异形截面空心结构件内高压成形工艺研究

论文摘要

管材内高压成形作为一种制造空心轻体构件的先进制造技术,近年来发展迅速,目前已成为塑性加工领域中一个热点研究方向。但内高压成形还是一门相对年轻的技术,其成形机理十分复杂,目前国际上尚无太多的理论知识和经验可以借鉴,而国内的研究起步较晚,与国外的差距较大。内高压成形技术的迅速发展得益于其在汽车制造业中的广泛应用,而汽车零部件多为复杂空心构件,截面及轴线形状各异,因此开展异形截面构件内高压成形技术的研究,具有重要理论及工程实际意义。本文采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,对带轴向进给直管胀形类及不带轴向进给的预弯管胀形两大类管材内高压成形工艺进行深入分析,探索内高压成形内在规律及工艺控制策略。基于金属塑性理论,通过理论解析的方式揭示了两类胀形工艺中管坯自由胀形区应力应变特点及其工艺控制方法。建立了典型直管胀形类零件一非对称三通管有限元模型,通过数值模拟揭示了管坯材料流动、应力应变及壁厚分布特点,分析了左右轴向进给量、最大内压、加载路径形式、摩擦系数及背压等主要工艺参数对成形结果的影响规律,并给出了这类零件内高压成形的工艺设计准则及工艺控制策略。随后,对典型预弯管胀形类异形截面构件—汽车前梁内高压成形过程进行了有限元分析,针对复杂异形截面构件成形工序多、预弯及预成形工序对下道工序影响大等工艺特点,建立了前梁预弯—胀形多道次成形有限元模型,对其成形全过程进行了分析,研究了预弯工序对内高压成形结果的影响,并揭示了其内高压成形过程中管坯材料流动、应力应变及壁厚分布特点及管坯尺寸、内压加载路径形式等主要工艺参数对成形结果的影响规律。针对异形截面构件内高压成形特点,提出一种带预应力的内压加载路径形式,以较低的内压载荷成形小截面圆角并获得了均匀的壁厚分布,最终给出了这类零件内高压成形的工艺控制策略。管材内高压成形是一个多重非线性过程,应变路径复杂,生产中常出现起皱、缩颈破裂、屈曲等缺陷。由于易受应变路径影响,传统的基于应变的成形极限图(Forming Limit Diagram,FLD)在预测内高压成形等复杂应变路径下成形极限时误差较大。为此,本文提出将独立于应变路径的成形应力极限图(Forming Limit Stress Diagram,FLSD)引入管材内高压成形研究中,以极限应力作为分析管材成形过程中破裂缺陷产生的判据。文中通过力学性能试验及成形极限试验建立了LF21的FLD并通过塑性应力应变关系及Hill’79屈服准则转换得到LF21的FLSD,分别对三通管及变截面结构件内高压成形过程进行数值模拟,在模拟结果分析中引入FLSD作为破裂极限判据,结果表明FLSD预测结果与传统FLD预测结果相比更接近于理论计算及试验结果,取得了较好的效果,证明FLSD作为管材内高压成形极限判据是准确可行的。内高压成形是一个非常复杂的动态过程,内部压力和轴向进给量之间的关系很难用显函数形式表达,目前研究中广泛使用的传统数值模拟及多目标优化方法本质上仍是一种试错寻优法,需要大量仿真工作,耗费人力物力,并且由于路径中控制点的数量限制,传统优化方法并不能实现对加载路径的全程控制,往往只是对极限值的优化。针对这一现状,本文提出一种结合模糊控制与自适应模拟的实时反馈优化方法,建立缺陷控制规则,通过模糊控制器在有限元模拟过程中实时侦测缺陷的发展趋势并反馈至模拟程序以调整工艺参数,避免起皱及破裂缺陷的发生,最终获得优化的成形加载路径。通过对三通管及汽车前梁零件的研究表明:优化加载路径后零件成形质量有了明显改善。模糊控制实现了预期的控制目标。最后,在数值模拟及工艺参数优化基础上,设计内高压成形试验装置及模具工装,进行典型异形截面构件一汽车前粱工艺试验,通过物理试验分析了内压加载路径形式、摩擦条件等主要工艺参数对成形结果的影响规律,并对比验证模拟结果。结果显示,模拟结果与试验实测结果吻合度较好,两者最大相对误差不超过10%,从而验证了所建立有限元分析模型及模拟结果的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 管材内高压成形技术概述
• 1.2.1 管材内高压成形工艺原理
• 1.2.2 管材内高压成形技术的优缺点
• 1.2.3 管材内高压成形常见缺陷
• 1.2.4 管材内高压成形工艺控制策略
• 1.3 管材内高压成形件的分类
• 1.3.1 带轴向进给的直管胀形类零件
• 1.3.2 无轴向进给的预弯管胀形类零件
• 1.4 管材内高压成形技术研究现状及发展趋势
• 1.4.1 管材内高压成形技术研究方法
• 1.4.2 管材内高压成形有限元数值模拟
• 1.4.2.1 有限元数值模拟优缺点
• 1.4.2.2 管材内高压成形数值模拟分类
• 1.4.3 国内外研究现状
• 1.4.3.1 国外研究现状
• 1.4.3.2 国内研究现状
• 1.4.4 国内外产业应用现状
• 1.4.4.1 汽车产业
• 1.4.4.2 其他产业应用
• 1.4.4.3 国内应用情况
• 1.4.5 管材内高压成形发展趋势
• 1.5 本文的研究背景、意义及主要研究内容
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究目的及意义
• 1.5.3 主要研究内容
• 第二章 有限元数值模拟关键技术
• 2.1 前言
• 2.2 有限元理论发展
• 2.3 有限元分析的一般过程
• 2.3.1 物体离散化
• 2.3.2 单元特性分析
• 2.3.2.1 选择位移模式
• 2.3.2.2 分析单元的力学性质
• 2.3.2.3 计算等效节点力
• 2.3.3 单元组集
• 2.3.4 解有限元方程式得出位移
• 2.4 有限元数值模拟理论基础
• 2.4.1 有限元格式类型
• 2.4.1.1 增量型模拟与单步模拟
• 2.4.1.2 静力隐式算法与动力显式算法
• 2.4.2 有限单元类型
• 2.4.3 中心差分法
• 2.4.4 接触处理
• 2.4.5 摩擦处理
• 2.4.6 材料屈服准则
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于数值模拟的异形管材内高压成形工艺研究
• 3.1 前言
• 3.2 不同类型内高压成形过程特点及应力应变状态
• 3.2.1 有轴向进给直管类管件内高压成形特点
• 3.2.2 无轴向进给预弯管件内高压成形特点
• 3.3 管材内高压成形过程数值模拟
• 3.3.1 模拟过程
• 3.3.2 几何模型建立
• 3.3.3 有限元分析模型的建立
• 3.3.3.1 条件假设
• 3.3.3.2 网格划分
• 3.3.3.3 材料性能
• 3.3.3.4 边界条件
• 3.4 非对称三通管内高压成形过程分析
• 3.4.1 工艺参数设定
• 3.4.1.1 轴向进给
• 3.4.1.2 内压力
• 3.4.2 模拟结果分析
• 3.4.2.1 非对称三通管几何形状
• 3.4.2.2 非对称三通管应力分布
• 3.4.2.3 非对称三通管应变分布
• 3.4.2.4 非对称三通管壁厚分布
• 3.4.2.5 非对称三通管管坯流动规律
• 3.4.3 工艺参数对成形结果的影响
• 3.4.3.1 轴向进给的影响
• 3.4.3.2 最大内压的影响
• 3.4.3.3 加载路径形式的影响
• 3.4.3.4 摩擦系数的影响
• 3.4.3.5 背压的影响
• 3.4.4 工艺控制策略
• 3.5 汽车前梁内高压成形过程分析
• 3.5.1 工艺分析
• 3.5.2 工艺参数设定
• 3.5.2.1 初始管径的选择
• 3.5.2.2 初始内压加载路径
• 3.5.3 直接成形模拟与预弯─胀形多道次模拟比较
• 3.5.3.1 有限元模型建立
• 3.5.3.2 多道次模拟工序间数据转换
• 3.5.3.3 预弯模拟结果分析
• 3.5.3.4 预弯工序对成形结果的影响
• 3.5.4 内高压胀形过程模拟结果分析
• 3.5.4.1 前梁几何形状
• 3.5.4.2 前梁应力应变分布
• 3.5.4.3 前梁壁厚分布
• 3.5.4.4 前梁管坯流动规律
• 3.5.5 工艺参数影响
• 3.5.5.1 内压加载路径形式的影响
• 3.5.5.2 管坯尺寸的影响
• 3.5.5.3 摩擦的影响
• 3.5.6 工艺参数优化
• 3.5.6.1 正交实验设计
• 3.5.6.2 评价指标及因素水平
• 3.5.6.3 结果分析
• 3.5.7 工艺控制策略
• 3.6 本章小结
• 第四章 基于成形应力极限的管材内高压成形缺陷预测
• 4.1 前言
• 4.2 成形应变极限图（FLD）与成形应力极限图（FLSD）
• 4.2.1 成形应变极限图的研究与应用
• 4.2.1.1 成形应变极限图的建立
• 4.2.1.2 理论成形应变极限图的建立
• 4.2.1.3 成形极限图的应用
• 4.2.2 成形应力极限图的提出
• 4.2.2.1 成形应变极限图的缺陷
• 4.2.2.2 成形应力极限图的研究
• 4.2.3 成形应力极限图与成形极限图的转换
• 4.2.3.1 极限应变与极限应力的转换关系
• 4.2.3.2 FLD与FLSD的转换
• 4.3 LF21成形应力极限图的建立
• 4.3.1 LF21板材基本成形性能实验
• 4.3.1.1 n、K值测定
• 4.3.1.2 r值测定
• 4.3.2 LF21成形极限图测定
• 4.3.2.1 实验材料与实验设备
• 4.3.2.2 实验方法
• 4.3.2.3 实验结果
• 4.3.3 FLD向FLSD的转换
• 4.4 基于FLSD的管材内高压成形缺陷分析
• 4.4.1 三通管应力成形极限分析
• 4.4.1.1 三通管成形极限理论解析
• 4.4.1.2 有限元仿真模型建立
• 4.4.1.3 模拟结果分析
• 4.4.1.4 应力成形极限分析结果
• 4.4.1.5 结果讨论
• 4.4.2 变截面结构件应力成形极限分析
• 4.4.2.1 变截面结构件成形极限理论解析
• 4.4.2.2 有限元模型建立
• 4.4.2.3 模拟结果分析
• 4.4.2.4 应力成形极限分析结果
• 4.4.2.5 结果讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 内高压成形加载路径的模糊控制反馈优化
• 5.1 前言
• 5.2 内高压成形加载路径优化方法
• 5.3 模糊控制理论简介
• 5.3.1 模糊控制是模仿人的控制
• 5.3.2 模糊控制研究的数学工具──模糊集合与归属函数
• 5.3.3 模糊控制系统
• 5.4 基于模糊控制的自适应模拟
• 5.4.1 管材内高压成形自适应模拟
• 5.4.2 模拟输入输出文件
• 5.4.3 MATLAB模糊逻辑工具箱
• 5.5 三通管内高压成形加载路径的模糊控制优化
• 5.5.1 模糊推理过程
• 5.5.2 模糊控制策略
• 5.5.2.1 输入归属函数
• 5.5.2.2 输出归属函数
• 5.5.2.3 规则库
• 5.5.3 结果与讨论
• 5.6 前梁加载路径模糊控制优化
• 5.6.1 模糊控制设定
• 5.6.2 结果与讨论
• 5.7 本章小结
• 第六章 典型异形截面构件内高压成形工艺试验研究
• 6.1 前言
• 6.2 管材内高压成形设备
• 6.2.1 成形液压机
• 6.2.2 轴向推力油缸
• 6.2.3 高压源
• 6.3 试验装置
• 6.3.1 三向液压机
• 6.3.2 成形模具
• 6.3.3 轴向推杆及垫板
• 6.3.4 高压泵与液压管路
• 6.3.5 液压介质
• 6.4 试验材料及试验方案
• 6.4.1 试验材料
• 6.4.2 试验方案
• 6.5 试验结果与讨论
• 6.5.1 试验结果
• 6.5.1.1 内压加载路径影响
• 6.5.1.2 润滑条件的影响
• 6.5.1.3 成形缺陷分析
• 6.5.2 与模拟结果对比
• 6.5.3 截面厚度分布
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结及工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文