管材塑性加工过程数值模拟研究

论文摘要

现代工业生产中,管材除大量用于气体和液体管道工程外,在航空航天、机械、化工、轻工、交通运输等工业部门也被广泛使用。特别是进入20世纪90年代,由于燃料和原材料成本的原因及环保法规对废气排放的严格限制,使汽车结构的轻量化显得日益重要。除了采用轻体材料外,减轻重量的另一个重要途径就是在结构上采用以空代实和变截面等强构件,即对于承受以弯曲或扭转载荷为主的构件,采用空心结构既可以减轻重量、节约材料,又可以充分利用材料的强度和刚度,而由此引发了对于管件材料及其塑性加工技术研究的一股浪潮。管材塑性加工属于传统工艺,但有关管材塑性加工工艺方面的资料却较少。用传统实验方法研究管材的塑性加工过程耗时长,成本高,已无法满足高速发展的管材加工业的需要,而随着有限元方法的出现以及计算机软、硬件技术的不断发展,有限元数值模拟技术已广泛应用于材料成形问题的求解分析中。本课题选用了两种数值模拟软件:DEFORM和DYNAFORM,首先通过数值模拟软件模拟管材成形过程,与现有的工艺资料和实验结果进行了比较,证实了数值模拟结果的可靠性。然后,再利用有限元模拟软件对管材在塑性加工工艺中的成形性能进行了分析。对管材胀形工艺,以等径三通管为例,应用DYNAFORM模拟软件模拟了管材的复合胀形过程。分别研究了液体内压力、平衡力、摩擦状态、主支管过渡圆角半径对管材胀形成形性能的影响。研究结果表明:在胀形过程中,必须要使轴向压力、平衡力和液体内压力三者处在一个合理的比例范围内,才可改善胀形变形区的壁厚减薄问题,并使极限胀形程度得到提高。此外,增大凹模过渡圆角半径,改善润滑条件,都可显著提高胀形成形极限。对管材缩口工艺,应用DEFORM软件模拟了管材的缩口成形过程,预测了在凹模半锥角α=15°时管材的极限缩口系数。通过分析可知:随着凹模半锥角的增大,管材极限缩口系数也随之增大。且当凹模半锥角小时,管材相对料厚与极限缩口系数的关系曲线的变化趋势较和缓;当凹模半锥角大时,管材相对料厚与极限缩口系数的关系曲线的变化趋势较显著。此外,随着相对料厚的增大,不同凹模半锥角下的管材的极限缩口系数都随之减小。对管材扩口工艺,利用DYNAFORM软件,模拟了在不同的凸模半锥角及不同相对壁厚的情况下管材的扩口成形过程,分析了凸模半锥角和相对壁厚对管材极限扩口系数的影响。研究结果表明:当凸模半锥角增大时,管材的极限扩口系数也随之有所增大,且随着相对壁厚的增加,管材极限扩口系数的增大趋势减缓。综上所述,本文主要研究了管材胀形、缩口与扩口工艺的变形规律,并对影响材料成形极限的各因素进行了分析与总结,对这方面的资料进行了扩展,为管材的实际加工与数值模拟提供了指南和参考。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 管材塑性加工工艺概述
• 1.3 管材塑性成形工艺的发展及其研究现状
• 1.3.1 管材胀形工艺的发展及其研究现状
• 1.3.2 管材缩口工艺的发展及其研究现状
• 1.3.3 管材扩口工艺的发展及其研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 有限元数值模拟的基本理论
• 2.1 有限元分析的基本思想
• 2.1.1 有限元的发展简介
• 2.1.2 有限元法分析计算的思路
• 2.2 有限元模拟软件
• 2.2.1 有限元模拟软件介绍
• 2.2.2 DYNAFORM软件简介
• 2.2.3 DEFORM软件简介
• 2.3 有限元分析的基本理论
• 2.3.1 大变形弹塑性有限元的基本理论
• 2.3.2 动态显式有限元分析的基本理论
• 2.4 本章小结
• 第3章 管材胀形加工工艺模拟
• 3.1 胀形工艺概述
• 3.1.1 三通管复合胀形的工艺过程
• 3.1.2 管材复合胀形原理
• 3.1.3 三通管复合胀形的受力情况
• 3.1.4 胀形区壁厚变化
• 3.1.5 胀形变形程度
• 3.1.6 三通管复合胀形工艺的影响因素
• 3.2 三通管复合胀形有限元模型的建立
• 3.2.1 管坯及模具几何模型的建立
• 3.2.2 管坯及模具网格模型的建立
• 3.2.3 管坯材料属性与材料模型的选择
• 3.2.4 边界条件的处理
• 3.3 管材复合胀形工艺的数值模拟
• 3.3.1 模拟结果与实验数据的比较
• 3.3.2 主要工艺参数对三通管复合胀形成形性能的影响
• 3.3.2.1 胀形内压力
• 3.3.2.2 平衡冲头对支管施加的平衡力
• 3.3.2.3 摩擦系数
• 3.3.2.4 圆角半径
• 3.4 本章小结
• 第4章 管材缩口加工工艺模拟
• 4.1 缩口工艺概述
• 4.1.1 缩口变形时材料的变形特点
• 4.1.2 缩口成形力学分析
• 4.1.3 缩口变形程度
• 4.1.4 缩口力计算
• 4.1.5 影响缩口成形工艺的因素
• 4.2 管坯缩口成形有限元模型的建立
• 4.2.1 管坯及模具几何模型的建立
• 4.2.2 管坯及模具网格模型的建立
• 4.2.3 管坯材料属性与材料模型的选择
• 4.2.4 主要参数的设置
• 4.3 管材缩口成形工艺的数值模拟
• 4.3.1 数值模拟结果与实验数据的比较
• 4.3.2 管材缩口工艺数值模拟
• 4.4 本章小结
• 第5章 管材扩口加工工艺模拟
• 5.1 扩口工艺概述
• 5.1.1 扩口变形特点
• 5.1.2 扩口变形程度
• 5.1.3 扩口管坯尺寸
• 5.1.4 扩口力
• 5.2 管材扩口加工工艺有限元模型的建立
• 5.2.1 管坯及模具几何模型的建立
• 5.2.2 管坯及模具网格模型的建立
• 5.2.3 管坯材料属性与材料模型的选择
• 5.2.4 边界条件的处理
• 5.3 管材扩口成形工艺的数值模拟
• 5.3.1 数值模拟结果与实验数据的比较
• 5.3.2 管材扩口工艺数值模拟
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表