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薄壁管件成形工艺的有限元分析

发布于:2018-06-24 22:38
有限元分析

      目前,管材滚弯加工在航空航天、汽车、船舶制造等工业中应用十分广泛,对管材弯曲技术和质量的要求也越来越高。但是,由于管材具有特殊的中空结构以及受多种非线性因素的影响,在滚弯成形时极易产生失稳、起皱和开裂等问题。对上述问题的研究单纯依靠实验的方法所需周期较长、费用高,且试验过程中的随机干扰因素较多,难以对工艺参数通过试验进行改进和提高。
      近年来,计算机仿真技术的发展为塑性成形研究提供了有力的辅助工具,各种有限元分析计算方法在管材弯曲变形研究中也得到了广泛应用,并已在弯曲加工类产品的设计和优化等方而被证明是有效的。在管材滚弯工艺研究中,将有限元模拟技术与实验结合起来对弯曲变形过程中的诸多现象进行比较分析,对成形过程进行科学预测,并对工艺加以优化,已成为人们关注的问题。
      本研究通过对薄壁不锈钢管件的弯曲成形过程进行三维弹塑性有限元模拟,揭示了其成形时应力应变分布规律和变形机理,分析了对成形质量影响的主要因素,为进一步研究薄壁不锈钢的变形机理和失效机理奠定了基础,为同类产品弯曲成形工艺的制定及工艺参数的优化提供引导。
      模拟主要针对小直径小铸钢管件的回转式滚动弯曲变形。实验用管件外径为小12mm,弯模半径为R30 mm,管件壁厚为t=1.2 mm;实验设备为自制手动弯管机。弯曲成形前,应对管材形状、尺寸及质量进行严格筛选。为了检测弯管切线方向的变形状况,在管壁表而尽可能浅地刻入间距为1 mm的标记线。弯曲成形后,利用精密万能测试仪和显微测试仪对标距的变化进行测量。有限元模拟的变形条件、参数与实验完全相同,以便进行比较和验证。有限元模型中的模具材料为45钢,弹性模量E=210xe9 Pa,密度P=7890 kg/m3,泊松比p=0.269;管件的材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti,弹性模量E=198xe9 Pa,屈服强度205xe9 Pa,切线模量E=1000 x e9 Pa,泊松比0.26,密度p=7900 kg/m3。
      为了确定有效的有限元模拟方法,分别利用实体单元法和壳单元法进行了模拟,在与实际弯曲实验结果进行初步的比较后,确定采用壳单元。模拟计算采用基于中心差分法的动态显示时间积分的有限元算法,模型单元全部为shell163薄壳单元;管件材料模型选用经典双线性各向同硬化模型,根据实验条件确定静、动摩擦系数分别为0.11和0.09;管件一端采用节点刚性体约束以代替与滚动轮的连接,滚动轮和旋轮均简化为刚性材料。模具和管件之间定义为面-面成形接触,管子和模具表面分别为接触面和目标面。
      管件的精确弯曲需要准确掌握管件实际弯曲角度,以便于确定弯曲成形极限、管坯下料长度和纵向进给量等工艺参数。因此,将一组实验管件刻线后分别弯曲不同角度,测量平行于弯曲平面的中切面最内侧上弯曲起始点、中间点和终点围成的角度的变化值。将实验测得的数据与有限元模拟结果对比。数值模拟值与实验测量值十分接近,说明了管件弯曲有限元模型建立的有效性。对比结果显示,管件内侧上三点之间的角度随着滚轮转角增大而减小,在转角小于40°时,弯曲角度变化较小;在转角大于80°时,弯曲角度变化比较明显;在转角达到120°时,弯曲角度为最终成形角度,与滚轮转角相差30°,弯曲角度的数值模拟值小于实测值,主要原因是数值模拟没有考虑管材回弹的因素。
      所示等效应力最大的部位出现在管件弯曲区域的与滚动轮和旋轮接触部位,其弯曲成形后部位的应力值逐渐减小,且沿两端方向应力逐渐减少。管件内侧管壁的应力值比外侧管壁要大,说明内壁受到压应力要大于外壁受到的拉应力。外侧管壁由于受旋轮和滚轮的共同作用而在周向和轴向上出现拉应力,该拉应力过大可能造成外侧弯裂;压应力过大可能造成内侧起皱。
      管材弯曲过程中,变形主要集中在弯曲外侧和内侧。弯管形状及等效应变分布图,可以看出管件弯曲内、外侧的等效应变值明显大于其他部位。管件外侧切向伸长变形,沿管线方向的区域相对大,并且分布相对均匀,随着离开弯曲水平中切而,等效应变逐渐减小,在垂直于弯曲平而的中切而附近,产生最小等效应变的区域略微偏向弯管内侧。


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