管件液压成形的加载路径理论与试验研究

论文摘要

在汽车制造领域,与传统的冲压、焊接工艺相比,采用管件液压成形工艺制造的汽车零件具有重量轻、刚度好、强度大、耐撞性好、节约材料、结构紧凑、加工工序少等诸多优点。这很好地满足了汽车轻量化发展的要求。随着计算机控制技术和超高压液压控制技术的发展,管件液压成形技术已开始进入实用化的阶段。可以预见,该技术将有力地促进汽车、航空、航天、船舶等产业制造技术的进步。在管件液压成形过程中,由于管坯材料、模具形状和加载工艺条件的影响,管件容易产生整体屈曲、起皱、破裂等成形缺陷。因此,防止成形缺陷的产生并提高成形性能,已经成为各汽车制造企业增强竞争力的关键技术之一。在零件形状、模具条件和管坯材料已给定的情况下,合理控制内压力、轴向推力的大小以及两者间的匹配关系即加载路径是管件液压成形工艺的关键。近几年来很多学者在管件液压成形加载路径的控制方面开展了广泛的研究,取得了一定的成果。然而这些研究对加载路径的控制规律、加载路径变化对管件液压成形性影响的内在机理、合理加载路径的设计原则以及合理加载路径的设计方法等方面仍不够全面深入,研究结果还不能直接用于实际生产。本文以数值模拟为工具并结合试验对管件液压成形的加载路径问题开展深入研究。自主研制了一台计算机控制管件液压成形设备,设备最大成形内压力达到200MPa超高压,设备可同时实现内压力、轴向推力和轴向位移的联动精确控制;以典型的自由胀形件为例,研究了管件液压成形时避免各种缺陷产生的临界载荷变化规律以及不同因素对临界载荷的影响规律;从加载路径影响应力状态,应力状态影响成形性能的角度揭示了提高管件液压成形性能的加载机理,并确定了合理加载路径的设计原则;在此基础上,提出了基于自适应仿真与模糊控制相结合的加载路径设计方法,并将该方法应用于若干典型试验件的成形。本文主要研究内容和主要创造性工作包括以下几个方面:1、计算机控制管件液压成形设备研制本文自主研制了一台内压力达200MPa的计算机控制管件液压成形设备。对设备的整体结构、液压控制系统、计算机控制系统、模具与超高压密封系统等若干关键技术进行了探索性的研究;并通过大量的试验调试实现了设备在工艺控制精度上的先进性。为研究提供实验基础。2、管件液压成形的数值模拟与试验本文开展了提高管件液压成形数值模拟精度的三维有限元建模方法的研究,分析了进行数值模拟时仿真参数的选取原则,研究了采用动力显示有限元算法进行仿真计算时虚拟加载时间对管件液压成形预测精度的影响。通过仿真与试验结果的比较,为研究提供准确的数值模拟基础。在试验基础上,分析加载路径对管件液压成形结果影响的两个层面。提出了管件液压成形性的几种评价准则,并采用数值模拟和试验研究了几种典型的加载路径对圆形截面零件成形性的影响。3、管件液压成形的临界载荷变化规律研究将成形过程中发生密封泄漏以及管件发生屈曲、起皱、破裂等成形缺陷时对应的临界内压力、临界轴向推力加载关系曲线所围成的载荷区间称之为“临界加载窗口”(critical loading window diagram)。加载路径应该位于临界加载窗口内才可以成形零件。本文基于塑性稳定性理论和成形工艺特点建立了完整的自由胀形件临界加载窗口的理论模型,并通过试验验证该模型的正确性。分析了管坯尺寸、管坯材料、模具形状等参数对临界加载窗口的影响规律,从而实现根据材料、管坯尺寸和模具参数来约束加载路径的范围。从理论上解决了如何避免零件成形缺陷的产生问题。4、提高管件液压成形性的加载路径规律研究在临界加载窗口内,能成形零件的加载路径很多,但采用不同加载路径时零件的成形性不同。为确定合理的加载路径以提高管件液压成形性,本文对管件液压成形的塑性变形过程展开了进一步的理论研究。首先分析管件液压成形工艺过程中的应力应变特点,揭示应力状态对成形性能的影响规律,获得提高成形性能的理想应力状态。提出获得理想应力状态所需理想加载路径的基本构想,并以自由胀形件为例,从理论上建立理想加载路径的计算模型。利用获得的加载路径分别进行仿真与试验研究,根据仿真和试验结果,提出了合理加载路径的设计原则。从理论上解决了如何提高管件液压成形的成形性问题。5、基于自适应仿真与模糊控制相结合的加载路径设计方法研究根据合理加载路径的设计原则,如何有效地设计确定具体的加载路径轨迹仍然是一个难题。本文结合管件液压成形的工艺特点和合理加载路径的设计原则,提出一种基于自适应仿真与模糊控制相结合的管件液压成形加载路径设计方法。采用自适应仿真方法克服了传统仿真中反复试错的缺点,利用所建立的成形缺陷趋势评价函数,将当前的仿真结果及时地反馈给下一步的仿真计算,实现成形过程缺陷的“预发现、预纠正”,从而减少有限元模拟次数、提高效率。在成形缺陷趋势程度的识别和成形工艺参数的调整过程中,采用模糊逻辑控制的策略,从而更加合理地判断成形缺陷、调整工艺参数。本文最后对典型组合截面的试验件进行加载路径设计和试验验证,结果表明了该方法的正确、有效性,也表明了本文提出的加载路径设计原则的正确性。从实际上解决了具体加载路径设计的方法问题。本文的研究以理论推导、数值模拟为主,并结合大量试验数据的对比分析,自主研制了计算机控制管件液压成形设备,在前人研究的基础上揭示了提高管件液压成形性的内在机理和加载路径设计原则,提出了合理加载路径的设计方法,将依赖于试验和经验的加载路径设计上升为依据严密理论推理的科学过程,为管件液压成形的加载路径设计提供了理论指导和方法选择。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究意义与研究背景
• 1.1.1 研究意义
• 1.1.2 研究背景与课题来源
• 1.2 管件液压成形工艺简介
• 1.2.1 管件液压成形工艺原理
• 1.2.2 成形工艺优点及在汽车制造中的应用
• 1.3 管件液压成形技术研究现状
• 1.3.1 管件液压成形设备
• 1.3.2 管件液压成形相关基础理论研究
• 1.4 目前研究存在的问题
• 1.5 研究目标与主要研究内容
• 1.5.1 研究目标
• 1.5.2 研究内容
• 第二章 计算机控制管件液压成形设备的研制
• 2.1 引言
• 2.2 管件液压成形设备整体设计
• 2.2.1 设备功能要求分析
• 2.2.2 设备整体设计
• 2.3 液压控制系统设计
• 2.3.1 方案确定
• 2.3.2 系统特点及工作原理
• 2.4 计算机控制系统设计
• 2.4.1 计算机控制系统总体要求
• 2.4.2 计算机控制系统设计
• 2.5 液压成形模具系统与超高压密封设计
• 2.5.1 模具系统设计
• 2.5.2 超高压模具密封设计
• 2.6 试验分析
• 2.6.1 密封控制实现分析
• 2.6.2 内压力控制结果分析
• 2.6.3 侧缸推力控制结果分析
• 2.6.4 侧缸位移控制结果分析
• 2.7 本章小结
• 第三章 管件液压成形数值模拟关键技术与试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 管件液压成形数值模拟理论基础
• 3.2.1 几何非线性有限元方程的建立
• 3.2.2 有限元方程的求解方法
• 3.2.3 材料本构关系
• 3.2.4 屈服准则
• 3.2.5 单元类型选择
• 3.2.6 摩擦接触处理
• 3.3 圆形截面零件液压成形过程的动态仿真
• 3.3.1 有限元数值模拟
• 3.3.2 模拟结果与试验结果比较
• 3.4 加载路径对管件液压成形的影响
• 3.4.1 加载路径定义
• 3.4.2 加载路径对成形的影响
• 3.4.3 管件液压成形性定义
• 3.4.4 加载路径对成形性影响的试验研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 管件液压成形的临界加载窗口理论及影响因素研究
• 4.1 引言
• 4.2 管件液压成形的失稳评价准则
• 4.2.1 压缩失稳评价准则
• 4.2.2 拉伸失稳评价准则
• 4.3 临界加载的理论分析
• 4.3.1 临界加载窗口定义
• 4.3.2 自由胀形件形状的椭球假设
• 4.3.3 压缩失稳临界加载理论分析
• 4.3.4 破裂失稳临界加载理论分析
• 4.4 临界加载窗口的试验验证
• 4.5 管件、材料和模具参数对临界加载窗口的影响
• 4.5.1 管件几何尺寸对临界加载窗口的影响
• 4.5.2 材料参数对临界加载窗口的影响
• 4.5.3 模具几何尺寸对临界加载窗口的影响
• 4.6 本章小结
• 第五章 提高管件液压成形性的加载路径规律研究
• 5.1 引言
• 5.2 提高成形性的机理分析
• 5.2.1 管件液压成形的应力应变特点分析
• 5.2.2 提高成形性的理想应力状态
• 5.2.3 应力状态对极限胀形系数的影响
• 5.3 提高成形性的加载路径规律研究
• 5.3.1 理想加载路径基本构想
• 5.3.2 不同应力状态对应加载路径下的仿真结果
• 5.3.3 不同应力状态对应加载路径下的试验结果
• 5.4 合理加载路径的设计原则
• 5.5 本章小结
• 第六章 基于自适应仿真与模糊控制的加载路径设计方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 模糊控制的基本理论
• 6.2.1 模糊控制的特点与适用范围
• 6.2.2 模糊控制理论的数学基础
• 6.2.3 模糊控制的实现原理
• 6.3 基于自适应仿真与模糊控制的加载路径设计方法研究
• 6.3.1 基于模糊控制的自适应仿真算法
• 6.3.2 基于模糊控制的加载路径设计方法
• 6.3.3 模糊控制器的Simulink 仿真实现
• 6.3.4 加载路径设计结果分析
• 6.3.5 试验验证
• 6.4 加载路径设计方法在复杂零件上的应用实例
• 6.4.1 实例背景
• 6.4.2 复杂试验件设计
• 6.4.3 复杂试验件加载路径设计
• 6.4.4 试验验证
• 6.5 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 本文的研究工作
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 进一步研究展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢