（材料加工工程专业论文）板材液压成形数值模拟及成形性能预报模型研究.pdf

摘要 板材液压成形分为液体代替凸模和液体代替凹模两种。本文研究的是液体代 替凸模的液压成形工艺。这种工艺技术所用模具简单，适用于形状复杂、批量不 大的大型板料零件的生产。然而由于成形机理的复杂性，过去对这种工艺的研究 常常采用反复试验的方法，这样不仅效率低，而且增加了加工成本。近年来，随 着有限元技术的发展，数值模拟技术开始被应用于液压成形技术的研究中。 本文重点阐述了实现板料液压成形工艺计算机仿真的方法，通过数值模拟研 究了材料参数和工艺参数对板料液压成形的影响和作用，并且通过实验验证，模 拟与实验结果相吻合，证明数值模拟液压成形方法的正确性和可行性。紧接着以 半球形件和复杂盒形件( 摩托车油箱壳体) 为例，对其液压成形过程进行了数值 模拟。对于半球形零件，得到了在液压成形过程中板料的流动规律以及应力应变 分布。对于摩托车油箱，模拟了影响液压成形的关键参数成形油压和压边力范围， 对液压成形条件下应力应变的分布进行了分析，对可能发生起皱和破裂的部位进 行了预测，对拐角处起皱的原因进行了分析，并且在添加拉深筋情况下，对液压 成形摩托车油箱进行了模拟计算，数值模拟结果表明，合理地添加拉深筋可以改 变和分配凸缘变形区金属的流动阻力，消除拐角处的起皱现象。 最后将神经网络技术引入板料液压成形领域，提出基于人工神经网络的零件 成形性能预报模型，建立了具有三层的b p 神经网络对零件成形结果的预测，为 板料成形中确定零件的最终成形结果提出了一个新思路，克服了数值模拟过程中 花费较长时间来计算模拟的缺陷。研究结果表明，对于多参数耦合问题，人工神 经网络确实有很大的优势，完全适合应用于板料液压成形领域。 本文实现了液压成形工艺的有限元数值模拟，研究了材料参数和工艺参数对 板料成形性能的影响，为解决实际问题提供一种途径和理论参考；利用神经网络 建立了零件成形性能的预报模型，为将来探索板料液匝成形的合理工艺条件提供 了一种简单、有力的工具，这也为开发专用液压成形工艺软件和有限元模拟系统 奠定了基础。 关键词：板料液压成形数值模拟人工神经网络 预报模型 a b s t r a c t 承彩伊 h y d r o f o r m i n gh a st w of a s h i o n s ，o n ei st h a tl i q u i dr e p i a c e sp u n c h ，帆qi st h a t l i q u i dr e p l a c e sd i e i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c ht h ef o r m e r b e c a u s eo fs i n l p l em o u l da n d s u i tt oc o m p l e x s h a p e ，a 1 i t t l eo fb a t c h p a r t ，t h et e c h n i c sh a sm a n yv i r t u e s b u td u et o t h e c o m p l i c a t i o n o fi t s f o r m i n gm e 曲a n i s m ， i t i s n e c e s s a r y t ot r i a la n dt e s t s f t e q u e n t l yi nt h ep a s t ，o b t a i n e dt e c h n o l o g yp a r a m e t e r so fac o n c r e t ep a r t i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff e m t e c h n o l o g y ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di s a i s ob e e na a n a i y s i st o o lf o rh y d r o f o r m i n gp r o c e s s 1 nt h i s p a p e r ，h o wt o r e a l i z et h e c o m p u t e rs i m u l a t i o no ft h eh y d r o f o r m i n g p f o c e s si sm o s t l yi n t r o d u c e da n dt h ee f 殆c t so ft e c h n 0 1 0 9 yi m p o r t a n tp a r a m e t e r sa r c i l l u m i n a t e d b ys i m u l a t i n g a ne x p e “m e n tf o r h y d f o f o r m i b g i bm a d eo u t t h e c o i n c i d e n c eo fr e s u l t sf r o me x 口e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nc a l c u l a t i o nv e r i n e st h e r e l i a b i l i t y o ft h es i m u l a t i o n f u f t h e r m o r e ，t w ot y p l c a le x a m p l e st h a tt h e ya r eh a l f b a l l p a r t a n dc o m p l e xc a v i t y ( ( m o t o r c y c l eo i l ) a r et a k e a b o mt h ef o r m e r ，t h e d i s t r i b u t j o no ft 1 1 et h i c k n e s si s a n a l y z e d t h ed e f o r m a t i o nl a wo ft h es h e e tp a r t s d u r i n gh y d r o f b r m i n g h a db e e nr e s e a r c h e d a b o u tt h e l a t t e r ，t h r o u g hn u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，t h ek e yp a r a m e t e r se f f e c t i n gh y d r o f o f m i n g ，l i q u i dp r e s s u r ea n db l a l l | 【 h o i d e i n gf b r c e ，a r ec a l c u l a t e d s t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o nd u r i n gh y d r o f b r m i n gi s a n a l y z e d a n d p l a c e s w h e r e w r i n k i i n g a n d r u p t u r em a y o c c u ra r e p r e d i c t e d f u r t h e r m o r e ， t h er e a s o n sf b r w r i n k l i n g a tc o f n e r sa r e i n v e s t j g a t e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sa l s o a p p l i e df o rh y d o r f o m i n go fc o m p l i c a t e d 曲o xs h a p e dp a r t sw i t h d r a wb e a d s t h er e s u l t si n d i c a t e dh a t a p p r o p r i a t e d r a wb e a d s r e a s o n a b l y d i s t r i b u t i n gt h ef l o wr e s i s t a n c eo n a r e ao f n a n g e ， w h i c hc o n t f i b u t e st oe l i m i n a t et h e w r i n k l i n gp o s s i b i l i t ya tc o r n e r s ， f i n a l l y ，i nt h i sp a p e raf o r e c a s tm o d e la b o u tb l a n kf b r m i n gr e s u l tw h i c hb a s e d o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sp r o v i d e d t h ef o r e c a s tm o d e lh a st h r e et h r e e l a y e r b pn e t w o r ks t r u c t u r ea n df o r e c a s tb l a n kf o r m i n gr e s u l t i ti san e wt h o u g h tf o r d e t e r m i n i n g b l a n kf o r m i n gr e s u l t t h em o d e lr e d u c e st h ea m o u n t so fc o m p u t e r i i s l m u l a t l o n i nt h i sp a p e r ，an e wm e t h o dt or e s o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m si sp r o v i d e db yt a k i n g a d v a n 协g eo fc o m p u t e rf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fh y d r o f o r m i n gp r o c e s s b e c a u s e o ft h er e s e a r c hf o rf u n c t i o n so fm a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r s ，i tw i l l b eas t r o n gt o o lf b ft h ep r o b i n g r e a s o n a b l et e c h n o l o g yr o u t ea n da l s ob et h eb a s i so f d e s i g n i n gp r o f e s s i o n a ls o f t w a r es y s t e m k e y w o f d s ：h y d r o f o r m i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ； a r t i n c i a ln e u r a ln e t w o r k ； f o r e c a s tm o d e l i i i 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 随着汽车工业的发展，汽车市场竞争目趋激烈，国际上各汽车生产厂家己转 向以生产多品种、小批量、新车型为主，丽新车型主要表现为新的车身和内饰。 液压成形工艺因其模具费用的大幅度降低和外观质量的提高，尤其适用于小批量 生产。针对当今要求车型多变的汽车市场，研究板材液压成形理论和提供板材液 压成形技术具有非常重要的现实意义和广阔的应用前景。 在液压成形工艺中，材料参数和工艺参数对板料成形的影响较大，而且各参 数之间有很多组合，因此对于一种零件的板料成形，其材料参数和工艺参数很难 确定。目前为得到一种具体零件的液压成形工艺所需的材料参数和工艺参数，大 都采用反复试验的方法，既繁琐，又不经济。鉴于上述板材液压成形技术存在的 问题，本文拟采用有限元进行模拟板料的液压成形过程，分析一些主要的参数对 板料成形性能的影响，并且计算各部分板料在液压成形过程中的应力和应变情 况，从而判断板料在给定的工艺参数下能否成形，以达到减少或避免用反复试验 来获得所需的参数。 同时，考虑到数值模拟存在着很多的试误过程，且每次模拟花费的时间较长， 本文提出了采用神经网络的方法，由于人工神经网络具有良好的逼近任意复杂非 线性系统的能力，从理论上讲，只要神经作用函数合适，收敛步数足够多，采用 b p 算法训练的神经网络就可以任意精度逼近任意的非线性系统。在板材成形过 程中，象板坯尺寸、材料性能、模具形状、润滑条件等因素之间的关系是非线性 的。为了描述这种复杂的非线性关系，需采用神经网络系统。用神经网络技术建 立板料参数与零件成形性能之间的模型关系，用训练好的模型实现对板料零件成 形性能的预测，这样不仅节约时间，提高效率，还可以对数值模拟有很好的指导 作用，具有深远的意义。 1 2 板材液压成形技术原理及特点 板材液压成形是采用液体作为传力介质代替刚性凸模或凹模传递载荷，使 广东工业大学工学硕士学位论文 坯料在传力介质压力作用下贴靠凸模或凹模以实现金属板材零件的成形，研究对 象涉及筒形件、盒形件、复杂曲面零件及覆盖件等。与传统板材成形加工相比， 具有以下特点及优点【l ，2 】： 1 ) 仅仅需要一套模具中的一半( 凹模或凸模) ，流体介质取代凹模或凸模来 传递载荷以实现板材成形，这样不仅降低了模具成本，而且缩短了生产准备周期。 2 ) 提高产品质量，显著提高产品性能：质量轻、刚度好、尺寸精度高、承 载能力强、残余应力低、表面质量优良。 3 ) 可以成形复杂薄壳零件，减少中间工序，尤其适合一道工序内成形具有 复杂形状的零件，甚至制造传统加工方法无法成形的零件，材料利用率高。 4 ) 通过液压控制系统对流体介质的控制，易于实现零件性能对成形工艺的 要求，材料合理分配。 5 ) 模具具有通用性，不同材质、不同厚度的坯料可用一副模具成形。 1 2 1 板材液压成形技术的发展与国内外研究状况 图l - l 充液拉深不恿图 f i g 1 - ls c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fh y d r o m e c h a n i c a ld e e pd r a w i n g 最初的板材液压成形法是一种软凹模成形法【”，在板坯与液体( 起凹模作用) 阆用一层橡胶模密封，靠液体压力作用于橡胶上压住坯料压边抑制起皱，是一种 柔性压边法，坯料被凸模压入液体而与凸模贴模成形。这种方法有一定柔性和优 点，被小规模用于汽车、飞机零件成形和其它制造业中。但这种工艺有不少问题， 例如压边不易控制，橡胶经常损坏，成形质量也不稳定，已部分地被后来发展起 来的充液拉深工艺代替( 见图1 1 ) 。充液拉深工艺的模具结构与传统冲压相似， 采用刚性压边，不同的是凹模被液压腔取代，与液压成形法相比，橡胶膜被取消， 可以将传统工艺的板料成形极限由1 8 提高到2 7 ，生产效率也得到提高，适合 2 第一章绪论 于批量生产。但该工艺型腔制造较难，灵活性不够。近年来由于汽车和飞机制造 业的轻量化、高质量和环保要求，对柔性成形法的需求显著增加，又由于液压密 封技术取得重要突破，高内压液压胀形成为可能”】，很多管件和框架类零件己可 由高内压法成形，目前欧、美、日等国的企业和大学正集中力量研究高内压胀管 技术。对于板材成形法，国际上已不满足于传统的液压成形法和充液拉深法，德 国9 0 年代提出了种板料零件成对液胀成形新工艺( 见图1 2 ) 。这种工艺特点 是液胀成形时，首先采用激光焊接技术将叠放的两块经过预成形和切边的平板毛 坯边缘焊接起来，然后放置在上下凹模上，压边后在两板问充液加压进行成形 【5 _ ”，其缺点是需要昂贵的激光焊接设备或氩弧焊接技术。后来，德国学者又提 出了有中间加压板的无焊缝对胀成形新工艺，其工艺过程( 见图1 3 ) 。这种工 艺由于采用了中间加压板( 有加压管路与外部液压回路相连接，同时通往上下凹 模腔) ，这种工艺使两板料不直接接触，两板料的变形不互相影响，实际上两板 独立成形。目前，德国这两种新工艺还处于实验室研究阶段。 ( a ) 预成形后切边( b ) 焊接后成形 图1 2 周边焊接坯料成对液压成形 f 噜1 - 2h y d r o f o m j n g o fw e i d e ds h e e tm e t a 王np a i r s 图1 3 中间有加压板的成对液压成形 f i g 1 3h y d r o f o r m i n go f s h e e tm e t a lp a i r sw i t hi n t e r m e d i a t ep l a t e 最近几年出版发表了很多有关液压成形方面的著作，在美国和德国召开了一 广东工业大学工学硕士学位论文 系列的该方面会议。自从1 9 9 6 年，这个领域的很多世界著名的、从事液压成形 的科学家向全世界从事这方面研究的研究者和工程师，报告了他们晟近取得的成 就，1 9 9 7 年1 1 月在德国举行了液压成形的会议，科学家和研究者聚集在一起， 交流了液压成形工艺及其在汽车工业应用方面的知识与成果，一些组织已经出版 了专门杂志和报道，来介绍这种技术的最新发展和它在汽车工业中的应用。同时， 一些金属成形生产厂家和研究机构已经组织人员来开发这种技术【8 】。1 9 9 9 年9 月，在德国纽伦堡市举行第六届国际塑性技术国际会议( 简写6 t h l c t p ) ，在这次 会议上共举行了3 个单元的讨论，有1 6 篇文章参加交流。会后于1 9 9 9 年1 0 月 在德国斯图加特还召开了专门的液压成形国际会议 9 1 。 1 2 2 液压成形的发展趋势 液压成形技术己成为先进制造技术的一个研究热点，其主要发展趋势表现在 以下几点： ( 1 ) 液压成形工艺的成形极限主要由材料的成形性、工件与模具间的摩擦条 件及坯料几何形状决定。目前所用材料主要是碳钢、铝及铝合金，为使构件重量 和强度比值合理，需要采用高强度钢及钛合金等材料，因此，需进步降低工艺 列材料成形性的要求。近几年提出的采用粘性、粘塑性材料作为传力介质的液压 成形，可望用于钛合金等低塑性、难加工材料的成形。 ( 2 ) 如何评价材料对液压成形工艺的适应性也是函待解决的问题。除化学成 分外，模具及成形件的几何形状、变形区应变状态都对坯料的成形性有影响，因 此，利用有限元分析、计算机辅助设计和模拟系统，开发预测金属液压成形性能 的系统非常重要。 ( 3 ) 继续完善工艺理论和实验研究，综合考虑设计结构、工艺参数的影响， 进一步加强工艺控制，推动液压成形技术的不断发展。 ( 4 ) 随着生产过程自动化程度的提高，对工艺智能化的要求越来越高。不断 改进控制技术，通过配备自动换模装置、连续送料自动装置，实现快速究液及快 速开合来克服液压成形工艺的缺点，并且使液压成形工艺能与辅助工序或前、后 加工工序集成，迸一步提高生产效率及自动化程度。 1 3 板材成形数值模拟技术 4 1 3 1 数值模拟技术的研究情况 板材成形数值模拟研究始于6 0 年代1 ”。早期的研究采用的是有限差分法， 所分析的问题主要是圆板液压胀形、半球形冲头或平底冲头下的胀形和拉延成形 等较简单的问题。7 0 年代以来，国内外学者和冲压生产研究员开始寻求各种数 值方法，利用计算机进行冲压生产的定量研究，其中有限元法最为成功，用有限 元法对板材零件的冲压过程进行计算机数值模拟分析，可以对多种不同工艺方案 进行预测分析，优化模具和工艺设计，选择合理的工艺方案，还可以预测冲压过 程中可能出现的各种工艺缺陷，例如坯料的起皱、局部减薄和破裂，并以模拟结 果为依据提出改进模具和工艺参数的办法，优化工艺参数，可以减少调试和修模 的次数；由模拟结果还可以对坯料的形状和尺寸进行优化选择。因而可以降低模 具费用、缩短制模时间、提高产品成品率和材料利用率，最终达到减少产品成本 的目的。目前国际上很多发达国家的企业都己将计算机模拟技术运用到冲压设计 和生产中，对其生产和提高企业竞争力己经起到了明显的促进作用。 对于板材成形有限元模拟，7 0 年代人们就提出了两种方法：静态隐式方法 和动态显式方法。由于静态隐式方法相对简单，对于一些简单的冲压基本工序( 二 维问题) ，例如张拉成形、圆板液压胀形容易得到可靠结果，因此成为8 0 年代人 们的主要方法。静态隐式有限元法的优点是可以较准确预测弹复变形和残余应 力。 静态隐式方法在实际冲压生产应用中遇到很多困难，原因是计算时间长，接 触问题的处理经常引起计算的发散，特别是求解三维问题时这些问题很难解决， 因此许多实际冲压工艺问题难以进行模拟计算。9 0 年代初人们发现，过去忽视 的动态显式方法解决这些问题很有效，这种方法很少发散，比较灵活，处理接触 问题容易，计算速度可以采取多种方法进行调节，对于板材成形等准静态问题可 以给出较准确的结果。这种方法还可预测冲压过程中可能出现的多种工艺缺陷， 例如坯料的起皱、局部过度减薄和破裂，因此这一方法已获得了广泛应用。 动态显式有限元法在离散方法和单元类型的选择、材料本构关系的确定、应 力应变的计算、硬化方式的处理等方面与静态隐式有限元法是相似的，区别是求 解方程的方法、时间步长的确定采用不同方式，接触问题的处理和回弹的计算也 有1 i 同。动态显式有限元法由于采用中心差分法进行显式时间积分，程序在求解 广东工业大学工学硕士学位论文 时不需要形成刚度矩阵，计算时不需要迭代。动态显式有限元法的计算步长要求 比较小，取决于整个变形体网格单元中的最小单元的边长或对角线长度，因此网 格划分时要尽量均匀，避免过小的网格出现。虽然仍需形成方程组，然而每一步 求解方程组的计算时不需要迭代。 动态显式有限元法已在企业获得实际应用。但由于动态影响和采用虚拟速度 及虚拟质量等引起的误差，动态显式有限元法的缺点是在预测弹复变形和残余应 力方面还没有完全解决，所计算的应力分布和载荷含有一定动态影响；这种方法 虽容易得到收敛解，但没有一定的经验较难得到准确的结果，动态效应有时会引 起虞假的结果，例如虚假的起皱和断裂。因此有些学者对动态显式方法仍持怀疑 态度。 1 3 2 国内外应用情况 随着有限元技术的发展，板料液压成形研究的一个新的标志就是有限元方法 的引入，计算机的迅速发展为有限元的应用起到巨大的推动作用。与实验相比， 有限元数值模拟技术能够预演成形过程、预测缺陷，并提供各种变形信息有效减 少实验次数，不仅降低科研成本而且缩短科研周期。 n i e l s e n 【15 1 通过采用有限元方法分析了在液体加压时法兰的起皱问题，液体 压力通过几层橡皮膜把压力传给板料，橡皮起着凸模的作用，板坯强制和凹模接 触。这个过程采用l s d y n a 3 d 软件进行了分析，并预测了法兰起皱现象。 y a n g 【1 6 1 等人采用h i l i 的各向异性屈服理论的刚塑性有限元模拟了周向液压 拉深过程，提出优化的液室压力和周向加压压力，并也预测了壁厚变化的分布以 便判断拉深是否成功。 g e l i n 和d e l a s s u s f i 7 _ 2 1 1 对低碳钢和不锈钢筒形件的充液拉深工艺进行了有限 元分析，数值分析采用了三维显式刚塑性模型，得到了冲头位移和拉深力的关系 曲线、成形件的板厚分布变化。 w i l s o n 【2 2 1 等人利用基于能量方法的上限模型以及平面应变断裂准则，采用数 值分析的方法对半球形件充液拉深成形的起皱问题进行了探讨，得到了防止板材 起皱的最小液室压力曲线。 m r j e n s e n 【：，1 对板料充液拉深进行数值模拟研究，利用差分法求解雷诺方程 来描述流体流动规律，开发了二维板料充液拉深数值模拟程序e x h a i e 2 d ，并与 6 第一苹绪论 实验对比，吻合较好。后来用l s d y n a 3 d 来模拟充液拉深过程，液压载荷通过 预先定义的时间一载荷嗌线对弹性物质体积控制( c o n t r o lv o l u m e ) 来近似模拟液 室压力变化，不足之处就是法兰处没有液压作用。 张士宏和k b n i e l s e n 【2 “2 6 1 在丹麦奥尔堡大学合作，对盒形件、筒形件、锥形 件、抛物形件的充液拉深进行了模拟，就成形中的缺陷与液室压力进行讨论，并 优化毛坯尺寸。 日本丰田( t o y o t a ) 公司从9 0 年代初开始应用d y n a f o r m 做计算机板料成 形模拟分析，现也达到使用水平。台湾瑞利公司也采用d y n a f o r m 进行冲压成形 模拟分析并应用于生产。 吉林工业大学和北京航空航天大学对金属板料冲压成形模拟作了深入的研 究，并开发了具有自主知识版权的板成形模拟软件k m a s 和冲压成形模拟系统 s h e e t f o r m 。 上海交通大学在福特一中国研究与发展基金支持下，几何建模基于u g ，数 值模拟软件基于d y n a f o r m ，进行“数值模拟在汽车覆盖件开发中的应用研究”。 中国第一汽车集团工艺处从1 9 9 5 年开始运用d y n a f o r m 进行板料冲压成形 分析，全面开始了汽车冲压件冲压成形仿真技术的研究和应用，现己积累了一定 的经验并达到使用水平。 1 4 人工神经网络在塑性成形领域中的应用研究 人工智能网络系统的研究起步于5 0 年代末8 0 年代初，但发展比较缓慢，直 到9 0 年代在世界范围内才形成了研究神经网络的热潮。人工神经网络( a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k 简称a n n ) 具有大规模并行结构，信息的分布存储和并行处理 等特点，具有良好的自适应、自组织性：具有较强的学习、记忆、联想和识别功 能。 神经网络理论的应用己经渗透到各个领域，并在智能控制、模式识别、计算 机视觉、自适应滤波和信号处理、非线性优化、自动目标识别、连续语音识别、 声纳信号的处理、知识处理、传感技术与机器人、生物医学工程等方面取得了令 人鼓舞的进展f 2 7 ，2 引。 神经网络技术在金属加工行业也得到了广泛的应用2 9 ，3 0 】。 n o a c “3 1 】把人工智能、神经网络和有限元等技术运用于冷挤压工艺的预成形 厂东工业大学工学硕士学位论文 设计中，建立了冷挤压件及工步设计的智能系统。 o s a k a d a 【3 2 1 等人把神经网络、专家系统和有限元技术相结合，建立了冷挤压 工艺智能设计系统。系统中知识的获取、组织和推理充分利用了神经网络高速并 行处理、有联想记忆功能等特点，使设计速度和处理问题的能力有较大的提高。 t a n 和a l t a n 【3 3 1 等人建立了基于知识的自动锻造设计系统a f d 。系统使用了 规则和框架相结合的结构来表示知识。 h a r t l e y ，d e a n 和r o w e 【3 4 3 5 】等人建立了基于知识的锻模设计和有限元模拟的 集成系统。利用有限元模拟所得到的知识来指导锻模的设计。 a i z a w a 【3 6 1 等人提出了构造工程数据库的思想，以层次结构来存放知识和有 限元模拟结果。 上海交通大学模具技术研究所对人工智能技术在冷挤压工艺、注塑模结构设 计、强力旋压工艺设计和实时质量控制等应用方面进行了大量的研究 1 5 本文的主要研究内容 1 ) 由于目前还没有专门针对液压成形工艺的数值模拟软件，本文将对液压 成形工艺的计算机仿真过程的实现进行科研性探讨，实现对板料液压成形过程的 数值模拟。同时模拟和分析工艺参数对板料液压成形结果的影响和作用。 2 ) 以半球形件和复杂盒形件( 摩托车油箱) 为实例，对这两类零件进行了 液医成形过程的数值模拟，分析了其在液压成形中板料的流动规律以及成形过程 中出现的缺陷。模拟拉深筋的设置。 3 ) 将有限元模拟技术和人工神经网络理论相结合，用神经网络提取、组织 有限元模拟结果，建立神经网络缺陷预测系统。运用该系统获得零件液压成形性 能预报模型。 第二章板材液压成形过程韵理论分桥 i e 目_ _ e e 目_ _ 自e ! e _ _ _ l l e e z = = _ ! 一 第二章板材液压成形过程的理论分析 2 1 引言 板材液压成形既有胀形又有拉深，是由胀形与拉深结合而成的一种成形工 艺，拉深胀形组合工艺能显著改善拉深件的厚度分布【3 7 】，所以说，液压成形是 一种很有发展前途的新工艺。 2 2 板材液压成形的变形特点及分析 液压成形时，法兰部分的应力状态和变形特点和圆筒形拉深件相同，处于径 向拉伸和环向压缩的状态，径向拉伸使坯料拉长变薄，切向压缩使厚度增加，越 靠近法兰外沿，径向拉伸应力越小，而切向应力越大，故法兰外沿的厚度增加较 大。凹模圆角处是一个过渡区。除径向拉深和切向压缩外，板料还受弯曲作用。 在液压载荷的作用下，板料中心部位为纯胀形，受双向受拉的应力状态，径向拉 应力在毛坯内的分布是不均匀的，在其顶端具有最大值，随着与顶端距离的增大， 径向拉应力降低，在超过一定值后变为压应力，在切向拉应力从拉变压的过程中 必有切向应力为零的点，即在毛坯的中间部分必然存在切向应力为零的应力分界 圆，半径为r l ，这一分界圆将毛坯分为两部分，在分界圆内，毛坯处于两向受 拉的应力状态，其成形机理为胀形；在分界圆外毛坯金属处于一向受拉，一向受 压的应力状态，其成形机理与拉深相同。 由于在毛坯的中心部位，成形机理为胀形，所以毛坯变形后，在中心处厚度 变薄，随与中心距离的增大，壁厚减薄量降低，当与中心距离达到某值时，壁厚 开始变厚。这是因为径向拉应力在毛坯内的分布是不均匀的，在其顶端具有最大 值，随着与顶端距离的增大，径向拉应力降低，液压成形开始时，在毛坯中心部 位的拉应力首先达到材料的屈服点，并开始产生胀形，材料壁厚减薄，其变形集 中在中心局部区域。由于变形后的加工硬化，引起变形抗力的增大，所以进一步 变形困难，随着成形过程的进行，变形区扩大，显然，材料的硬化是使变形得以 继续进行，是变形均匀和避兔毛坯过度减薄的必要条件。 通过以上变形的分析可以看到，毛坯变形后，底部厚度变薄随与中心距离 ：一：一：一奎型些些坠兰堡篁耋：一一：一：= 一= = ： 的增大，壁厚减薄量降低。当与中心距离达到某值时，壁厚开始变厚，即存在一 个壁厚变化分界圊。 2 。3 液压成形应力分析 秘万猢多钐乡彩! 一 图2 1液压成形时板材的应力图 f i g2 一l s t r e s sm a po fs h e e ti nh y d r o f o r m i n g 以圆台形零件为例，在成形过程中，板材在液体压力作用下产生拉伸变形， 同时法兰边向型腔内流动，即板材产生的是拉深一胀形复合塑性变形，其受力情 况如图2 1 。根据图2 1 所述力学特点，先进行分界线与外边缘区域之间的力学 分析。这一区域的变形和受力情况与普通拉深相同，其在液体压力作用下引起的 板材侧壁的拉应力沿圆周方向的分布是均匀的，其数值大小应能引起法兰区的塑 性变形。拉应力的数值，除了克服变形区的变形阻力、变形区上下表面与压边圈 表面和凹模表面之间的摩擦阻力外，还必须克服毛坯在凹模圆角表面滑动时的摩 擦力以及毛坯在凹模圆角区内弯曲变形所形成的弯曲阻力。为克服上述各种阻力 所必需的拉应力芦应该为【3 8 】： p丝 p 。去。( + q ) 8 2 + 钆 ( 2 1 ) 式中p 一在对称轴方向上液体作用于板材上的合力； 盯，一使拉深变形区产生塑性变形所必需的径向拉应力，其大小决定于板 材的机械性能与拉深时的变形程度； 1 0 第二章板村液压成形过程的理论分析 盯。一克服由于毛坯与压力圈以及和凹模表面之间的摩擦力所引起的成 形阻力所必须增加的拉应力部分，其值大小为q = 警，q 为压 边力。 盯。一克服毛坯在凹模圆角区范围内产生的弯曲变形阻力而必须增加的 拉应力部分； e 丁一考虑毛坯沿凹模圆角表面滑动时产生的摩擦阻力的系数； “一摩擦系数。 珥舭f 州6 r 固 图2 2 法兰区_ 匝力分析 f i g2 2a n a l y s i so fs t r e s si nt h ef l a n g e 由于p 等。1 + 譬t 1 十1 6 ，代入上式可得 p = ( 盯，+ 盯。) ( 1 + 1 6 ) + 盯， ( 2 2 ) 从拉深变形区内截取夹角为口的扇形部分，如图2 2 。宽度为积的条状扇形体的 平衡条件是 q 月耐+ d p ，r 耐) 一q r 删+ 2 fs i n 詈枷= o ( 2 3 ) 由于所取夹角口很小，所以s i n 薹。詈- 代入2 3 式有 r 拈，+ ( 盯，+ 盯日) 积= o ( 2 4 ) 根据塑性条件有 盯，+ = 肛， ( 其中d 是考虑到中间主应力影响 的系数，可近似地取b = 1 1 ，盯，为屈服应力) 则有 广东工业大学工学硕士学位论文 = = = ! = = = = = = = = ! = ! = ! = = = = = = = = ! = = = = = ! = ! ! = = = = = ! = ：= = = e = = ! ：= = = = = ! ：= 盯，+ = 1 1 t 将上式代入( 2 4 ) ，有 峨叫，吒警 积分可得 l f c r ，塑 j 。月 l 盯1 n r + c ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 当月= r 时( r 为法兰外边缘处半径) ，在毛坯变形区外边缘的自由表面上径向拉 应力的数值为零，即在胄= r 时，盯，= o ，代入上式可得 c = 1 1 仃，l n r 将c 值代入( 2 8 ) ，即可得到拉深变形区内各点上径向拉应力的计算式 畔1 n 簧 ( 2 - 9 ) 再根据( 2 5 ) 式与( 2 9 ) 式，可求得拉深变形区内各点上切向应力 咿1 1 叫1 1 n 簧) ( 21 0 ) 根据式( 2 9 ) 与( 2 1 0 ) 计算所得的变形区内径向应力与切向应力的分布，其 分布图如图2 1 ，从图中可以看出法兰处的径向拉应力在边缘处为零，然后随着 半径的减小其值逐渐增大。因此在变形时，随着变形的深入。法兰半径减小，所 需的拉深力增大。切向拉应力的变化与径向拉应力相反，在外边缘处其值最大， 随着半径的减小而逐渐减小。 分界线以内板材的受力情况和变形特点较为复杂。在板材的中心处，板材的 受力状况为双向受拉，即径向和纬向都受拉应力作用，其成形机理为胀形。根据 液压胀形的特点，可得出分界圆以内的板材的应力为【3 9 】： 口硝 盯，2 2 f 其中p 一一为液体的瞬时压强 一一为板材的瞬时曲率 ，一一为板材的瞬时厚度 ( 2 “) 1 l 一 一 = 一一 r r 盯 旷 第二章板材液压成形过程的理论分析 2 4 成形所需液压计算 2 4 1 拉深变形所需液体压力计算 疡= 詈p ( 2 1 2 ) 式中p 。一一所需液体压力，m p a ； d 一一零件直径，m m ； t 一一板料厚度，m m ： p 一一凸缘区材料产生拉深变形所需的径向拉应力，m p a ： p = ( 仃l + 盯摩) ( 1 + 1 6 ) + 盯弯 式中盯，一一凸缘变形区径向拉应力，m p a ； 盯摩一一压边摩擦力在筒壁引起的拉应力，m p a ； 仃峦一一材料流经凹模圆角时所产生的弯曲阻力，m p a ； 一一摩擦系数。 2 4 2 液压成形胀破所需液体压力计算 考虑到材料的冷作硬化的影响，可用材料的强度极限0 6 代替o 。，于是又 可得到液压胀形破裂时单位压力的公式： p = 繁盯6 式中t 一一板料厚度，m m ； r 一一零件底部与直壁相接圆角半径，m m ； 盯6 一一板料抗拉强度，m p a 。 广东工业大学工学硕士学位论文 = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ! ! = = = = = = = = = = ：= ：= ： 第三章板材成形数值模拟理论 3 1 板料成形力学特点 板料成形过程是一个同时包含几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的 极其复杂的高度非线性问题，具有以下的特点4 0 】： ( 1 ) 板料变形过程具有大变形、大位移、大转动的特点，必须采用有限变形 理论才能真实地描述其变形特点； ( 2 ) 弹性变形和回弹必须加以考虑，一般不采用刚塑性材料模型，而采用弹 塑性材料模型； ( 3 ) 由于材料本构关系与屈服条件有关，必须选择能够描述板料各向异性特 点的屈服准则； ( 4 ) 板料成形时通常必须考虑弯曲效应，不采用薄膜单元，而采用合适的壳单 元。 3 2 弹塑性有限变形理论基础 在板料变形过程中，由于产生大位移和大转动，小变形弹塑性分析中的应力、 应变的度量方法已经不再适用，必须重新定义有限变形中的应力和应交【4 ”。首 先讨论变形时物体的运动描述。 3 2 1 变形过程的物体运动描述 在连续介质力学中，对物体质点的运动，可以有两种描述方法：拉格朗日描 述和欧拉描述。拉格朗日描述将空间坐标看作是时间的函数，能够反映物体中每 个质点的整个运动历史，适用于固体力学问题的描述；而欧拉描述则将空间坐标 和时间作为彼此独立的变量来处理，一般用于流体力学问题的描述。对于板材成 形问题的运动学研究，采用拉格朗日描述。 为了描述物体中任一质点的位置随时间的变化情况，选择两个固定重合的坐 标系，一个是表示初始参考形态v 的坐标系，另一个是表示变形形态，的坐标 系。取初始时刻的质点坐标为x i ( i = l ，2 ，3 ) 。在任意t 时刻，该质点坐标为 x i ( i = 1 ，2 ，3 ) 。这个质点的运动方程是： 1 4 一。： 誓三茎堡丝鏖鬈墼堡堡篓耋鎏 x f - x f ( 巧，f ) i - l ，2 ，3 ( 3 1 ) 在仁0 时，初始条件为 x f ( x j ，o ) = x i( 3 2 ) 碍( j ，o ) = 巧( ，o ) 式中k 为初始速度。 3 2 2 有限变形的应变张量 有限变形中的应变张量根据其定义的参考坐标系不同有两种不同的表示方 法，即：格林( g r e e n ) 应变张量和阿尔曼斯( a l m a n s i ) 应变张量。 格林应变张量由格林( g r e e n ) 和圣维南( s t v e n a n t ) 引入，定义于初始态参考坐 标系，其表达式为 铲圭c 占筇等筹吲 n ， 式中 一一格林应变张量 x 撕= l ，2 ，3 ) 一初始形态中质点的坐标 。f ( i _ l ，2 ，3 ) 一变形形态中质点的坐标 g 一初始形态中坐标系的度量张量 g 一变形形态中坐标系的度量张量 阿尔曼斯应变张量舒由柯西( c a u c h y ) 在无限小应变中及阿尔曼斯( a l m a n s i ) 和哈默尔( h a m e l ) 在有限应变中引入的，定义于变形态坐标系，其表达式为 旷知一等等， 。， 格林应变张量和阿尔曼斯应变张量间的对应关系为 e l d x d x j = e i i 出l 出j0 s 、 格林应变张量和阿尔曼斯应变张量可以互换，而且，格林应变张量和阿尔曼 斯应变张量是不随刚体转动而变化的客观张量。 3 2 3 有限变形中的应力张量 应变张量是与物体的变形形态密切相关的物理量。在有限变形的情况下，由 于初始参考形态与变形形态差别比较大，定义于不同的状态下可以获得不同的应 力张量及相互间的对应关系。有限变形理论中应力张量主要有三种描述，即：柯 西( c a u c h y ) 应力，拉格朗曰( l a g r a n g e ) 应力( 也称第一克希荷夫应力) ，克希荷夫 ( k i r c h h o f d 应力( 也称第二克希荷夫应力) 。 设d t ，d a ，n ，和d t ，d a ，n 分别为从初始参考形态v 和变形形态v 中所取微元 体上所受的微力矢量、微小面面积及法矢量。 在变形形态中由静力平衡条件 旅严以，砌 ( 3 6 ) 定义的应力张量为柯西( c a u c h y ) 应力张量，表征现时构形中质点的应力 状态，具有明确的物理意义，代表真实应力。 在有限变形分析中，为了计算上的方便，可以引入与柯西( c a u c h y ) 应力张量 相对应的初始参考形态中定义的应力张量。根据对应规则的不同，定义了两种相 应的应力张量。 按照拉格朗日( l a g r a n g e ) 对应规则 奶= m f ( 3 7 ) 则有 奶= 巧叱枷= 以 ( 3 8 ) 式中为拉格朗日应力张量( 或称为第一类克希荷夫应力张量) 。拉格郎日应 力张量一般不是对称的，应用起来不方便，因此引入对称的克希蘅夫应力张量。 按照克希荷夫( k i r c h h o 卿对应规则 奶= 豢西 ( 3 9 ) 缸； j 、 。 则有 识嘞，谢= 豢出 ( 3 1 0 ) 式中的称为克希荷夫应力张量( 或称为第二类克希荷夫应力张量) 。 上述三种应力张量之问可以互相转换，它们的转换的关系是 巧= 譬筹仃杉 铲詈嚣等盯筇 1 6 笫= 苹板材成形数值模拟理论 式中 肋，p 分别表示在参考构形和现时构形中的材料密度。 柯西( c a u c h y ) 应力是真实的精确应力，它考虑了物体的变形，并和阿尔曼斯 ( a l m a n s i ) 应变构成了真实应变能，这种关系称为能量共扼关系。拉格朗日 ( l a g r a n g e ) 应力和克希荷夫( k i r c h h o f d 应力都无实际物理意义，但克