带孔网板多点成形过程数值模拟研究

论文摘要

多点成形是板材柔性成形新工艺,其基本思想是把传统模具离散化,用多个规则排列、高度可调的基本体冲头形成所需三维曲面进行成形。多点成形因其柔性、高效和精确等特点,有着广泛的应用前景。基于板材成形数值模拟的基础理论,建立了带孔网板和无孔板多点成形过程中起皱分析、拉裂分析和回弹分析的有限元模型。通过对不同成形方式和不同边界条件下板材多点成形过程的数值模拟研究和实验验证,分析缺陷产生的原因及抑制办法,得到了不起皱成形极限图、破裂临界图和回弹量与其它变量关系曲线等一系列结果,这些结果及缺陷抑制办法的提出对多点成形技术的工程应用具有很强的参考价值和指导意义。本文以个性化钛合金颅骨修复体成形为背景,研究了基于CT数据的曲面重构、NURBS曲面插值、非接触测量、曲面匹配和误差分析等问题;探讨板材多点闭环成形的一般过程和PID算法;研究了针对钛合金颅骨修复体的数字化制造解决方案。上述研究工作的完成,实现了板材成形CAD/CAE/CAM/CAT一体化,为多点数字化精确成形奠定了坚实的基础。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 多点成形概述
• 1.2.1 基本原理
• 1.2.2 多点成形技术发展概况
• 1.2.3 多点成形过程描述
• 1.2.4 典型成形工艺
• 1.2.5 技术特点
• 1.3 板材成形过程数值模拟研究进展
• 1.3.1 有限元数值模拟理论发展概况
• 1.3.2 板材成形过程数值模拟软件介绍
• 1.3.3 多点成形过程数值模拟研究进展
• 1.4 选题意义及主要研究内容
• 1.5 小结
• 第二章 有限元基础及带孔网板成形过程数值模拟
• 2.1 引言
• 2.2 基本方程
• 2.3 材料本构模型
• 2.3.1 Hill 厚向异性弹塑性材料模型
• 2.3.2 动态强化弹塑性材料模型
• 2.3.3 材料模型的选择
• 2.4 动态显式有限元方法
• 2.5 数值模拟中一些关键问题的处理
• 2.5.1 单元选择
• 2.5.2 厚向分布的积分点数
• 2.5.3 载荷边界条件
• 2.5.4 接触处理
• 2.5.5 摩擦处理
• 2.6 带孔网板多点成形数值模拟
• 2.6.1 钛合金特点
• 2.6.2 带孔网板多点成形过程描述
• 2.6.3 有限元模型
• 2.6.4 模拟结果
• 2.7 小结
• 第三章 带孔网板多点成形过程中起皱的研究
• 3.1 引言
• 3.2 起皱的判定与计算
• 3.2.1 起皱判定准则
• 3.2.2 临界应力的计算
• 3.3 带孔网板多点成形过程起皱的预测
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 模拟结果
• 3.3.3 带孔网板不易起皱原因分析
• 3.3.4 板材厚度对起皱的影响
• 3.3.5 曲率对起皱的影响
• 3.3.6 不起皱成形极限
• 3.3.7 实验验证
• 3.4 起皱的控制技术
• 3.4.1 多道次成形技术消除起皱
• 3.4.2 分段多点成形技术消除起皱
• 3.5 小结
• 第四章 带孔网板多点成形过程中拉裂的研究
• 4.1 引言
• 4.2 拉伸失稳理论及破裂的判定准则
• 4.2.1 破裂机理
• 4.2.2 破裂形式
• 4.2.3 各向同性板材的拉伸稳定性描述
• 4.2.4 正交各向异性板材的拉伸稳定性描述
• 4.2.5 破裂的判定依据
• 4.3 带孔网板多点成形过程拉裂的预测
• 4.3.1 有限元模型
• 4.3.2 模拟结果及破裂现象分析
• 4.3.3 板材厚度对破裂的影响
• 4.3.4 压边力对破裂的影响
• 4.3.5 破裂临界图
• 4.4 破裂的控制技术
• 4.4.1 抑制板材破裂的一般方法
• 4.4.2 钢质垫板夹持成形法抑制板材破裂缺陷
• 4.5 小结
• 第五章 带孔网板多点成形的回弹分析
• 5.1 引言
• 5.2 板材成形回弹的理论研究
• 5.2.1 回弹产生的机理及力学解析
• 5.2.2 回弹计算方法
• 5.2.3 回弹量的计算
• 5.3 带孔网板多点成形过程回弹现象的预测
• 5.3.1 有限元模型
• 5.3.2 模拟结果
• 5.3.3 板材厚度对回弹的影响
• 5.3.4 成形件的变形量对回弹的影响
• 5.4 反复成形法抑制回弹的数值模拟研究
• 5.4.1 反复成形的基本原理
• 5.4.2 反复成形对回弹影响分析
• 5.4.3 反复成形次数对回弹的影响
• 5.5 多点拉形抑制回弹的研究
• 5.5.1 多点拉形过程
• 5.5.2 有限元模型
• 5.5.3 数值模拟结果
• 5.5.4 实验验证
• 5.6 小结
• 第六章 钛合金颅骨修复体多点成形过程工艺研究
• 6.1 引言
• 6.2 钛合金颅骨修复体数字化多点成形方法
• 6.3 面向多点成形的曲面处理
• 6.3.1 基于数据点的NURBS 曲面生成
• 6.3.2 基于CT 图像的三维点阵数据提取
• 6.3.3 基于小波变换的测量数据去噪方法
• 6.3.4 点阵数据的NURBS 曲面插值
• 6.4 钛合金颅骨修复体数字化多点成形过程模拟
• 6.4.1 有限元模型的建立
• 6.4.2 不同弹性垫厚度的成形结果分析
• 6.4.3 钢质垫板对成形结果影响分析
• 6.4.4 摩擦对成形结果影响分析
• 6.5 钛合金颅骨修复体成形过程
• 6.6 小结
• 第七章 多点成形过程中的精度控制
• 7.1 引言
• 7.2 多点闭环成形
• 7.2.1 多点闭环成形的概念
• 7.2.2 多点闭环成形的PID 算法
• 7.2.3 板材闭环成形PI 控制的仿真
• 7.3 三维曲面非接触测量
• 7.3.1 激光扫描测量原理
• 7.3.2 曲面数据的测量
• 7.4 基于遗传算法的曲面粗配准
• 7.4.1 遗传算法的基本思想
• 7.4.2 基于自适应遗传算法的空间变换初始值计算
• 7.5 基于ICP 的三维数据精配准
• 7.5.1 算法描述
• 7.5.2 最近点的搜索
• 7.5.3 变换矩阵的计算
• 7.5.4 改进的ICP 算法
• 7.6 基于闭环成形的钛合金颅骨修复体精度控制
• 7.7 小结
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文及主要成果
• 致谢
• 摘要
• Abstract