（材料加工工程专业论文）大口径三通管件成形工艺与计算机模拟.pdf

t h e s i ss u b m i t t e dt ot i a n ji nu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h em a s t e r sd e g r e e t h e f o r m i n g p r o c e s sa n dc o m p u t e r s i m u l a t i o no f l a r g e - - - d i a m e t e r t - t u b e b y g ul i s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n g ji a n d e c e m b e r2 0 0 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼堡王太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 古确 i 签字日期：形年月玎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼堡王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：专印 导师虢泡名 签字日期：夕年月订日签字日期：彤年月矽日 摘要 三通管件是近代工业上应用量大、面广的一种常见的管道联接件，在输送中、高压 液体或气体的过程中会有局部涡流出现，对管件的性能有较大的影响。过去采用传统制 造方法生产三通管件存在较多严重缺点，所以现在多采用优质无缝钢管成形三通管，其 中有些方法的研究和生产国内尚处于初始阶段。本文重点研究了内高压工艺和翻边工艺 生产无缝三通管件。 对于内高压工艺，本文首先运用d y n a f o r m 软件进行模拟，分析研究了工艺参数 ( 内压，轴向进给力和径向背压力) 的加载路径对三通管内高压成形的影响，通过研究 发现：( 1 ) 足够的进给量是获得一定支管高度的必要条件，但是进给量过大的话，会造 成壁厚的严重增加；( 2 ) 内压和背压力的影响方式相反，内压过大或背压力过小都会造 成支管顶部过度减薄甚至是破裂，相反的话，支管高度太小，背压力阻碍了主管的生长。 此外还探讨了摩擦系数、圆角半径对成形件的影响，发现摩擦系数越小、圆角半径越大， 成形质量越好。然后本文利用神经网络结合遗传算法对不同尺寸的三通管内高压工艺参 数的匹配关系进行了预测和优化，可以成形出较好质量的三通管。结果表明：神经网络 结合遗传算法可以较好的解决内高压成形中工艺参数的匹配关系的预测和优化问题。 现有的企业生产大口径三通管要通过多道次翻边工艺，称为多级翻边扩孔工艺。本 文主要研究了一次翻边工艺，首先分析了翻边工艺的影响因素，确定预制孔的形状是成 形质量的关键，然后利用冲压变形规律设计的预制孔管件通过一次翻边成形等径三通 管，应用d e f o r m 软件对翻边工艺进行数值模拟。然后利用神经网络结合遗传算法对 翻边工艺参数预制孔的孔形和凸模的运动速度进行优化，可得到成形质量较佳的三通 管。最后通过对小口径三通管成形工艺研究可得结论：以冲压变形规律设计的预制孔管 件一次成形特定高度的三通管是可行的，但需对工艺参数( 如预制孔孔形和凸模运动速 度) 优化。 缩径管是另一类异型管道联接件。目前对缩口成形工艺的研究还远不够深入，生产 中设计主要通过“试错法 验证，不仅调试时间长，且造成资源浪费，增加生产成本。因 此，本文重点研究大口径无缝厚壁管件的缩口工艺，首先分析缩口工艺的影响因素，然 后通过d e f o r m 软件模拟其成形工艺，得到质量较好的缩径管。通过对缩口工艺参数 及缩径管的应力进行分析可得结论：( 1 ) 对于管件的缩口工艺，首先必须得提高下料的 精确度；( 2 ) 在进行模拟前必须确定缩口系数，缩口系数如果较小则需要进行多次缩口 工序；( 3 ) 管件在冲压缩口成形过程中，变形主要集中在缩径区和定径区，缩径区处壁 厚开始增厚。 关键词：三通管，遗传b p 算法，参数预测，参数优化，内高压，翻边，缩口 a b s t r a c t t - t u b ei sas p e c i a lp i p e - c o n n e c t o rw h i c hi sal a r g eq u a n t i t yo fa p p l i c a t i o na n daw i d er a n g e o f a p p l i c a t i o ni nm o d e r n i z ei n d u s t r y i ta p p e a r sl o c a le d d yw h i c h i ss i g n i f i c a n ti m p a c to np i p e p e r f o r m a n c ew h e nt - t u b e c a r r i e sl i q u i do rg a s w ea p p l yt r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n gm e t h o d st o m a n u f a c t u r et t u b ew h i c hh a sm a n ym a j o rd e f e c t s n o wt h er e s e a r c ha n dm a n u f a c t u r eo f s o m em e a n sw h i c hm a n i l yu s eh i g h - q u a l i t ys e a m l e s ss t e e lp i p ef o rf o r m i n gt t u b ei sa tt h e i n i t i a l s t a g ea th o m e t h ea r t i c l em a i n l yi n t r o d u c e dh i g h p r e s s u r ep r o c e s sa n df l a n g i n g p r o c e s st om a n u f a c t u r el a r g e - d i a m e t e rs e a m l e s st - t u b e f i r s t l y , t h ea r t i c l ea p p l i e dd y n a f o r ms o f t w a r et oc a l t yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e i n t e r n a lh i g h p r e s s u r ef o r m i n g ( i h f ) i ta n a l y z e dt h el o a d i n gp a t ho fp r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c h i n c l u d ei n t e r n a lp r e s s u r e ，a x i a lf e e da n db a c kp r e s s u r et oc o n s i s to ft h ei h fq u a l i t yo f t - t u b e r e s u l t so fl i n e a rl o a d i n gp a t h ss h o w ：( 1 ) e n o u g ha x i a lf e e di sn e c e s s a r yt oo b t a i na c e r t a i na m o u n to fb r a n c h t u b e b u tt o om u c ha x i a lf e e dw i l li n c r e a s et h et h i c k n e s ss e v e r e l y ( 2 ) t o o1 a r g ei n t e r n a lp r e s s u r eo rt o os m a l lb a c kp r e s s u r ew i l lr e d u c et h et h i c k n e s ss e v e r e l yo r e v e nc a u s eb u r s t ，o nt h ec o n t r a r y , t o os m a l li n t e r n a lp r e s s u r eo rt o ol a r g eb a c kp r e s s u r ew i l l r e s u l ti nas m a l la m o u n to fb r a n c h - t u b e b e c a u s et h eb a c kp r e s s u r ew i l lp l a yan e g a t i v er o l e o nt h eg r o w i n go fb r a n c h t u b e f u r t h e r , t h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o nc o e m c i e n ta n dc o m e rr a d i u s w e r ea l s os t u d i e d t h es m a l l e rf r i c t i o nc o e f f i c i e n to rl a r g e rc o r n e rr a d i u sc o u l dp r o d u c ea f o r m i n gq u a l i t yo ft h eb e t t e rt - t u b e t h e ni tf o r e c a s t e da n do p t i m i z e dt h em a t c ho ft h ei h f p a r a m e t e r sf o rd i f f e r e n td i a m e t e rt - t u b e b ym e a n so fn e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i c a l g o r i t h m s i tc o u l do b t a i nf o r m i n gq u a l i t yo ft h eb e t t e rt - t u b e t h er e s u l t ss h o wt h a t c o m b i n e du s eo fn e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m si sae f f e c t i v ew a yt os o l v et h e p r o c e s sp a r a m e t e r sf o r e c a s ta n do p t i m i z a t i o np r o b l e mi ni h f t h ee n t e r p r i s ea p p l i e sm u l t i p a s sf l a n g i n gp r o c e s st om a n u f a c t u r el a r g e d i a m e t e rt - t u b e n o w t h ea r t i c l em a i n l ys t u d i e do n c ef l a n g i n gp r o c e s s f i r s t l y ，t h ea r t i c l ea n a l y z e di n f l u e n c i n g f a c t o ro ff l a n g i n gp r o c e s s ，a n dc o n f i r m e dt h a tt h es h a p eo fp r e - m a n u f a c t u r e dh o l ei st h ek e yo f f o r m i n gq u a l i t y t h e ni ta p p l i e dp r e - m a n u f a c t u r e dh o l ep i p ew h i c hw a sd e s i g n e db yp r e s s i n g d e f o r m a t i o nl a wt oo n c ef o r m i n ge q u a lt - t u b e ，a n du s e dd e f o r ms o f t w a r et op u tu p n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff l a n g i n gp r o c e s s t h e ni ta p p l i e da r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r ka n d g e n e t i ca l g o r i t h m st oo p t i m i z ef l a n g i n gp r o c e s sp a r a m e t e r so fl a r g e d i a m e t e rt t u b e ，w h i c h i n c l u d ep r e m a n u f a c t u r e dh o l eo ft u b ea n dm o v e m e n tv e l o c i t yo fp u n c h ，a n do b t a i n e dt t u b e o fb e t t e rf o r m i n gq u a l i t y f i n a l l y ，t h r o u g hr e s e a r c h i n gf l a n g i n gp r o c e s so fs m a l l - d i a m e t e r t t u b ew ec a nc o m et ot h ec o n c l u s i o n ：t u b eo fp r e m a n u f a c t u r e dh o l ew h i c hi sb a s e do n p r e s s i n gd e f o r m a t i o nl a wc a no n c ef o r mt - t u b eo fs p e c i f i ca l t i t u d e s ，b u tw em u s to p t i m i z e f l a n g i n gp r o c e s sp a r a m e t e r sw h i c hi n c l u d ep r e m a n u f a c t u r e dh o l eo ft u b ea n dm o v e m e n t v e l o c i t yo fp u n c h r e d u c i n gp i p ei sa n o t h e rs p e c i a lp i p e c o n n e c t o r s h r i n km o m hi so n eo fp r e s s i n gb a s i c p r o c e s s w ei n s u f f i c i e n t l yi n v e s t i g a t et h i sf o r m i n gp r o c e s sa tp r e s e n t w em a i n l yd e s i g ns h r i n k m o u t hp r o c e s st h r o u g hm e t h o do ft r i a la n de r r o rw h i c hh a sl o n gd e b u g g i n gp e r i o d ，c a u s e s w a s t eo fr e s o u r c e s ，a n di n c r e a s e sc o s to fp r o d u c t i o n t h ea r t i c l em a i n l yr e s e a r c h e ds h r i n k m o u t hp r o c e s so fl a r g e d i a m e t e rt h i c k - w a l l e ds e a m l e s st u b e f i r s t l y , i ta n a l y z e di n f l u e n c i n g f a c t o ro fs h r i n km o u t hp r o c e s s t h e ni tu s e dd e f o r ms o f t w a r et os i m u l a t es h r i n km o u t h p r o c e s s ，a n do b t a i n e df o r m i n gq u a l i t yo ft h eb e t t e rr e d u c i n gp i p e t h r o u g ht h ea n a l y s i so f s h r i n km o u t h p r o c e s sp a r a m e t e r s a n d r e d u c i n gp i p es t r e s s ，w e c a nc o m et ot h e c o n c l u s i o n ：( 1 ) f i r s t l y ，w em u s ta d v a n c ec u t t i n ga c c u r a c yo fs h r i n km o u t hp r o c e s s ( 2 ) w em u s t c o n f i r mn e c k i n gc o e f f i c i e n tb e f o r es i m u l a t i o n i fn e c k i n gc o e f f i c i e n ti st o os m a l l ，w em u s t c a r r yo nm u l t i p a s ss h r i n km o u t hp r o c e s s ( 3 ) d e f o r m a t i o nm a i n l yo c c u r st on e c k i n gz o n ea n d s i z i n ga r e aw h e nt u b eg o e st h r o u g hs h r i n km o u t h w a l lt h i c k n e s si nn e c k i n gz o n eb e c o m e s t h i c k k e yw o r d s ：t - t u b e ，g a - b pa l g o r i t h m s ，p a r a m e t e r sf o r e c a s t ，p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n ， i n n e r - h i g hp r e s s u r e ，f l a n g i n g ，s h r i n km o u t h 目录 第一章绪论一1 1 1 内高压工艺及分级翻边扩孔工艺概述1 1 1 1 内高压工艺与分级翻边扩孔成形工艺的原理1 1 1 2 内高压工艺与分级翻边扩孔成形工艺的特点2 1 2 内高压工艺与分级翻边扩孔成形工艺的国内外研究概况3 1 2 1 内高压工艺的国内外研究概况3 1 2 2 分级翻边扩孔成形工艺的国内外研究概况4 1 3 有限元数值模拟技术的发展与应用4 1 3 1 有限元数值模拟技术的发展4 1 3 2 有限元数值模拟技术的应用5 1 4 本课题的研究目的与意义6 第二章基础理论知识介绍8 2 1 有限元数值模拟理论8 2 1 1 有限元数值模拟基本原理和数理概念8 2 1 2 有限元法的计算步骤9 2 1 3 有限元数值模拟软件简介1 2 2 2 人工神经网络及遗传算法简介1 4 2 2 1 人工神经网络( a n n ) 简介1 4 2 2 2 遗传算法( g a ) 简介1 8 第三章t 型三通管内高压成形模拟2 0 3 1 引言2 0 3 2t 型三通管内高压成形原理2 0 3 3t 型三通管内高压成形有限元模拟步骤2 l 3 3 1 模具及管坯几何模型的建立2 1 3 3 2 模具及管坯的网格划分2 1 3 3 3 管坯材料定义2 2 3 3 4 工艺参数的影响分析2 2 3 4t 型三通管内高压成形工艺参数的预测及优化2 9 3 4 1 编程语言的选择2 9 3 4 2 三通管内高压成形参数的预测2 9 3 4 3 三通管内高压成形参数的优化3 3 3 5 本章小结3 5 第四章大口径厚壁管道连接件成形工艺模拟3 7 4 1 等径三通管分级翻边扩孔成形工艺的模拟3 7 4 1 1 工艺参数的影响分析3 7 4 1 2 大口径三通管翻边工艺的数值模拟及参数优化4 8 4 1 3 小口径三通管翻边工艺实例5 0 4 2 其它管道连接件的成形工艺模拟5 2 4 2 1 管件缩口工艺5 2 4 2 2 管端缩口工艺设计原则5 3 4 2 3 缩口用管件的材质5 3 4 2 4 工艺参数对缩口力的影响5 4 4 2 5 缩口变形程度的计算5 4 4 2 6 缩径管的有限元模拟5 5 4 3 小结5 9 第五章结论与展望6 0 5 1 结论6 0 5 2 展望6 1 参考文献6 2 发表论文和科研情况说明6 4 致谢6 5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 内高压工艺及分级翻边扩孑l 工艺概述 管道运输是当今综合运输体( 包括铁路、公路、水路、航空运输等；) 的主要组成 部分，管道运输较其它运输工具有经济、安全、高效、不间断及无污染等优点，当前， 大口径、耐高压、长输送距离及采用高钢级管材是国际管道工程发展的一个重要趋势口j 。 三通管件是近代工业上应用量大、面广的一种管道基础件，在输送气体或液体的过程中 会有局部涡流出现，对管件的性能有较大影响。过去采用焊接、锻造、体积模锻及机加 工等工艺进行三通管件的生产，存在金属损耗大、产品质量低、生产成本较高和生产率 较低等严重缺点，现在有其它一些生产工艺，如内高压工艺、分级翻边扩孔成形工艺、 多道次挤压工艺等等，多采用优质无缝钢管成形三通管。本文重点讲述内高压工艺和分 级翻边扩孔成形工艺。 管件内高压工艺是以管材作坯料，通过管材内部施加超高压液体和轴向进给补料把 管坯压入到模具型腔使其成形为所需工件的一种加工方法。其成型零件的特点是质量 轻、强度高、一体化、减少后续机械加工和组装焊接量。早期的内高压成形技术主要用 来生产支叉管等管路配件，成型压力一般不大于3 0 m p a 。近年来，由于超高压液压技术 成熟，德国和美国已将该成形技术用于机器零件的制造，其成形压力一般大于4 0 0 m p a ， 有时超过1 0 0 0 m p a 。目前已将这种工艺用于汽车等机器制造领域的实际生产瞄引。 分级翻边扩孔成形工艺先在管坯上制预制孔，加热管坯，然后将其放置在模具上， 预制孔向下( 上) ，从下( 上) 方伸进拉杆，将凸模固定在拉杆上，拉杆向下( 上) 进 行扩孔，进行完一次后将管坯加热再次进行扩孔，直至扩的孔径达到所需的尺寸。这种 能有效生产三通管的工艺是国外企业经过对传统工艺进行改进而总结出来的，目前在国 内还没有报道，因此具有一定的研究价值。 1 1 1 内高压工艺与分级翻边扩孔成形工艺的原理 一、内高压工艺的原理 内高压工艺原理 、1 是通过内部加压和轴向加力补料把管坯压入到模具型腔使其成 形。如图1 1 所示。其基本工艺过程为：首先把管坯1 放入下模2 内，闭合上模3 ，将 管的两端用水平冲头4 和5 密封，然后在管坯内充满液体，并开始加压，在加压的同时 管端的冲头按与内压一定的匹配关系向内送料使管坯成形。对于轴线为曲线的构件，需 要把管坯预弯成接近零件形状，然后加压成形。 第一章绪论 图1 1 内高压丁艺原理 f i g 1 1t h e o r yo fi n t e r n a lh i g hp r e s s u r eh y d r o f o r m i n g 1 管件；2 卜模；3 上模；4 左侧冲头：5 右侧冲头 二、分级翻边扩孔成形工艺的原理 分级翻边扩孔成形工艺是一种生产大口径无缝三通管件的有效方法，它是国外企业 经过对传统工艺进行改进而总结出来的，然后经发展而成为一种成熟的工艺。分级翻边 扩孔成形工艺是先在管坯上冲预制孔，再将管坯加热，然后将管坯放入模具型腔，孔朝 下( 上) 放置，模具下( 上) 方伸入拉杆，将凸模和拉杆固定，拉杆向下运动管坯发生 塑性变形而翻边扩孔，然后加热管坯再进行翻边扩孔，经过多次翻边扩孔后管坯达到所 需的尺寸。成形的模具图如图1 2 所示。 凹模 管件 凸模 拉杆 茹 图1 2 三通管翻边成形模具图 f i g 1 2f l a n g i n gd i eo ft t u b e 1 1 2 内高压工艺与分级翻边扩孔成形工艺的特点 一、内高压工艺的特点 内高压工艺可以一次成形出沿着构件的轴线节面不同的复杂零件，这是内高压工艺 的主要优点。另外，与传统的冲压焊接工艺相比，内高压工艺主要优点如下 “j ： ( 1 ) 减轻重量，节约材料：对空心轴类零件可以减轻4 0 - - 5 0 ，有些件可达7 5 。 与冲压焊接的组合件相比，汽车内高压成形的空心结构件可减轻2 0 - 3 0 。 ( 2 ) 减少零件和模具数量，降低模具费用：内高压件通常仅需要一套模具，而冲 压件大多需要多套模具。 ( 3 ) 可减少后续机械加工和组装焊接量：以散热器支架为例，散热面积增加4 3 ， 焊点由1 7 4 个减少到2 0 个，装备工序由1 3 道减少到6 道，生产率提高6 6 。 ( 4 ) 提高强度与刚度，尤其疲劳强度：仍以散热器支架为例，垂直方向提高3 9 ， 水平方向提高5 0 。 第一章绪论 ( 5 ) 降低生产成本：根据德国某公司对已应用零件统计分析，内高压件比冲压件 平均降低成本1 5 - 2 0 ，模具费用降低2 0 - - 3 0 。 ( 6 ) 成形零件的精度高：成形零件的尺寸精度从原来的i t l 4 提高到i t l 0 。 同时由于液体压力传递均匀，故利用内高压成形工艺可以方便地控制工艺参数，对 工艺过程可以进行实时控制，用来成形传统工艺无法成形的复杂零件。但是内高压成形 三通管有局限性，国内目前采用胀形方法的成形力较低，内压与轴向进给的控制也不严 格，但国外内高压工艺的成形压力较大，不能高温成形，且壁厚不能太大“”，因此内高 压工艺能成形较大口径薄壁管件。 二、分级翻边扩孔成形工艺的特点 分级翻边扩孔成形工艺的最大优点就是工艺简单，成形过程比较容易控制。这种方 法是成形大口径无缝管件的有效方法，它是在高温下成形大口径无缝管件，适合成形厚 壁管件，因为这种方法每次翻边扩孔后都得对管件进行加热，所以能耗大，生产成本较 高，对环境热污染严重。 1 2 内高压工艺与分级翻边扩孑l 成形工艺的国内外研究概况 1 2 1 内高压工艺的国内外研究概况 在国外，同本学者m a n a b e 和n i s h i m u r a p 卜；研究了硬化指数和各向异性对管径液压胀 型工艺的影响。f u c h i z a w a i 引运用增量塑性理论，分析了一定长度的薄壁圆筒的胀型。从 9 0 年代以来，许多学者进行了大量的研究试验。j s p o r e r 教授r 引使用e m w o r k p l a c e 软 件包对轿车用副车架成形的全过程( 从弯曲一胀形一液压成形) 进行了仿真演示，并把相 关数据直接传送给机器人控制系统来调控实际生产。福特汽车公司的k t h o m p s o n ”| 和国家钢铁公司的s d 1 i u 曩j 等通过数值模拟和实验对矩形截面零件的液压成形进行 了分析，利用塑性变形理论分析了管件液压成形的成形极限、屈曲和开裂的机理，得到 了内压和圆角半径的关系，指出成形圆角越小，所需内压越高；确定了开裂、屈曲和内 高压成形在f l d 图中的区域，并指出理想的成形区域应该在单向压缩与拉深模式之间； 同时提到了在成形早期有益起皱的概念。美国国家钢铁公司的s r i n i v a s a n _ ”；等通过改变 不同的摩擦因数、管坯长度等工艺参数的建模方式来模拟管坯液压成形过程，认为摩擦 的改变并不影响成形零件的壁厚分布。韩国的l e il i p i n g 等利用自己开发的专门面向 管件液压成形软件一h y d r o f o r m 3 d 来模拟汽车中副车架的成形过程，并得到了与实验 较为一致的结果。t a l t a n 教授领导的美国俄亥俄州立大学的工程研究中心专门成立了内 高压成形技术研究小组，举办了多次液压成形技术会议，成立了管长液压成形协会，向 会员提供液压成形方面的技术资料及最新发展动态，为内高压成形工艺的提高及普及作 出了重要贡献。 我国内高压成形技术研究虽然起步较晚，但发展很快。在有限元模拟方面，g a o 等 对内高压成形的自适应模拟以及预弯成形复合工艺进行了有限元模拟；朗利辉等对防锈 第一章绪论 铝变径管的内高压成形过程进行了有限元模拟；林俊峰等模拟了空心双拐曲轴；雷丽萍 等模拟了轿车副车架；李乐等模拟了三通管成形删i ；苑世剑一i 等就大变形量台阶轴内高 压成形中的压力及补料参数的影响进行有限元分析。而在国外，奔驰、宝马、大众、奥 迪、通用等汽车公司都有多款车型使用了内高压成形技术，而其应用更是涵盖了从发动 机托架到凸轮轴、排气管以及天窗导轨等，即包括结构支撑也包括动力传输多个领域5 嵋j 。 1 2 2 分级翻边扩孔成形工艺的国内外研究概况 分级翻边扩孔成形工艺是一种成形大口径无缝管件的有效方法，它是在高温下成形 大口径无缝管件，适合成形厚壁管件，但是这种方法在国外有成熟的专有化企业或国内 的外资企业有应用，在国内并没有相关报导。目前这种方法我们最需要解决的问题有： 1 下拉扩孔模具的形状及对管件冲孔时孔的形状设计； 2 管件需要加热的温度； 3 模具下拉扩孔时的速度； 4 分级扩孔时需要分的级数。 此外，分级翻边扩孔成形管件时还需要注意翻边扩孔后的孔的轴向垂直度、变形时 金属流动导致的壁厚减薄量、材料变形对材料性能的影响等方面。因为分级翻边扩孔成 形工艺需要对管件分级翻边扩孔，而且每次翻边扩孔后都得对管件进行加热，所以我们 如果能对工艺进行改进，减少翻边扩孔的次数也可以达到减少成本、降低能耗的目的。 因为大口径管件的尺寸大，所以它的成本较高，报废率必须非常低，所以成形的精度要 求特别高，这些问题都给大口径无缝异型管件的成形研究带来一定的困难。 1 3 有限元数值模拟技术的发展与应用 1 3 1 有限元数值模拟技术的发展 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是一种能求得许多工程问题近似解的数值分析方 法，其数学基础是在很长时间内发展起来的，最早可以追溯到1 8 世纪末( 1 8 9 5 年) 高斯 的加权余量值法曩j 。有限元法的基本思想1 1 5 j 是将连续的求解区域离散为一组有限个且按 一定方式相互联结在一起的单元的组合体。物体被离散为更小的单元后，通过对各个单 元进行分析，把单元分析结果组合就得到对整个分析对象结构的分析。这种方法适合解 决区域比较复杂的微分方程的定解问题。有限元单元能按不同的联结方式进行组合，且 单元本身又可以有不同的形状，因而可以模型化几何形状复杂的求解区域，而另一个重 要的数值方法有限差分法也有将连续函数离散化的思想，但在处理复杂边界时仍存在困 难，其在网格划分方面远不及有限元法灵活。 有限元法基本思想的提出“ ，可以追溯到c o u r a n t 在1 9 4 3 年的工作，当时开始涉及 有限元的概念。1 9 5 6 年m jt u m e r 等人在分析飞机机翼主粱结构时，提出了平面三角形 4 第一章绪论 单元的概念和计算方法，发展成矩阵位移法。1 9 6 0 年r w c l o u g h 把这种方法由航空结 构工程扩展到土木工程，并正式命名为有限元法，这标志着有限元法的正式诞生。2 0 世纪6 0 年代，有限元法在工程应用和数学理论方面都开始了奠基性工作，得到了基于 变分原理求近似解的r i t z 法的分片插值形式，有限元方法的数学原理、收敛性准则相继 得到证明。从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代中期，有限元法向着深度和广度发展，有限元 分析方法从最早的结构化矩阵分析，逐步推广到板、壳各实体等连续体固体力学的分析。 从2 0 世纪8 0 年代后半期到现在，一方面，在理论上，随着科学技术的发展，线性理论 已经远远不能满足设计的要求，例如建筑行业的高层建筑和大跨度旋索桥的出现和塑 料、橡胶和复合材料等各种新型材料的出现，仅靠线性计算理论已经不足以解决遇到的 问题，只有采用非线性有限元法才能解决。在有限元的传统领域固体力学中，非线性有 限元逐渐成熟，同时在其他领域( 如压电分析、电磁场分析方面) 也取得了长足的进展。 另一方面，随着计算机技术的发展和软件工程的兴起，大型商用有限元软件在更好的人 机界面、更强的分析功能、更直观结果的显示方面取得了长足的进步，并同益和计算机 辅助设计c a d 软件集成在一起，形成了一个新的领域c a e ，给工程设计带来巨大的变 革。 为了提高有限元解决实际工程问题的效率，前置建模及网格划分和后置数据处理已 经越来越受到重视。工程师在分析计算一个工程问题时有8 0 以上的精力会花在数据准 备和结果分析上。在强调可视化的今天，有无前后处理，已经成为有限元程序评价的重 要标准。5 0 年来，有限元法经历了诞生、发展和完善的3 个历史时期，已经拥有了十分 丰富的方法形态。就有限元法形态而言，除了最早诞生的基于最小势能原理的位移有限 元模式外，还发展了基于余能原理的应力平衡模式，基于广义势能原理的位移杂交模式， 以及各种各样的特殊的有限元法形态，例如边界有限元法、有限条法、无限元法、半解 析有限元法等。 1 3 2 有限元数值模拟技术的应用 随着计算机性能和对产品质量要求的不断提高，计算机辅助工程( c a e ) 技术已被广 泛地应用于金属成形过程的数值模拟i 1 7 j 。它可以校核和优化模具工艺设计和结构设计方 案，减少模具设计和模具调试周期，降低生产成本，提高产品质量。已商品化且广泛应 用的板材冲压成形专用c a e 软件主要有l s d y n a 3 d 、d y n a f o r m 、p a m s t a m p 2 g 、 a u t o f o r r n 等等。金属成形c a e 技术主要以有限元方法为主，与传统的理论解析方法相 比较，在模拟复杂零件的成形与回弹过程时，具有很大的优势。它可以引入相应的力学 和物理模型真实地反映成形与回弹过程的规律，金属体积成形数值模拟的商品化软件有 d e f o r m 、a u t o f o r g e 、s u p e r f o r g e 、s u p e r f o r m 、q f o r m 3 d 、f o r g e 等，另外l s o y l l a 也可以进行如挤压、锻造等体积成形过程的分析。 起皱、破裂、回弹现象是板材成形过程中的主要成形缺陷，它们会严重影响冲压件 质量。板材成形有限元数值模拟技术可以比较好地解决这个问题，它在计算机上虚拟成 形过程，通过调整工艺参数和工艺补充设计来避免这些缺陷的发生，最终可以提供一个 第一章绪论 合理的优化工艺设计方案，有效地缩短模具设计制造周期。回弹预测是板材成形数值模 拟中最难的问题之一，现有的商业软件中都有模拟回弹的功能，但计算精度的离散度非 常大，还无法有效地应用到实际问题分析。板材成形有限元数值模拟技术主要采用有限 元逆算法。当然也有用增量有限元法结合灵敏度优化方法预测坯料形状，但是这种方法 的计算时间太长，还无法实际应用i l “。 随着有限元模拟技术的不断成熟和发展，已经被应用于液压成形方面。如 d y n a f o r m 、a u t o f o r m 等软件中，就有专门的管形液压成型模块，这为管形件的模拟 分析提供了非常有利的条件。目前商业数值模拟软件均由刚一塑性、刚一粘塑性、弹一 塑性、多孔材料等多种模型组成，材料性能数据也有多种不同选择。j 下确建立模型和选 择相关数据是本模拟结果能否与实际变形情况相吻合的技术关键。 在大变形的金属成形问题中，有时可以忽略其中的弹性变形，而采用刚塑性材料模 型。刚塑性有限元法不考虑弹性变形而简化了有限元计算列式，可加大增量步长，节省 计算时间，但不能计算刚性区的应力应变，不能计算卸载、回弹和残余应力。因此，用 刚塑性有限元法模拟体积成形过程比较适宜。为了考虑变形速率对金属流动和变形抗力 的影响，可采用由刚塑性有限元法扩展而得的刚黏塑性有限元法譬j 。本文选用刚塑性有 限元模型进行成形过程的模拟。 1 4 本课题的研究目的与意义 管道运输与铁路运输、公路运输、航空运输、水路运输并称五大运输业。管道可用 于输送水、原油、天然气、成品油等液体物质，具有输量大、距离长、安全性高、成本 低等优点。近些年来管道运输业在世界范围内得以迅速发展，我国的管道运输业会在未 来的一段时间有较大的发展l j 列。 三通管件是近代工业上应用量大、面广的一种异型管道联接件，在输送液体或气体 的过程中会有局部涡流出现，对管件的性能有较大的影响。过去采用焊接、锻造、体积 模锻及机加工等工艺进行三通管件的生产，存在金属损耗大、产品质量低、生产成本较 高和生产率较低等严重缺点。而且随着科学技术的发展对三通管件的精度提出了更高的 要求，而铸造、模锻等传统的生产工艺难以满足其性能要求，且需后续机加工，切断了金 属流线使产品性能低 引。因此，对于三通管件的成形工艺研究非常有必要。本文重点研 究了内高压工艺和翻边工艺成形大口径无缝三通管件。 管件内高压成形机理十分复杂，成形质量与很多因素有关，其中工艺参数( 内压、 轴向进给力和径向背压力) 之间的匹配关系对成形结果的影响最为显著。考虑到三通管 内高压成形工艺参数的非线性联系及复杂性，往往需要大量的试验，耗费大量的人力物 力，才能得到较为合适的产品。本文以三通管为研究对象，探讨了工艺参数( 轴向进给 力、内压和径向背压力) 的不同加载匹配对三通管内高压成形质量的影响，并利用b p 神经网络和遗传算法，对原管件在一定范围内的任意管径，管长和壁厚的三通管成形参 数进行预测和优化，大大减少了试验次数，且提高了三通管件的成形质量。 6 第一章绪论 内高压工艺的研究内容主要有： ( 1 ) 模拟三通管内高压成形过程，并研究了轴向进给力，径向背压力和内压对三通 管内高压成形质量的影响，以及摩擦系数和圆角半径大小对三通管内高压成形质量的影 响。 ( 2 ) 建立了三通管内高压成型的b p 神经网络模型，并使用遗传算法对一定范围的 任意尺寸的三通管工艺参数的匹配关系进行预测和优化。 分级翻边扩孔成形工艺也与很多因素有关：下拉扩孔模具的形状及对管件冲孔时孔 的形状设计；管件需要加热的温度；模具下拉扩孔时的速度；以及分级扩孔时需要分的 级数等。本文以大口径厚壁三通管为研究对象，利用神经网络高度的非线性映射能力和 遗传算法的全局寻优能力，通过d e f o r m 有限元软件模拟获得样本和检验结果，对原管 件的预制孔的孔形和凸模运动的速度在一定范围内进行分布，对其进行优化，可以大大 减少试验次数，且提高了三通管件的成形质量。 此外，本文还研究了另一类异型管件一缩径管。缩口是冲压加工的基本工序之一 目前对这种