仪表板梁液压成型工艺的仿真分析与试验研究.pdf

材料 工 艺 设 备 仪表板梁液压成型工艺的仿真分析与试验研究 郑再 象 李 红 刘 国宪 扬 州大 学 ★ 【 摘要】 介绍了液压成型技术的优点、 现状及其丁艺特点， 以某汽车仪表板梁液压成型为例建立了有限元模型。 针对 内压加载和轴 向进给的匹配关 系 。 设计了 4组仿真试验方案 ． 给出了模拟结果 ， 并 与试验结果进行了比较 仿真 与试验分 析表明 ． 内压加载和轴 向进给 眄配关 系的优劣是零件 液压成型的关键 试验结果 与仿真结果吻合较好 ， 采 用仿 真方法进行仪表板梁工艺方 案设计和 _ r 艺参数制定是可行的 主题词 仪表板梁液压成形有限元 中图分类号 U 4 6 3 ． 8 3 7 文献标识码 A文章编号 1 0 0 0 3 7 0 3 2 0 1 J 0 6 0 0 5 9 0 4 The Ex pe r i m e nt a l Re s e a r c h a nd S i m u l a t i o n Ana l y s i s f o r Hy dr o f or mi ng o f An I n s t r um e nt Pa n e l Be a rn Zhe n g Za i x i a n g，Li Ho ng，Li u Gu o x i a n Ya n g z h o u U n i v e r s i t y 【 A b s t r a c t ] F i r s t l y ， a d v a n t a g e s ， a p p l i c a t i o n s t a t u s a n d t e c h n o l o g i c a l t r a i t s o f t u b e h y d r o f o r m i n g t e c h n o l o g y a r e i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r ， a n d F EM mo d e l s o f i n s t r u me n t p a n e l b e a m h y d r o f o r mi n g a r e b u i l t ．S e c o n d l y， b a s e d O U t h e ma t c h i n g c o r r e l a t i o n s o f i n t e r n a l p r e s s u r e l o a d i n g a n d a x i a l f e e d i n g，f o u r n u me ri c a l s i mu l a t i o n s c h e me s a r e d e s i g n e d ， t he n s i mu l a t i o n r es u l t s a r e g i v e n， a n d t he n c o mp a ris o n b e t we e n n ume r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d e x p e rime n t a l d a t a i s ma d e ． T h e s i mu l a t i o n a n d t e s t a n a l y s i s s h o w t h a t a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f t h e ma t c h i n g c o r r e l a t i o n b e t w e e n i n t e r n a l p r e s s u r e l o a d i n g a n d a x i a l f e e d i n g i s c r i t i c a l i n c o mp o n e n t s h y d r o f o r mi n g ； t h e t e s t r e s u l t s a g r e e w e l l w i t h s i mu l a t i o n r e s u hs ， t h e d e s i g n a n d t e c h n o l o g i c a l p a r a me t e r s s e t t i n g o f i n s t ru me n t p a n e l b e a m p l a n wi t h s i mu l a t i o n a r e f e a s i b l e ． Ke y wo r d s I ns t r um e nt pa ne l be a m ，Hydr o f o r mi ng ，FEA 1 前言 与传统的冲压 、 焊接等工艺相比， 管件液压成型 工 艺 具有 减轻 质 量 、 节 约材 料 、 降低 能耗 、 简 化生 产 流程和降低生产成本， 以及制品表面质量高 、 机械性 能好等优点． 已在汽车等行业中得到广泛应用 2 1 影 响液压 成型过 程 的主要 因素包括 材料 成型 性 能 、 零件 结 构及 其 形状 、 内压 加 载路 径 、 轴 向进 给 量 及进给速度 、 管坯与模具之间的润滑条件等。其中， 内压加 载与 轴 向进给 之 间的匹 配关 系对成 型结 果影 响最显著 当内压上升过快而进给不足时．管坯过 分拉 薄甚至 开裂 反 之 ． 当 内压 上升 太慢 而进 给过快 时． 管坯 出现起皱 、 屈曲、 折叠等缺陷f 3 _ 。 仪表板梁是我国汽车行业率先采用液压成型工 艺加工的零件之一 ．它的横截面沿轴线变化非常丰 富， 具有圆形 、 方形 、 梨形等多种形状 ， 非常适合采用 液压成型工艺制造 本文采用数值模拟和试验验证 {基金项 E t 科技部创新基金 0 7 C 2 6 1 4 3 2 0 1 3 5 7 。 2 0 1 1 年第 6期 相结合的方法 ．分析 了汽车仪表板梁的液压成型过 程 ， 讨 论该 类零 件液 压成 型工 艺方 案设计 、 工艺 参数 选 择及 零件 的设 计准 则 。 2 仿真试验设计及有 限元建模 2 ． 1零 件结构 特征 图 1为某 汽 车仪 表板 梁 的 横 截 面 周 长 及 其 特 性 由实 际结 构可 知 ．采用 液压成 型 工艺加 工该 零 件的不利因素为 横截面周长最大值接近 1 7 8 m m． 最小值仅为 1 3 2 m m． 二者相差约 3 5 ％ 左侧横截面 较扁平 ． 成型过程存在深拉伸现象 需要轴向进给的 部分 较长 2 ． 2 数 值分 析模 型 管坯 的 初始 外径 为 西 4 2 ． 2 F il m．初 始壁 厚 为 2 ． 0 mi l l 。考虑零件长度、 轴向进给量 、 密封及过渡段 、 切 割量等因素 ． 管坯长度初步取 l 4 5 0 m m。所有的模 具和冲头均视为刚性体 ． 采用单元面 内单点积分的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 材 料 ． 工艺 ． 设备 - B T壳 单元 管坯则 采用单 元 面 内全 积分 的 B T壳 单 元 ．运 用 动 态 显 示 算 法 进 行 求 解 管 坯 材 料 为 S T K M l 1 A．其 等效应力与等效应变 关系满足 4 6 8 ． 3 0 ． 0 2 2 e n 2 16 。所 建立 的仪表 板 梁有 限元 模 型 如 图 2所示 1 7 q A A B- B C C D D E E F - F G G 图 1 某 汽 车仪 表板 梁 示 意 图 2仪 表 板梁 有 限兀 模 型 2 ． 3 仿 真试 验方 案 在 零件 结 构 、 形状 、 材 料 、 润滑 条 件等 因素确 定 后 ． 需要 合理 匹配 内压加 载与轴 向进 给之 间 的关 系 ． 以确保 管件能 顺利成 型 内压 与轴 向进 给的 主要 匹 配 关 系为1 5 ] 在 轴 向进 给 的 同时 内压 保 持不 变 。 进 给 量 不变 ， 改 变进 给初始 压 力值 图 3方案 a 在轴 向 进给的同时内压保持不变， 进给初始压力值不变． 改 变进 给 量 图 3方 案 C 在轴 向进 给 的 同 时 内压 同 步上 升 。 进给 量不 变 ． 改 变 内压 上升 速 率 图 3方 案 b 在轴 向进 给 的同时 内压 同步上 升 ， 内压 加载路 径 不 变 ． 改 变进 给量 图 3方 案 d 根 据上述 4种 匹配 关系设计了 4种数值仿真方案 ． 如图 3所示 g g 制 厦 霹 b 方案 b △_ 岂 蹬 塞 时 间／ ms d 方 案 d 图 3 内压 与 轴 向 进 给 的 匹配 仿 真 试 验方 案 3 数值模拟结果分析 图 4为仿真试验方案 a的计算结果 从图 4可 看 出 ． 初 始进 给 压力 值 为 2 0 MP a时 ． 管 坯过 度 拉 薄 而开裂 压力值为 2 5 MP a时结果最好 压力值为 3 0 MP a时 ． 管 坯 不 仅 过 度 拉 薄 开 裂 ． 而且 其 端 部增 厚 严 重 。分 析成 型 过 程发 现 ． 前 者 2 0 MP a 在 管 坯还 未 完全 贴模 时进 给 已经 结束 ．后续 成 型过程 无法 获 得 进 给 而导 致管 壁 开裂 后 者 3 0 MP a 则 因进 给 尚 未完成管坯就已经贴模 ．直接导致贴模前进给不充 分 ， 管坯 过度 拉薄 ， 贴模 后还 继续 进给 ， 在摩擦 阻力 、 内压力 和金 属变形 抗力 的共 同 阻碍下 ．材料 较难从 端 部流 向 中部 ． 端 部材 料堆积 过 多而增 厚 压 力值 为 2 5 MP a时 ， 端部进给与成型过程 吻合 比较好 ． 所以 结 果也 较好 壁／ m m 壁厚／ mm 壁厚／ mm 7．6 9 3 7．01 3 6．3 3 4 5．6 5 4 4．9 7 4 4．2 9 5 3．6l 5 2．9 3 5 2．2 5 6 1 ． 5 7 6 0．8 9 6 2 0MPa 鹾25MP a 翟3 OMP a 图 4方 案 a管 坯 壁 厚分 布云 图 汽车 技术 7 2 7 2 6 1 6 0 5 O 5 ∞ 乃 3 3 2 2 2 2 2 1 l l 1 2 4 6 8 O 2 4 6 8 2 2 舛 铝 ∞ 卯 2 2 2 2 1 l 1 1 1 0 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ． 材料 ． 工 艺 ． 设 备 ． 图 5为仿 真试验 方案 b的计算 结果 。比较 4种 结 果可 知 ．初 始进 给 压 力值 为 1 5 MP a时 的结 果 最 好 ， 2 0 MP a时 的结 果 次 之 ， 2 5 MP a时 的结 果 最 差 ； 同时 ， 内压 上升速 度 即 曲线斜 率 越 慢越 好 。 5方 案 b管 坯 壁 厚 分 布 五 图 图 6为仿真试验方案 c的计算结果 显然 ． 不同 进 给量 和进 给速度 对成 型结 果 的影 响非常 明显 当 进 给量 为 7 0 m m 时 ． 系 统提 供 的进 给量 不 能 满足 成 型 阶段 实际需 要 的进给 量 ．进 给 不足导 致 管壁过 度 拉 薄开裂 当进 给量 为 1 0 0 mm时 ． 系统 提供 的进 给 量远 超过 实际 需要 的进 给量 ． 进 给速 度太 快 ． 金属变 形速率快速上升． 使金属材料塑性性能下降 ． 变形抗 力增 大 ． 阻碍金 属材料 流 动 ， 管件 扁平 段较 早 出现屈 曲现 象 ．继 而在 进给端 部 过渡 区域 出现严 重起 皱折 叠现 象 ． 材料 无 法 向 中间段 流 动 ， 中间 段补 料 不 足 ， 管坯过度 拉 薄 因此 ．过多 和过 少 的进给 量都 不利 于 成型 ． 理想 的进 给量应 为 8 0 ～ 9 0 mm 图 6方 案 c管 坯 壁厚 分 布 石 图 图 7为仿 真试 验方 案 d的计算 结果 当进 给量 为 7 0 m m 时 ．系统 提供 的进 给 量 不 足 导 致 管 坯 开 裂 。 当进 给量 为 1 0 0 mm时 ．管坯 扁 平段 也 出现 屈 曲、 起皱现象 ， 但在管件 内部持续上升的液压力作用 下 ． 整个成型过程中管件未出现过折叠现象 ． 且材料 还能继续向中间流动 ．部分满足中问段成型的进给 要求 ． 结果 较好 。 2 0 1 1年第 6期 图 7 方案 d管坯壁厚分布云图 4试验 仪表 板梁 的液 压成 型试验 是在 紧凑 型液 压成 型 设 备 HM1 0 0上 进行 的 ． 试 验压 力加 载路径 如 图 3方 案 d所 示 ． 左 侧 补 料 量 为 9 0 m m， 右 侧 补 料 量 为 2 0 mi D _ ， 成型后的仪表板梁如图 8所示。 图 8液 压 成 型后 的仪 表 板 梁 表 1 为 3个 主要截 面 试验 易开 裂部位 ．见 图 9 的仿 真结 果 与试 验 结果 由表 1 可 知 ， 试 验 测量 的壁 厚与 仿真 预测 的壁 厚吻合 较好 ．大 部分偏 差 在 1 0 ％以内 最 大差 别 出现 在 A A截 面 ． 仿 真 结果 的 最薄 处 应位 于 7 3处 ．而 试 验 中多 次 开裂 位 置却 在 和 处 分 析其 成型 过程发 现 ． 当管坯 内的液压 力 上升 到 3 5 MP a时 ， 7 2、 与 1 之 间 已全部 贴模 ， 但 、 与 之 间部分 仍 未贴 模 ，要 使 该部 分 完 全贴模 ． 所需压力高达 7 5 MP a ， 远超过管坯 的开裂 压 力 因此 ， 在 材料 非绝 对 均 匀 、 非 严格 各 向同性 、 无轴向进给的条件下 ．受液压力和摩擦阻力双重作 用 的管坯 在 和 处 是较易 开裂 的 表 1 试 验 壁 厚 与 仿 真 壁 厚对 比结 果 截 面 项 目 l T 2 T 3 T 4 试 验 壁 厚／ mm 2 ． 2 4 1 ． 6 4 1 ． 8 5 1 ． 7 8 A A 仿真壁厚／ m m 2 ． 1 4 1 ． 9 0 1 ． 5 9 1 ． 9 0 偏 差 - 4 ． 5 1 5 ． 8 1 4 ． 1 6 ． 7 试 验 壁 厚／ mm 2 ． 1 4 1 ． 6 4 1 ． 7 8 1 ． 9 2 C C 仿 真壁厚／ mm 1 ． 9 8 1 ． 5 9 1 ． 8 2 1 ． 9 5 偏 差 - 7 ． 5 3 ．0 2 ． 2 1 ． 6 试 验 壁 厚／ mm 1 ． 9 4 1 ． 5 8 1 ． 5 2 1 ． 5 6 E E 仿真壁厚／ m m 2 ．0 0 1 ．6 5 1 ．4 3 1 ．6 5 偏 差 3 ． 0 4 ． 4 5 ． 9 5 _ 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ．材 料 ． 工 艺 ． 设 备 ． O o O 加工的零件亦有借鉴作用。 d．采用仿真方法进行工艺方案设计和T艺参 数制订．能在较大程度上降低生产制造成本，提高生 产效率。 参 考 文 献 AA B B E- E 图 9主要 截 面 壁 厚 的测 量 位 置 5结束语 z a． 内压加载与轴 向进给 匹配关 系的优 劣直 接决 定管件液压成 型的成败 ， 因此 ， 为确保零 件顺利 成型 ． 必须仔细设计 内压加载和轴 向进给 的匹配关系。 3 b ． 在端 部轴 向进 给 的过程 中 ．管坯 内压 保 持 不变或持续上升都是可行的．前者的初始进给压力 要高于理论值 ， 而后者则低于理论值 ． 两者可互为备 。 选工 艺方 案 。 c．试 验测 量 结 果 与 仿 真 预 测结 果 吻合 较 好 ． 即采用仿 真方法 进行 仪表板 梁工 艺方 案设计 和 工艺 参数制定是可行 的．对其它可用液压成型工艺进行 Ko c M．De v e l o p me n t a n d de s i g n g ui d e l i ne s f o r p a r t ，t o o l i ng a n d p r o c e s s i n t he t ub e h y d r o f o r mi ng t e c h n o l o g y ． Di s s e r t a t i o n， Th e Oh i o S t a t e Un i v e r s i t y， 1 9 9 9． Ah me t o g l u M，S u t t e r K，L i J，e t a 1 ．T u b e Hy d r o f o r mi n g Cur r e nt Res e a r c h， App l i c a t i o n s a n d Ne e d f o r Tr a i n i ng ． J o u r n a l o f Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 0 9 8 2 2 4 - 231 ． J i r a t h e a r a n a t S ．Ad v a n c e d me t h o d s for fi n i t e e l e me n t s i mul a t i o n for p a r t an d p r o c e s s d e s i g n i n t u be h y dr o for mi ng ． Do c t o r a l Di s s e rta t i o n， Ohi o St a t e Uni v e r s i t y， 20 04 ． 赵海鸥编著． L S D Y N A动力分析指南． 北京 兵器T业出 版社 ．2 0 0 3 ． 郑再象． 汽车用异型截面管件液压成型设备及工艺参数研 究 [ 学位论文】 ． 南 京 南京理工大学 ， 2 0 0 7 ． 责任编辑文楫 修改稿收到 日期 为 2 0 1 1 年 3月 1 4日。 上接 第4 0页 一 延0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 01 8 0 2 0 0 时间／ s b 滑转率 JS 2 垂 8 吾 一 艇0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 时 问／ s c 滑转率 S 3 曩 8吾 一 艇0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0 时间／ s f d 1 滑转率 S 4 图 7起 动 VDL S系 统 时 的各 驱 动 轮 滑 转率 曲线 由图 6 、 图 7可 以看 出 ， 在未 起 动 VD L S电控 系 统时 ． 各驱动车轮的滑转率上升的幅值很大。 一直处 于很高的区域 ．其中驱动轮 1 很快就达到了 9 0 ％以 上 ．驱动轮 2滑转率上升 的幅值较小但也接近 了 5 0 ％． 远 远超 过 了最 佳滑转 率 ， 导 致 车辆 无法 充 分利 用 路 面的附着 力而 正 常行驶 当起动 V D L S系统 时 ． 在E C U控制之下 ， 自动锁止各驱动啮合装置 、 左右 轴间差速器以及中央轮间差速器 ．所 以使驱动车轮 的滑转率很低 ．除各别跳点外 ．峰值滑转率不超过 2 0 ％。因 此 ． 在 V D L S系统 自动 控制 模 式 下 ． 越 野汽 一 62 一 车可 以始终处 于最 佳驱 动状 态 ．在路 面附着 能力极 差 的冰 雪路 面可 以显著 提 高通过性 和 机动性 ．改善 了越野 性能 。 5结束语 设 计 了 V D L S模糊 控 制器 ．对 多轮 越野 车辆 进 行动 态 调控 ． 并 进行 了基 于某 8 x 8越野 车 辆 的实 车 控制性 能试 验 ．试 验结 果表 明该 V D L S控制 器具 有 较好 的控 制效果 参 考 文 献 1 S i b o N，h o n g y a n W ，b a o s h a n C． T h e S t u d y o f Ve h i c l e Dy na mi c s S i mu l a t e Mo de l Us i n g i n Of f -r o a d Ve hi c l e Di ffe r e n t i a l L o c k Au t o ma t i c Co n t r o l S y s t e m．P r o c e e d i n g s o f t h e 8 t h I nt e r na t i o na l Sy mpo s i um on Te s t a nd Me a s u r e me nt ，Vo l 5， 20 09 ． 2 Z a b u s k y N J ，Z h a n g S ． Vi s i o me t r i c s o f 2 n d S h o c k p l a n a r S ／ F ／ S C u r t a i n I n t e r a c t i o n s Vo r t e x Do u b l e L a y e r s ，Vo rt e x P r o j e c t i l e s a n d D e c a y i n g S t r a t i fi e d T u r b u l e n c e ．T r a n s a c t i o n s o f N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s A s t r o n a u ． 2 0 0 1 S 1 ． 3赵方庚 ， 姜丁 ． 朱 先 民， 赵慧敏 ， 唐静远 ． 越野 汽车差速锁 止机构 自动控制 系统控制策略研究． 汽车工程 ， 2 0 0 5 1 ． 4 郑贵省 ． 等． 越 野车辆差速器 同步锁止机 构 自动控制系统 模糊控制方法研究． 汽车工程 ． 2 0 0 0 4 ． 责任编辑学林 修改稿收到 日期为 2 0 1 1 年 6月 5日 汽车技术 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m