于有限元方法建立了一种起皱能量预测模型的成型极限搜索算法,并依次研究了芯棒球厚度等参数对管材起皱的影响;苏海波等[15]利用有限元方法对管材弯曲成型过程进行了数值模拟,得出了弯角外侧平均壁厚与相对弯曲半径间的关系。
GH625高温合金管缩径旋压成形数值模拟及试验研究黎波;袁其炜;靳凯;万柏方;王辉;郭训忠;陶杰【摘要】基于ABAQUS/Explicit平台建立了高温合金管缩径旋压三维弹塑性有限元模型,对GH625高温合金管缩径旋压成形过程进行了模拟分析,研究了轴向进给速度、旋轮圆角半径、旋轮安装角度对高温合金管缩径旋压成形质量的影响规律.研究结果表明,高温合金变径管在旋压过程中,随旋轮的轴向进给,不同的区域截面变化趋势不同.对工艺参数进行分析,发现轴向进给速度及旋轮圆角半径增大时,壁厚增大;旋轮安装角度对零件壁厚无明显影响;进给速度越大或圆角半径越大,截面椭圆度越大;距自由端较远时,旋轮安装角度越小,截面椭圆度越大;随着旋轮的进给,距自由端越近,椭圆度波动越严重.最后,根据数值模拟结果确定最终工艺参数为轴向进给速度0.25mrn/r,圆角半径取值2~4mm,旋轮安装角度为90°,并进行了高温合金管缩径旋压试验,得到了较好的成形件.%The elastic-plastic finite element model for the GH625 neck-spinning process was established by ABAQUS/Explicit software.The distribution of the stress,strain and the variation of the cross section of tube spinning process were analyzed.Furthermore,the effect of the spinning parameters on forming quality was obtained,such as axial feed rate,roller nose radius and roller installation angle.The spinning process results showed that the cross-sections in different zone of tube were generated different deformation.The results also reflected that the thickness increased with the increasing of the axial feed rate and roller nose radius.The roller installation angle had little influence on the tube thickness.The ellipticity became larger as the axial feed rate and roller nose radius increased.Located away from the free end,the ellipticity increased asthe roller installation angle decreased.The distribution of the ellipticity was uneven when the roller was near the free end of the tube.Finally,the process parameters was selected based on the simulation:0.25mm/r of axial feed rate,2-4mm of roller nose radius,90° of roller installation angle.The experiment was conducted and the accuracy quality tube was manufactured by neck-spinning experiment.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2017(000)018【总页数】7页(P36-42)【关键词】GH625高温合金;变径管;数值模拟;缩径旋压【作者】黎波;袁其炜;靳凯;万柏方;王辉;郭训忠;陶杰【作者单位】南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100;南京航空航天大学机电学院,南京211100;江苏图南合金股份有限公司,镇江212352;南京航空航天大学机电学院,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100;南京航空航天大学材料科学与技术学院,南京211100【正文语种】中文镍基高温合金因具有良好的抗氧化性、耐腐蚀性和优异的高温性能,广泛应用于航空、航天、核能、石化和海洋工程等重要领域[1-2]。
薄壁管拉扭变形应变路径控制试验研究吴建军 摘要控制模型的建立是一关键并在MTS拉扭试验设备上进行了薄壁管拉扭试验基于数值模拟和神经网络的应变路径控制方法的正确性人工神经网络 应变路径 控制 薄壁管Ëæ×ÅÏÖ´ú¹¤ÒµµÄ·¢Õ¹°üÀ¨¸´ºÏ²ÄÁÏÄѳÉÐβÄÁÏÔÚº½¿ÕÓë´ËͬʱÕâ¶¼ÒªÇóÉîÈëÑо¿²ÄÁϵıäÐιæÂÉÒÔ±ãÄÜÕýÈ·±æÊ¶²ÄÁÏÎïÐÔ²ÎÊýʹ²ÄÁÏÐÔÄܵõ½ºÏÀí´ïµ½Ô¤ÆÚµÄ³ÉÐÎÄ¿±ê¿ØÖÆÄ£Ð͵Ľ¨Á¢Êǹؼü²»ÉÙÎÄÏײÉÓÃͳ¼Æ·ÖÎöÖеļ«´óËÆÈ»·¨»ò×îС¶þ³Ë·¨[由于塑性成形的高度几何及物理非线性此外难以在成形中在线决策有的研究虽然采用人工神经网络技术[]应变控制是按设定目标路径进行变形的有效措施因此提高成形件质量及精度有十分重要的意义4-7为了验证本文应变路径控制方法的准确性¹Ø¼üÊǵ±²ÄÁÏÎïÐÔ²ÎÊýµÄ±æÊ¶Íê³Éºó±¾Îĸù¾Ý±¡±Ú¹Ü¸´ºÏÔØºÉÏÂÓ¦±äÔöÁ¿µÄÊýÖµ½â·¨[6]并建立了相应的应变路径控制模型,如图具体控制方法为文中初始m = 2单向拉伸试件过屈服点材料物性参数m值和目标应变增量输入到训练好的神经网络识别出所需应力增量进行拉扭加载然后再根据识别出的m值59805015增量识别出新的应力增量便可达到对应变路径控制的目的试验设备如图该试验系统的测试结果十分精确25kN50mm或FlexTestTM可方便准确地进行一次性破坏试验和千分之一牛顿范围内的疲劳试验100N最大扭转角为270或者选择 50 N最大扭转角为3600应变仪所能测量扭转角的范围是图2 MTS试验设备 图3 试验中安装完毕的试件图试件为LY12薄壁管所示内径10 mm退火炉中随炉降温至50经单拉试验得出试件的力学性能如下0.2 = 90.48 MPab = 213.45 MPa厚向异性指数R=0.7988强化指数n=0.3421按照目标应变路径使试件完成变形所示表示目标应变路径表示实际应变路径试验过程中实时识别所得材料物性参数m值及其所对应的应力状态和加载产生的实际主应变值及目标主应变都在表 图4 目标应变路径与实际应变路径 图5 加载路径表1 1 1 在分析传统板料成形控制方法不足和局限性的基础上提出一种基于数值模拟和神经网络的应变路径控制方法±¾ÎÄËù²ÉÓõĻùÓÚÊýֵģÄâºÍÉñ¾-ÍøÂçµÄÓ¦±ä·¾¶¿ØÖÆ·½·¨¶Ô²ÄÁÏÒÀ¾ÝÉ趨µÄÄ¿±êÓ¦±ä·¾¶½øÐÐÓ¦±ä¿ØÖÆÊÇÓÐЧµÄ参 考 文 献1 熊火轮. 计算机辅助塑性成形. 北京: 航空工业出版社, 1996 2 Goldenthal W. Application of neural networks to automatic control, Proc. of the AIAA Conf.,1990:110831 / MPa112. 3 Kao J Y117 4 楼顺天李顺平. 薄壁管复合载荷下应变增量的数值算法.机械科学与技术,2001,l20(1):33李顺平. 金属板料应变路径控制方法研究. 塑性工程学报,2000,7(4):33男西北工业大学机电工程学院教授主要从事塑性成形理论及计算机辅助塑性成形方面的科研工作 联系人陕西省西安市友谊西路127号 西北工业大学机电工程学院 联系电话 029-8493232薄壁管拉扭变形应变路径控制试验研究作者:吴建军作者单位:西北工业大学机电工程学院(西安)1.期刊论文吴建军.李祥基于数值模拟和神经网络的应变路径控制方法研究-西北工业大学学报2003,21(1)在金属塑性成形过程的应变路径控制中,控制模型的建立是一关键.文中所采用的应变路径控制模型是建立在材料物性参数m值实时辨识前提下以数值模拟和神经网络技术为基础的控制模型.根据上一步加载材料的实际应变增量、所加应力增量以及材料所在的应力状态识别出材料物性参数m值,再根据材料加载后的应力状态、目标应变增量以及识别所得m值,由训练好的识别应力增量的人工神经网络产生应加的载荷增量.在MTS试验设备上进行了薄壁管拉扭试验,通过试验过程中的实际应变路径与想要得到的目标应变路径的比较,验证了在正确识别材料物性参数前提下,基于数值模拟和神经网络的应变路径控制方法的正确性.2.期刊论文吴建军.李顺平.WU Jian-jun.LI Shun-Ping金属板料应变路径控制方法研究-塑性工程学报2000,7(4)本文将人工神经网络(ANN)用于应变路径的控制,旨在探索一种应变路径控制的新方法。
复合材料薄壁杆件非线性扭转分析
巫祖烈;赵奋;常国强
【期刊名称】《重庆交通大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2007(026)006
【摘要】考虑几何非线性的影响,建立了在拉、压、弯、扭组合变形下复合材料薄壁杆件理论.重点对杆件进行非线性扭转分析.由给出的等效本构方程和总势能泛函,根据最小势能原理导出了所给问题的平衡控制方程和相应边界条件.讨论了该方程和边界条件的求解.
【总页数】6页(P1-6)
【作者】巫祖烈;赵奋;常国强
【作者单位】重庆交通大学,土木建筑工程学院,重庆,400074;重庆交通大学,桥梁结构工程交通行业重点实验室,重庆,400074;重庆交通大学,土木建筑工程学院,重庆,400074;重庆交通大学,土木建筑工程学院,重庆,400074
【正文语种】中文
【中图分类】TU338
【相关文献】
1.开口薄壁杆件扭转分析的一维离散有限元法 [J], 任伟;杨绿峰;陈建芳;王丽敏;乔永平
2.闭口薄壁杆件的约束扭转剪应力分析 [J], 张元海
3.复合材料薄壁杆件的力学分析:(二)自由扭转问题 [J], 陈烈民
4.考虑次剪应力的薄壁杆件扭转刚度矩阵和它的有限元分析 [J], 郭乙木;鲁祖统
5.开口薄壁杆件约束扭转分析的广义参数有限元 [J], 杨绿峰;钟德文;李桂青
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考虑拉压不对称的薄壁管数控热弯有限元建模关键技术
作者:张晓丽严思梁
来源:《汽车世界·车辆工程技术(下)》2019年第02期
摘要:数控弯管工艺由于能够满足弯管件对高精度、高效率和数字化的加工要求,在航空航天等高科技领域占据了重要地位。
管数控弯曲成形是一个涉及材料、几何和边界条件非线性的复杂物理过程,成形过程中外侧区域处于拉伸应力状态,内侧区域处于压缩应力狀态,内外侧拉压不均匀变形直接影响管的成形精度。
结合理论分析和实验研究的有限元数值模拟方法,可以再现管弯曲成形过程中的金属流动,并且可以预测成形过程中缺陷的产生和演化,是解决这类复杂问题的有效途径。
因此建立考虑内外侧拉压变形差异的纯钛管加热弯曲成形有限元模型是分析管加热弯曲成形变形特征、深入研究应力状态对管变形行为的影响,实现管加热弯曲成形质量精确预测和控制的关键问题。
本文以有限元软件ABAQUS为仿真平台,根据管弯曲成形的特点,在薄壁管加热弯曲模型的基础上,赋予弯管内外区不同的应力状态,建立了考虑内外侧拉压变形差异的加热弯曲有限元模型,并对建模过程中几何结构划分、材料模型确定、网格划分等关键技术进行了详细的研究。
关键词:数控热弯;有限元建模;拉压变形差异
1 引言
钛合金作为一种新型结构材料,具有密度小、比强度高、抗蚀抗疲劳等优异的综合性能,在航空、航天、汽车、造船等行业获得日益广泛的应用。
大直径薄壁商业纯钛弯管件质量轻、耐腐蚀并能承受较高的工作压力,广泛用于燃油、环控等管路系统。
然而,由于商业纯钛在室温下成形具有各向异性显著、变形抗力大、塑性差、延伸率有限、回弹显著等特点,使得其精确成形困难;同时,适合冷弯曲成形的导管种类和规格有限,管材直径、壁厚、弯曲半径等指标亦受到诸多严格限制。
纯钛管加热后具有良好的塑性和延伸率,且变形抗力显著下降,故加热弯曲是解决纯钛管数控冷弯存在问题的一种有效途径。
纯钛管材加热数控弯曲成形技术是一个多模具约束下的复杂非线性物理过程,外侧区域材料受拉应力作用,内侧区域材料受压应力作用。
在不同应力状态下,材料的变形表现出差异性。
因此,考虑管材内外侧拉压不对称的数控热弯模型的建立是纯钛弯管应用中亟待解决的问题。
2 建模关键技术
基于ABAQUS平台,针对薄壁纯钛管Φ76.2×1.0668×152.4(外径D×壁厚t×弯曲半径Rd,mm)建立了考虑内外侧拉压变形差异的加热弯曲有限元模型,如图1所示。
由于管材具有对称性,采用1/2模型进行计算以提高计算效率。
2.1 管材几何结构划分
为了反映拉压应力状态对管本构关系的影响,沿应变中性层将管坯剖分为两部分。
在弯曲过程中,由于外区壁厚减薄大于内区增厚,应变中性层向内移动,如图2所示。
应变中性层内移量e'可以通过下式计算获得:
2.2 内外区应力不连续问题处理
在模拟过程中,当在管内区和外区分别施加压应力和拉应力时,在应变中性层处应力会发生不连续现象。
因此,为解决应力不连续性,实现应力在应变中性层处的平稳过渡,在应变中性层附近划分一个较小宽度的过渡区,过渡区宽度一般取1~3mm,如图3所示。
过渡区材料的流动应力介于拉伸和压缩应力之间,取为内外区流动应力的平均值。
对于本文研究中选取的过渡区宽度为2mm。
2.3 材料模型的确定
在实验所获材料应力应变关系基础上,选取弹塑性本构模型来描述管材性能,其中弹性阶段各向同性,塑性阶段采用Hill'48屈服准则来描述材料的厚向异性塑性变形行为,用Swift 强化方程描述管材在拉伸和压缩应力状态下的强化行为。
管材拉伸、棒材压缩以及中性层的应力-应变曲线如图4所示。
在模拟中,将图4中的应力应变关系分别赋予三个区域:
拉伸应力状态下的应力应变关系赋予外侧拉伸区域;
压缩应力状态下的应力应变关系赋予内侧压缩区域;
将拉压状态下的流动应力进行平均获得的平均应力应变关系赋予过渡区域,计算公式如下:
2.4 单元及网格划分技术
由于模具在成形中基本不变形,对管材变形影响很小,因此定义为离散刚体,采用刚体单元R3D4进行离散;对管材,采用壳单元S4R对管材进行离散。
为了能够得到较为精确的模
拟结果,同时兼顾计算效率,采用以下策略对管材进行网格划分:沿着弯曲方向,对管材的弯曲变形区划分较细的网格,单元尺寸为2mm×2mm(轴向×周向);对于其他部分(前端和尾端)采用较粗的网格进行划分,单元尺寸为4mm×2mm;过渡区比较窄,网格尺寸划分为
2mm×1mm。
图5所示为薄壁纯钛管的网格划分。
3 结论
本文根据管弯曲成形过程的特点,在TT模型的基础上,进一了步赋予了弯管内外侧不同的应力状态,设置了过渡区解决管内外侧应力不连续问题,建立TC模型,并解决了建模过程中纯钛管几何结构划分、单元网格划分的问题。
TC模型的建立为深入地研究内外侧拉压变形差异对纯钛管弯曲成形的作用规律提供了先进的平台。
安徽省教育厅自然科学研究重点项目;项目名称:新能源汽车薄壁变型线复杂构件背压挤压成形不均匀充型机理及精确调控研究; 项目批号:KJ2018A0647
作者简介:张晓丽(1989-),女,浙江温岭人,硕士研究生,助教,研究方向:金属材料塑性成形与质量控制。
*为通讯作者。