基于Dynaform三通管液压成型分析.pdf

第 1 期 2 0 1 1年 1月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 1 9 文苹编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 【 1 - 0 0 1 9 0 3 基 于 D y n a f o r m三通管液压成型分析 李发展卢章平 江苏大学 机械工程学院 ， 镇江 2 1 2 0 1 3 An al y s i s f o r t u b e h y d r o f or mi n g p r o c e s s b a s e d - o n Dy n a f o r m LI F a - z h a n， L U Z ha ng -p i n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y ， Z h e n j i a n g 2 1 2 0 1 3 ， C h i n a ， 、 ，、 、 、 、 、 、 、 ， 、， 、 ／、 ／、 ， 、 、 、， 、／ 、 、 、 、 ，、 ， 、， 、 ／、 ／ 、 、 √ 、 ’ ，、 ， 、／ 、 、 、 、 ～ ，、 ， 、 ，、 ／ 、 、 、 、 、 、 ，、 ／ 、／ 、 、 、 ， 、， 、， 、 ，、 、 、 、 、 ， 、 ， 、， 一 【 摘要】 提 出改进液压成型工艺， 并通过 D y n a f o r m软件仿真及实际生产验证。该方法舍弃了通 常管材液压成形 中所需的超高压供给 系统 以及平衡 冲头， 进而大大降低设备费用。在验证工艺正确基 础上， 通过 D y n a f o r m软件仿真分析影响三通管液压成型因素。 仿真模拟分析为模具设计方案和液压成 形工艺方案设计提供 了科学的依据， 提高了设计效率。 关键词 三通管 i 液压成形 ； D y n a f o r m 仿真 【 A b s t r a c t 】 N e w i m p r o v e d p r o c e s s o f t u b e h y d r o f o r m i n g W a S e x p l a i n e d ．h w a s v e l‘ e d b y u s i n g e a t／ D Y N A F O R s o f t w a r e a n d i m p l i c at e d i n p r a c t i c a l p r o d u c t i o n ． T h e n e w i m p r o v e d p r o c e s s ∞ n o t n e e d a u l r 0 一 p r e s s u r e p u m p s u p p l y s y s t e m ． T h e n a n a n aly s i s f o r t u b e h y d r o f o r m i n g P r o c e s s B a s e d o n D y n a f o r m s o f t w a r e w L 5 p r e s e n t e d ． S i mu l a t i o n a n a l y s i s f o r m o l d d e s i g n a n d d e s i gn of h y d r a u l i c f o , mi n g p r o c e s s p r o v i d e d a s c i e n t c b a s i s a n d i m p r o v e d d e s i g n e f fic i e n c y ． Ke y wo r d s Tr e e -wa y t u be； Hy dr of or m i ng； Dyna f or m s i m ul at i on 中图分类号 T HI 6 ， T P 3 9 1 文献标识码 A 三通管塑性成形过程是不对称 的空 间三维变形过 程 ，成形 工艺较为复杂。在成形过程中， 最为重要的成形力是作用在管坯 内部的内压力。根据内压力的产生方法不同， 三通管件的成形方 法主要可分为以下三种 挤胀复合式成形方法， 挤胀分离式成形 方法和液压成形方法 。 其中液压成形方法近年来在国内外受到广 泛重视。目前，E t 本 、 德国、 美国等国都对该技术做了大量研究， 并且成功地应用于航空、 航天、 汽车、 化工、 机械 、 建筑等领域l l l。 但 液压成型采用内高压一次成型 ， 液压设备必须有复杂的超高压泵 给系统和平衡 冲头系统 以及位移控制系统 ， 从而导致设备造价非 常昂贵， 制约其大规模的应用。 三通管 曲面结构、 形状复杂 ， 从 而决定 了在液压成形过程 中 的变形复杂性， 变形规律难以掌握 ， 导致成形缺陷的产生。随着 计算机 的应用和发展以及有限元方法的成熟 。 近年来发展了管件 液压成形仿真技术 ， 该技术在减少甚至取消试模过程 、 预防成形 缺 陷 、 缩短产品开发周期 、 降低开发成本方面发挥 了越来越重要 的作用[2 - 3 ]。 女来稿 日期 2 0 1 0 - 0 3 - 2 0 施加极限载荷后得到塔筒的应力结果。 其中， 塔筒法兰圆角 在极限载荷下分析塔筒法兰圆角处的强度情况，结果表明 处最大等效应力值为 1 3 0 MP a 。 在最恶劣的工况下， 法兰圆角处的应力均值满足强度要求。 法兰圆角处安全裕度M S u l t M S u h [ o - 1 1 参考文献 其 中， 许用应力 j j 1 徐立民， 陈卓． 回转支承[ M] ． 安徽 安徽科学技术出版社， 1 9 8 8 式中 r ， 『 _ _ 极 限载荷下法 兰圆角处的等效应 力 1 3 0 MP a ； 盯 一材料 业出版社 ，2 0 0 7 屈服极限， 根据塔筒壁厚 ； r ， 3 2 5 MP a 。 n 一安全系数 ， 对于塔 3 冈本纯三． 球轴承的设计计算l M] ．北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 筒 有 限 元 分 析 ， 取1 ． 1 。 耄 ， 梅 ‘滚 动 轴 承 接 触 问 题 的 有 限 元 分 析 [ J ]．润 滑 与 密 封 ， 0 0 ， 安全裕度 MS u h 1 ．2 7 。 5 李伟建， 潘存云， 王荣吉． 空心圆柱滚 F 轴承刚度分析[ J j - 机械工程 ， 偏航轴承法兰圆角处 的安全裕度大于零 ，因此偏航轴承法 2 0 0 9 ， 2 0 7 7 9 5 ～ 7 9 8 兰 圆 角 处 静 强 度 符 合 要 求 。 萼 ， 张 帆 。A b a q u s 非 线 性 有 限 元 分 析 与 实 例 [M ]一 京 科 学 出 版 社 ， 4结 市 吾 7 W ． 杨， R ． 布 迪纳斯．罗氏 应力 应变公式手 册[ M ] ．北京 科 学出 版社， 2 0 0 5 ’ H 8 李会勋 ，胡迎春 ， 张建中牙U 用 AN S Y S模拟螺栓预紧力 的研究[ J l Jl L 【 J 东科 根据偏航系统 的结构特性 ，对轴承滚子及刹车器进行 合理 技大学学报 ．2 0 0 6 ， 2 5 1 5 7 ～ 5 9 ． 简化 。用 g a p 单元模拟滚 子及用 r b e 2多点约束模 拟刹 车器能够 9 张红兵， 札建红． 有限元模型中螺栓载荷施加方法的研究[ J ] ．机械设计与 真实表现结构传力特点， 同时能有效降低模型规模， 使建模更方 1 、, 立 1 9 9 ，周 9 瑞 6 平 3 有 限元法的法兰盘式推力轴承改型设计Ⅲ 舡 苏 便， 并且在一定程度上降低了模型规模， 提高了计算速度。 船舶， 2 0 0 7 ， 2 4 5 1 7 ～ 2 0 2 O 李发展等 基于 D y n a f o r m三通管液压成型分析 第 1 期 图 1液压成形示意图 图 2改进后三通管成型机 改进后成形模具分别由上下凹模和左、 右挤压冲头组成。其 基本成形过程是先将管件放入凹模， 模具闭合， 然后左、 右挤压冲 头移动至管件两端， 将管端密闭， 之后液体介质充人管件内腔， 成 形过程中左、 右挤压冲头同时向模具中心移动， 管内压力升高， 如 果管内压力升到溢流阀设定值则溢流， 当挤压冲头到达预先设定 的极限位置后， 将将挤压冲头撤回， 闭合模具油缸打开模具取出 成形管件。 2 液压成形过程的有限元模拟 管件液压成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程 ， 涉及 到几何非线性、 材料非线性、 边界条件非线性等一系列问题 ， 并 且成形的影响因素多， 成形过程复杂， 不易确定最优工艺参数 ， 并且成形过程是在模具内部进行， 工艺实验中不易对零件的成 形 过程进行实时研究 ， 近年来飞速发展 的有 限元数值模 拟技术 成为解决此类 问题的有效手段。 数值模拟不仅能准确地反 映管件 液压成形 的过程 ， 预测成形缺陷 ， 显示工件 的成形情况 ， 给出壁 厚分布 ， 而且可以方便地调整内压与轴向位移的匹配关 系， 研究 其对成形缺陷和壁厚分布的影响， 以获得最佳的加载曲线， 在此 基础上再进行实验验证与调整， 可以有效地缩短实验周期 ， 节约 时间和成本。针对管件液压成形变形特点， 选用 e t a ／ D Y N A F O R M 软件对管件的液压成形过程进行模拟分析， 其有管件液压成型专 用模块 A U T O S E T U P 。 2 。 1 材料参数及几何尺寸 在分析计算中，模具及冲头的变形不考虑，按刚性材料处 理。选用的管坯材料主要为 S S 3 0 4 ， 其屈服 函数如下 2 一器 X O I10 “22d／． 式中 R 一 各向异性参数。 管坯材料为 S U S 3 0 4 ， 对于 S U S 3 0 4其各向异性参数为 R 0 0 R 4 5 R 9 0 1 ； 其他参数密度为 7 ． 9 3 k g ／ m ， 硬化指数 n -- - 0 ．5 0 2 ， 泊松 比为 0 ． 2 8 ，杨 氏模量 E 2 0 7 0 0 0 。管坯长度 为 3 4 0 m m，直径为 1 1 4 mm， 厚度为 6 m m。 2 _ 2单元类型的选取 单元类型的选取是影响模拟成形精度的关键之一， 优良的 单元既要有一定的刚性 抗畸变能力 ， 以避免网格再划分， 又 必须有一定 的柔性 良好 的变形能力， 以便精确地模拟金属的 塑性变形情况目 。为避免模型沙漏现象， 这里通过适当地增加弹 性刚度来消除沙漏。本模拟中管件壁厚相对其长度为很薄， 考 虑到显式动力分析以及管壁材料弯曲的需要 ， 选用 s h e l l 1 6 3 单 元划分 网格。 2 ． 3网格 划分 选用 D Y N A F O R M 自带网格划分工具的T o o l M e s h来划分 网格 ， 在有限元模拟分析中， 增加划分网格密度可以提高计算结 果的精度日，但网格划分的越密， 模拟计算量越大， 模拟的时间 将越长． 虽然于管材、 模具几何形状、 载荷及边界条件都是轴对称 的， 可以取 1 ／ 4 模型进行网格划分与计算 ， 但为了清楚、 直观的观 察成型过程， 本模拟选取了整个模型进行模拟仿真。对于本模拟 管件变形大需高密度的网格， 故取最大最小网格长度均为 2 m m， 对于 凹模 以及左右压头取最大 网格长度为 3 0 m m， 最小网格长度 为 2 mm， 弦高误差取 0 ． 1 5 m m， 角度为 3 0 。 。如图 3所示 ， 为本模拟 的网格模型 ， 共有 4 4 7 6个单元 。 Lx Z 图 3三通管成型网格模型 3 计算机模拟及实验分析 3 ． 1 模拟仿真工艺条件设置 No ． 1 J a n ． 2 0 1 1 机 械 设 计 与 制 造 2 1 材料参数为 S S 3 0 4类型为 T 3 6 ，设置 凹模为 l o w _ d i e固定不动 ， 设 置左右冲头为 u p d i e ， u p _ 1 d i e 运动以速度控制， 沿工作方 向相 同的 方向运动。 左冲头和右冲头分别沿工作方向以1 3 m r N s 相向运动。在 持续时间中设置为时间控制 ， 时间取 5 s 。压力加载 ， 如图 4 所示 。 3 ． 2模拟仿真结果分析、 与实验对比 完成 上述设置后 ， 即可进行提交计算 。在提交计算之前 ， 通 常要对设置的模 型进行动画显示 ， 以便检查各个工具所定 义的运 动隋况。在验证了模具运动的正确性之后 ， 就可以对当前设置进 行任务提交计算。当计算完成后， 进入后处理阶段对液压仿真结 果进行分析和评价。如图5所示， 为液压仿真完成后管件的成形 极限图。如图 6 所示 ， 是成型结束管件壁厚分布图。 图5液压仿真完成后管件的成形极限图 图 6成型结束管件壁厚分布图 从仿真结果看 支管高度达 6 1 m m，最小有效壁厚 为为 5 ． 9 6 m m， 经过整形后完全可以生产出 D N1 0 0 S C H 4 0 的等径三 通。 如图7所示， 为实际按照与仿真模拟一样参数生产出的三通。 图 7 实 际生 产 的三 通 3 ． 3影响成型因素分析 3 ． 3 ． 1 挤 压 冲头速 度 本三通管成形工艺 ，挤压冲头不但起着使管坯两端的金属 向 过渡区流动的作用， 同时有使密闭在管内的密闭液体体积改变产生 内压力的作用。若挤压冲头速度过低会造成内压升高不足， 管坯向 内凹陷， 从而造成成型失败。若速度过陕， 则内压升高过陕， 壁厚变 薄严重。如图 8 a 所示， 显示的是挤压速度与成形后得到的管件支 管高度间的关系， 可以看出， 随着挤压速度的增大， 成形后得到的三 通管的支管的高度明显增加。但同时在如图8 b 所示， 随着挤压速 度的增加 ， 曲线 b 表示的主管壁厚最大值增加也较为 明显 ， 而 曲线 b 表示的支管壁厚最小值却基本没有变化。 a 挤压速度对支管高度影 响 b 挤压速度对管壁厚影响 图 8挤压速度对管的影 响 3 - 3 ． 2内压 力 内压力的大小决定成形成败的关键因素， 若成形内压不足， 金属的厚向压应力不够而轴向压力过大， 出现失稳， 管坯向内凹 陷； 若成形内压过大， 金属在较强的拉应力作用下变形， 壁厚变薄 严重 。如图 9 、 图 1 0所示 ， 分别为内压不足和 内压 过大 的成型结 果。如果内压太大就会使管坯破裂， 而得不到仿真收敛结果。 图 9 内压不足 图 1 0 内压过大 4结论 1 提出改进液压成型工艺加工三通管工艺， 经过仿真模拟 和实际加工， 发现此工艺可行， 无需内高压液压成型所必须的昂 贵超高压泵给系统以及平衡冲头系统 ， 进而使得设备费用大大降 低， 具有大规模推广使用的意义。 2 对于液压成形这种新型工艺而言， 利用计算机模拟是 提高分析效率的有效途径。应用 e a t ／ D Y N A F O R M软件对管件的 液压成形过程进行模拟， 直观地了解了液压成形过程。并通过模 拟仿真分析了影响成型因素。 仿真模拟为模具设计方案和液压成 形工艺方案设计提供了科学的依据 ， 这样可以避免直接对制造 出来的模具进行调试所带来的巨大浪费， 提高设计效率。 参考文献 1 Le e Mu n y o n g ， S o h n S u n g ma n， Ka n g Ch a n y o u n g ．S t u d y o n t h e h y d r o f o r mi n g p r o c e s s f o r a u t o m o b i l e r a d i a t o r s u p p o r t m e mb e r s[ J ] J o u r n a l o f Ma t e ri a l s P r o c e s s i n gTe c hn o l o g y， 2 0 02 ， 1 31 1 1 5 -1 2 0 2K i mJ ， K a n g BS ， H w a n g S M， e t a 1 ．Nu m e r i c a l p r e d i c t i o n o f b u r s t i n g f a i l u r e i n t u b e h y d r o f o r m i n g b y t h e F E M c o n s i d e r i n g p l a s t i c a n i s o t r o p y [ J ] ．J o u r n a l o f M a t e ria l s P r o c e s s i n gT e c h n o fogy ， 2 0 04， 1 5 3 1 5 4 5 4 4 - 5 4 9 3 Ma c B J D， Ka s h mi r M S J ． An aly s i s o f d i e b e h a v i o r d u rin g bu l g e f o r mi ng o p e r a t i o n s u s i n g t h e f i n i t e e l e me n t m e t h o d[ J ] ．F i n i t e E l e m e n t s i n An a l y s i s a n d De s i g n， 2 0 0 2， 3 9 1 3 7 -1 51 4 H a l l J O ． L S DY N A t h e o r e t i c a l ma n u a l [ M] ．L i v e r mo r e S o f t w a r e T e c h n o l o g y Co r p o r a t i o n， 1 9 9 8 5 苏岚 ， 王先进， 唐狄等． T型管液压成形过程的有 限元分析 [ J ] ． 北京科技 大学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 5 5 3 7 ～ 5 4 0 6 K o c M， A h a n T ． A p p l i c a t i o n o f t w o d i m e n s i o n a l 2 D F E A f o r t h e t u b e h y d r o f o r mi n g p r o c e s s[ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e ， 2 0 0 2 ． 4 2 1 2 8 5 -1 2 9 5