基于弹性体的三通管复合胀形技术研究

论文摘要

多通管在工业领域应用广泛,是各种中高压管路系统中必不可少的基础元件之一,而多通管的生产却一直是最困难的工艺之一。多通管的生产,已逐渐由传统的焊接、机加工和铸造等方法,过渡到胀形成形方法。多通管胀形是在压力作用下使管材沿径向扩张的成形工艺,是一种少无切削加工,半精/精成形技术,属于先进制造技术范畴。本文以三通管为典型零件,对以橡胶弹性体为胀形介质的多通管胀形工艺进行研究。由于多通管胀形过程既包含材料非线性,又有几何非线性和边界非线性的特点,选取非线性显式有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA为数值模拟平台,对成形工艺参数和加载路径进行优化。工艺参数优化。管坯参数优化:建立三通管胀形有限元模型,结合正交设计的思想获取训练、测试样本;采用Elman人工神经网络构建管坯料参数预测模型,以管坯长度、管坯壁厚和模具过渡圆角半径为网络输入参数,壁厚增减量不超过30%时的最大支管长度为输出参数;在MATLAB软件平台上完成预测网络的建立、训练、测试和管坯参数预测优化,得到圆角半径R=7 mm,壁厚t=1.5 mm,长度l0=100 mm的坯料参数。分析摩擦对成形影响:对管坯与模具摩擦系数μ1、橡胶棒与管坯摩擦系数μ2进行方案设计,引入评价函数并结合橡胶寿命考虑,得到最优组合μ1 = 0.1,μ2 = 0.35。复合胀形加载路径优化。对复合胀形反压的施加方式和加载路径进行了设计。对轴向加压胀形时支管高度随时间变化进行线性简化,选择反压冲头与支管开始接触时高度h0和反压冲头移动速度V3代替反压F3的施加,确定了h0 = 6 mm、反压冲压速度V3与轴向挤压冲头V1的速度比值V3/V1 = 1,轴压冲头小端长度l1 = 5mm的复合胀形方案,并得到较理想支管长度的三通管件。通过三通管轴向加压和复合胀形的壁厚分析、应变应力分析及支长度分析,表明复合胀形管件壁厚减薄更缓慢,壁厚分布更均匀,最终得到更大的支管长度,验证了复合胀形工艺的优越性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 多通管生产方法概述
• 1.2 多通管胀形工艺分类
• 1.3 国内外研究动态
• 1.4 多通管胀形工艺研究方法
• 1.5 课题的提出及本文的主要研究内容
• 1.5.1 课题的提出
• 1.5.2 本文的主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 有限元理论基础及有限元模拟仿真软件
• 2.1 引言
• 2.2 非线性的来源
• 2.2.1 材料非线性
• 2.2.2 几何非线性
• 2.2.3 边界非线性
• 2.3 数值模拟方法
• 2.4 隐性与显性有限元法
• 2.4.1 静力隐性求解法（Implicit Method ）
• 2.4.2 动力显式求解法（Explicit Method ）
• 2.5 ANSYS/LS-DYNA 软件
• 2.5.1 ANSYS/LS-DYNA
• 2.5.2 ANSYS/LS-DYNA 分析的一般流程
• 2.6 本章小结
• 第三章 聚氨酯橡胶材料本构模型及材料参数的确定
• 3.1 引言
• 3.2 橡胶超弹性理论
• 3.2.1 基本假定
• 3.2.2 橡胶的应变能密度函数
• 3.2.3 应力-应变关系
• 3.3 橡胶材料Mooney-Rivlin 模型常数的确定
• 3.3.1 测定橡胶材料常数的实验方法描述
• 3.3.2 参数拟合
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于橡胶介质的三通管轴向加压胀形数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 三通管轴向加压胀形过程
• 4.3 胀形程度衡量指标
• 4.4 有限元模型的建立
• 4.5 影响成型的坯料参数
• 4.6 数值分析实验设计
• 4.7 基于Elman 神经网络的管坯料参数优化
• 4.7.1 Elman 神经网络结构
• 4.7.2 Elman 网络设计
• 4.7.3 坯料参数优化
• 4.8 摩擦对成形的影响
• 4.9 本章小结
• 第五章 三通管复合胀形数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 三通管复合胀形过程
• 5.3 有限元模型的建立
• 5.4 复合胀形加载路径设计
• 5.4.1 复合胀形加载路径
• 5.4.2 复合胀形加载路径优化
• 5.5 复合胀形与轴向加压胀形结果对比
• 5.5.1 管件壁厚分析
• 5.5.2 应力应变分析
• 5.5.3 支管高度变化
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢