薄壁管液压成形的数值模拟.docx

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薄壁管液压成形的数值模拟

薄壁管液压成形的数值模拟

摘要

液压成形技术以其特有的优点迅速发展，成为了汽车、航空航天等领域的一种重要的零件加工手段。

但是液压成形还是一门比较年轻的工艺技术，理论与实际的应用中还有许多的问题需要研究。

本文采用理论分析、有限元数值模拟和正交试验研究相结合的方法，对典型异型变截面管的液压成形进行研究，探讨了最大加载压力、初始管坯壁厚和摩擦系数对异型变截面管液压成形性能的影响规律。

本文运用有限元软件Dynaform对典型异型变截面管进行有限元数值模拟，分析液压成形主要工艺参数如最大加载压力、初始管坯壁厚和接触面的摩擦系数对薄壁管液压成形性能的影响，并在现有实验数据的基础上找出典型异型变截面管工件的最佳的工艺参数组合。

有限元模拟的结果表明最大加载压力和初始管坯壁厚都是影响成型件最大减薄率的管件参数，同时表明接触面的摩擦系数对改善成型件的质量也有重要作用。

通过控制变量对比不同的参数对成型件质量的影响，表明其他参数不变的情况下初始管坯的壁厚越大，减薄率越小，但是过大的壁厚会导致褶皱面积的扩大；最大加载压力增大会增大最大减薄率，易引发工件的破裂，但是压力过小又会使得工件变形不充分；减小接触面的摩擦系数有利于减小最大减薄率和改善工件质量。

所以适当的选择最大加载压力、初始管坯壁厚和接触面摩擦系数可以得到满足条件的成型件。

根据以获得的相关工艺参数对薄壁管液压成形结果的影响，设计了一个3因素3水平的正交试验，在现有模拟实验数据的基础上，得出最佳的工艺参数组合，并研究了最大加载压力与初始管坯壁厚的交互性。

关键词：

异型变截面管，液压成形，有限元数值模拟，工艺参数

NumericalSimulationofThin-walledTubeHydroforming

Author：

Zhan

Tutor：

Zhang

Abstract

Hydroformingtechnologydevelopedrapidlywithitsuniqueadvantages,hasbecomeakindofautomotive,aerospaceandotherfieldsimportantpartsprocessingmeans.Buthydroformingstillarelativelyyoungtechnology,theoryandpracticalapplications,therearemanyproblemstobestudied.Inthispaper,theoreticalanalysis,finiteelementnumericalsimulationandorthogonalexperimentmethodofcombiningstudiesoftypicalhydraulicvariableshapedcross-sectiontubesformingastudytoexaminethemaximumloadpressure,theinitialtubewallthicknessandfrictioncoefficientofthevariablecross-sectionprofiledpipehydroforminginfluenceofperformance.

Inthispaper,thefiniteelementsoftwareDynaformshapedvariablecross-sectionofatypicalfiniteelementnumericalsimulationoftube,hydroformedmainanalysisofprocessparameterssuchasthemaximumloadpressure,thefrictioncoefficientoftheinitialtubewallthicknessandthecontactsurfaceoftheformingpropertiesofthin-walledtubeshydraulic,andidentifyexistingexperimentaldataonthebasisofthetypicalalienbecomesthebestcombinationofprocessparameterssectionofpipeworkpiece.Finiteelementsimulationresultsshowthatthemaximumloadpressureandinitialimpactofthetubewallthicknessisthelargestpipefittingparametersmoldedpartsthinningratealsoshowsthefrictioncoefficientofthecontactsurfacetoimprovethequalityofmoldedpartsalsohaveanimportantrole.Bycomparingtheeffectsofdifferentcontrolvariableparametersonthequalityofmoldedparts,indicatingthattheinitialtubewallthicknessoftheotherparametersunchanged,thesmallerthethinningrate,buttoomuchwillleadtotheexpansionofthewallthicknessofthefoldarea;themaximumloadpressureincreasewillincreasethemaximumreductionrate,easilyleadtoruptureoftheworkpiece,butthepressureistoosmallwillmakedeformationoftheworkpieceisnotsufficient;reducedcontactsurfacefrictioncoefficienttendstoreducethemaximumreductionrateandimprovethequalityoftheworkpiece.Therefore,appropriateselectionofthemaximumloadpressure,thewallthicknessoftheinitialtubeandthecontactsurfacefrictioncoefficientcanbeobtainedtomeettheconditionsofthemoldedarticle.

Accordingtotherelevantprocessparametersaffectobtainedforthin-walledtubehydroformingresults,designedathreefactorsandthreelevelsoforthogonalexperiment,theexistingsimulationdata,basedontheoptimumcombinationofprocessparametersandtostudythemaximumloadpressureandtheinitialtubewallthicknessofinteractivity.

KeyWords:

shapedvariablecross-sectiontubes,hydroforming,finiteelementsimulation,processparameters

目录

1绪论1

1.1课题的背景1

1.1.1课题的背景1

1.1.2管件液压成形原理1

1.1.3成形工艺过程及相关设备3

1.1.4管件液压成形的优点及应用4

1.2国内外液压成形研究现状6

1.2.1国外液压成形研究现状6

1.2.2国内液压成形研究现状7

1.3课题研究内容及目的8

1.3.1课题研究的目的8

1.3.2课题研究的方法8

1.3.3课题研究的内容8

2有限元分析的基本理论10

2.1有限元分析的基本思想10

2.1.1有限元的发展简况10

2.1.2有限元法的分析计算思路10

2.2动态显示有限元分析基本理论11

2.2.1动态显示有限元分析基本理论11

2.2.2中心差分法12

2.3有限元数值模拟软件Dynaform介绍13

2.4本章小结14

3异型截面管液压成形的数值模拟15

3.1异型变截面管液压成形特点分析15

3.2管件有限元模型15

3.2.1几何模型15

3.2.2网格划分16

3.2.3管坯材料定义17

3.2.4边界条件18

3.2.5仿真工艺条件匹配19

3.3液压成形性能的影响因素19

3.3.1管坯壁厚对液压成形性能的影响20

3.3.2内压力对液压成形工件性能的影响23

3.3.3接触面摩擦系数对液压成形工件性能的影响25

3.4异型变截面管材液压成形应力应变分布28

3.5本章小结29

4薄壁管液压成形的工艺参数优化31

4.1正交试验法的原理31

4.2正交表32

4.2.1选择正交表的因素与水平数32

4.2.2正交表的表头设计33

4.3正交试验的结果分析33

4.3.1交互作用的分析34

4.3.2确定最优组合35

4.4本章小结37

结论38

致谢39

参考文献40

1绪论

1.1课题的背景

1.1.1课题的背景

随着汽车制造、航空航天等工业的不断发展，轻量化结构因为其节省材料、节约能源和减轻对环境的污染等优点而显得日益重要，已经成为现代制造技术的重点发展方向之一。

而实现结构轻量化有两条主要途径：

第一材料途径，采用轻型材料，如铝镁合金、钛合金等，或者采用高强度材料，比如高强度钢等材料；第二结构途径，改进现有制造工艺、采用先进制造工艺，如液压成形技术和激光拼焊技术等[1]。

其中液压成形技术主要用于处理管件，使之形成具有符合工程要求的截面，用于取代个实心的组件。

在不增加材料成本的前提下，既可以减少零件的质量又可以充分利用材料强度和刚度。

随着超高压力密封技术与超高压计算机控制技术的不断发展和改进，管件液压成形技术快速发展,并慢慢走向成熟,已成为一个金属塑性成型加工研究的前沿和热点领域。

并已广泛应用于欧洲、北美、日本、韩国和其他国家的大型企业[2]。

1.1.2管件液压成形原理

管件液压成形技术（TubeHydroforming，简称THF技术）是将预处理过的定尺管材放于模具型腔内，往管件内注入高压液体的同时配合轴向进给补料，使得管件在模具型腔约束下充模胀形，直到其外壁与模具型腔贴合，成形出各种所需要的中空零件。

此技术很适用于整体成形沿零件轴向连续变化的圆形、矩形或异形截面等各种复杂结构零件，并且成形精度很高。

管件液压成形技术的基本原理如图1，其过程如下[3]。

a将预处理过的一定尺寸的管材置于开启的模具型腔内，固定好位置。

b.压机对模具施压使之闭合，同时补料密封头朝模具内腔移动，模具闭合时密封头恰好运动到补料导向过渡位置且停留在该处。

c.通过预填充回路往管件内注入低压液体介质，使之充满模具型腔的补料过渡段和管件内腔，同时将空气排出，多余的低压液体介质经模具上的泄漏孔回收到收集槽中。

d.补料密封头逐渐向模具内腔移动，将管件两端密封，形成封闭内腔。

e.通过补料密封头的开孔向管件内注入高压液体介质，在模具型腔约束下，管件充模胀形，同时对管件两端同时施加轴向补料力，将管件两端的材料推入模具型腔，以补充膨胀所需材料，从而避免管件壁厚因为膨胀而减薄。

f.模具型腔与管件外壁贴合后，保持压力一段时间，使管件的局部区域（比如圆角较小的区域）充分贴合模具，之后将模具打开，退出密封头，将乳化液排出，取出已经成形好的零件。

图1管件液压成形原理示意图

1.1.3成形工艺过程及相关设备

为了控制成形件壁厚均匀性和原材料成本，管件液压成形件一般采用板材焊接而成的焊管作为初始管坯。

对于轴线不为直线的复杂截面形状的零件，从供应态板材到最终零件，完整的管件液压成形工艺过程通常由管坯准备、弯管和成形3个主要阶段组成[3]。

管坯准备阶段是将钢板经一系列工序制成液压成形零件所需要的直管坯的过程；弯管阶段是为了将管坯放入成型模具做准备的，这一阶段将一定尺寸直管坯弯曲成与零件大致形状，若管坯弯管后形变硬化严重，应弯管后增加退火工，否则会大幅增加后续成形压力，影响成形零件的质量；成形阶段是将经过弯管阶段的管坯成形为零件的最终形状的过程，也是液压成形工艺技术含量最高的步骤。

通常来讲，管坯准备阶段所需的管坯可以直接向上游供应商订购，所以零件制造厂在采用管件液压成形技术来制造零部件时不需要完成管坯准备阶段，只需要完成弯管和成形这两个阶段。

其相关设备布置如图2[3]。

主要有数控弯管机（带焊缝检测和上料装置）、预成形压机、清洗烘干机、端头切割机（等离子或激光切割）、管件液压成形机、涂油机等，其中最关键的设备是管件液压成形机，这也是最贵重的设备[3]。

图3是管件液压成形机的基本结构，主要由水压系统、合模液压机及协调控制两者工作的控制系统组成。

其中合模液压机提供液压成形所需要的锁模力，水压系统提供两端补料的液压推力，以及预填充、液压成形液体介质和管件成形的内部胀形压力。

固定在模具上的水平补料缸，水压系统相应接口与模具的管路接口连接后即构成预填充回路、补料回路和高压成形回路。

图2相关设备布置

图3管件液压成形机的主要结构

1.1.4管件液压成形的优点及应用

一次整体成形是管件液压成形技术的主要特点，因此尤其适合沿轴向截面变化复杂的空心结构件、管件及轴类件等的制造。

与此类零件传统生产方法铸造、冲焊组合工艺或锻造后再机械加工工艺相比较，管件液压成形工艺有以下几个优点[4]。

（1）减轻质量，节约材料

相比锻、铸后机械加工的轴类零件，可减轻重量40%~50%；相比冲压组焊类空心构件，可减轻重量20%~30%。

（2）提高零件质量

管件液压成形属于大变形塑性成形，成形所产生的加工硬化在一定程度上提高了零件的刚度、强度及疲劳强度。

以采用管件液压成形的散热器支架为例，其水平方向提高约40%~50%，垂直方向提高约30%~40%，另外成品零件的外形精度和尺寸精度较高、壁厚均匀，零件的整体质量有大幅提升。

（3）减少零件和模具数量

传统冲压制造工艺需要很多套模具才能制造出零件，而管件液压成形一般只需一套模具。

如福特公司生产的蒙迪欧（MONDEO）车型，使用管件液压成形技术后，其后副车架主体件由之前的需要6个冲压件组焊而减少到只需要1个整体零件，其需要的模具也从32套减少为3套。

（4）减少后续装配及组焊工作量，减少工艺数量，提高生产效率

由于管件液压成形为管件整体成形，所以大幅减少了复杂部件的零件数量，同时减少了后续工作量。

仍以上面提到的散热器支架为例，焊点从174个减少到只有20个，装配工序由13道减到只有6道。

（5）降低生产成本

根据相应的统计分析，管件液压成形件和冲压组焊件相比起来，生产成本平均能降低15%到20%不等，模具成本可节约20%到30%不等。

（6）零件形状及结构设计可以更加灵活

管件液压成形零件可以随整车布置的需要而进行轴线及截面形状的优化设计，使布置更加紧凑。

基于上述诸多优点，德国率先于20世纪70年代开展了管件液压成形技术的基础的研究，但是商业上真正的大规模应用则是开始于20世纪90年代初。

1990年，北美的Vari-Form公司开创性的采用液压成形制造工艺为克莱斯勒汽车公司生产小型货车的仪表板梁，起初年产能力约为30万件。

1993年，戴姆勒-奔驰公司（Daimler-Benz）建立了世界上首条管件液压成形生产线。

到了1994年，SPS公司制造的全球首条全自动液压成形生产线于宝马汽车公司的Dingolfing工厂投入使用。

同一年，福特公司在旗下的Contour和Mystique两款汽车上应用液压成形的发动机支架；而通用公司在旗下BuickRegal和OldsmobileCutlass两款汽车上均采用液压成形仪表板梁。

汽车工业实力不及欧美发达国家，所以液压成形在亚洲的起步比较晚，拥有较强汽车工业的韩国和日本分别在2003年和1997年建立了自己的液压成形生产线；在国内，上海宝钢和无锡纽普兰等公司也于最近几年建立了自己的液压成形生产线，从事液压成形工艺的生产和研究。

现在世界上各大汽车公司都相继建成了液压成形生产线，纷纷投入了大量的人力和物力展开对液压成形技术的研究，汽车上所能见到的液压成形件也越来越多。

目前，美国通用汽车公司已经能生产长度达12m的液压成型件；瑞典的APT公司已经可以生产直径200mm，厚度10mm重量达到60kg的液压成型件；液压成型件单件生产时间已经缩短到最短10s以内，年生产能力超过500万件[5]。

表1给出了管件液压成形工艺在汽车各个总成上的应用实例。

图4是利用该工艺加工的部分零部件。

表1

图4汽车上部分液压成形零件

1.2国内外液压成形研究现状

1.2.1国外液压成形研究现状

现对于国内，国外很在就开始研究液压成形工艺。

许多著名的团队和学者都对液压成形技术做过大量的研究工作，并取得了一定的成果。

回顾国外管件液压成形技术的发展，主要由以下几个阶段。

（1）20世纪中期，Dvais就开始了管件成形工艺轴向拉伸和内压力作用下碳钢的的屈服及开裂情况展开了研究，之后Faupel对厚壁圆筒开展了类似研究，Crossland等几个科学家则在上诉研究基础上对厚壁圆筒的强度等问题开展了研究和探讨。

他们的研究为后续的学者提供一定的借鉴。

（2）到了60年代，日本的几位学者开始对管件液压成形工艺轴向力与内压匹配开展了研究，得到了膨胀量超过50%的管件。

Manabe等科学家在已有研究的基础上设计并制造了一部液压成形系统，这是一套可以通过微机进行控制的系统。

（3）进入90年代，在航空航天和汽车工业高速发展的推动下，液压成形技术得到了快速的发展。

美国和德国的许多研究机构和几大汽车公司都开始系统的研究针对液压成形工艺关健技术的基础研究和应用技术工作。

在美国，，开展研究的主要是俄亥俄州立大学、通用汽车公司、Vari-From和Hydronamic公司。

在德国开展研究的主要是斯图加特大学和帕德博恩大学、SPS公司、APT公司和Schuler公司。

帕德博恩大学的学者和团队对液压成形工艺的研究是立足于制造一些汽车车身的重要零部件，这些研究为以后的研究奠定了良好的基础。

美国的Altan等学者将理论推导和有限元模拟两种方法应用在液压成形工艺上测试了304管件的应力曲线[6]。

（4）2005年，在第八届ICTP会议上，德国的学者发表了关于有关镁合金材料在热态液压成形方面的研究成果，同时一些学者开始将有限元模拟方法运用于液压成形工艺分析的研究。

数值模拟技术也被越来越多的运用在一些复杂的液压成形零件的分析上，使得研究人员能直观准确的分析复杂的成形过程。

（5）现今随着液压成形的不断发展，越来越多的液压成形零件被用于汽车和航空器上面。

使用液压成形工艺所能加工的零件的尺寸也越来越大。

运用液压成形技术已经能生产出长度超过12m的低碳钢汽车纵梁，Volve汽车公司已经能运用液压成形生产出长度达到5m的铝合金零件，而APT公司则使用液压成形技术已经生产出来直径超过200mm，厚度达到10mm的零件。

1.2.2国内液压成形研究现状

由于早期我国的重工业基础薄弱，所以对液压成形技术的研究起步较西方国家晚，所获得的科研成果也较有限。

早期主要是通过直接引进国外的先进设备，但是国外的许多企业往往都对这一核心技术保密。

随着国内工业的发展和完善，对液压成形技术研究的条件也在逐渐成熟。

国内较早开始研究液压成形技术并取得成果的是哈尔滨工业大学的王仲仁教授和他的团队，发明了国内首创的无膜壳体成型技术。

1999年，在国家自然科学基金的资助下，哈尔滨工业大学研发设计了我国第一台液压成形设备。

哈尔滨工业大学的苑世剑教授和他的团队首次提出了管件液压成形过程中有益褶皱理论，以及如何降低整形压力的方法，研发了具有自主知识产权的工艺和关键技术。

发现了封闭壳体无模液压成形机理，首先发现了椭球壳体的临界轴长比。

清华大学的雷丽萍等学者运用刚塑性有限元法对成形过程中的失稳现象进行了预测。

运用HydroForm软件，结合Oyane延性断裂准则对液压成形管件展开数值模拟，得到了汽车副架液压成形的仿真分析结果[7]。

1.3课题研究内容及目的

1.3.1课题研究的目的

通过对给定的薄壁管件液压成形过程进行理论分析和数值分析，找到管件液压成形影响成形的关键因素和成形规律，得出成形结果和这些因素之间的关系，通过对相关参数的优化，从而改进管件液压成形的工艺技术，最后达到促进液压成形技术在工业生产中的推广应用。

为了能够更好地控制液压胀形件质量，研究和预测胀形中可能出现的缺陷，有必要对成形过程的参数进行研究。

本文对薄壁管的液压成形过程进行有限元数值模拟，以达到合理选择工艺参数和模具结构尺寸参数，预防胀形缺陷、提高成形质量的目的。

1.3.2课题研究的方法

管件液压成形工艺过程经常是集边界条件非线性、材料非线性、几何非线性于一体的高度非线性问题，而且同时又常常伴随有很大的转动和位移，所以成形过程极其复杂。

考虑到上诉原因，采用实体试验法获取工艺设计和模具的参数不仅耗费大量的财力和人力，而且不易获得最理想的结果；而数值模拟方法不仅能准确地体现出液压成形过程，而且能显示工件贴模情况，预测成形缺陷，给出应力应变、壁厚分布，通过有限元仿真试验还可获得经过优化的加载曲线、管件与模具的形状和尺寸参数等，非常适合用于本次薄壁管液压成形数值模拟分析。

所以本次课题使用有限元法对薄壁管液压成形进行数值模拟。

应用DYNAFORM软件建立几何模型和物理模型，结合已有的研究成果，对薄壁管液压成形的数值模拟进行研究。

1.3.3课题研究的内容

本次课题是薄壁管液压成形与数值模拟，所研究的主要有以下几个内容。

（1）应用金属塑性成形原理对薄壁管液压成形进行理论分析，结合已有的研究成果，对流动准则、屈服条件进行研究。

得到理论计算公式，计算出优化的工艺参数，为有限元模拟提供依据。

（2）应用ETA公司的Dynaform有限元处理软件建立物理模型和几何模型，对薄壁管液压成形过程进行数值模拟，模拟成形过程薄壁管金属的流动情况，得到壁厚分布情况和缺陷产生的原因及预测。

（3）针对有限元数值模拟的一些关键问题，从接触分析，时间步长，摩擦条件，收敛准则等方面讨论加载路径选择的原则，分析最终结果受到加载路径的影响，