液压胀形模拟

1、液压胀形模拟保冷杯液压胀形摘 要本文从日常用品入手， 探究了不锈钢保冷杯 的主要成形工艺， 即液压胀形工艺， 简单介绍了 液 压 胀 形 的 原 理 以 及 设 备 ， 并 运 用 ansys workbench 对液压胀形工艺进行了有限元模拟。 通过分析有限元模拟的结果， 总结了液压胀形工 艺的特点， 并分析了液压胀形工艺的不足。 通过 对液压胀形产品的观察， 有限元模拟， 以及相关 论文查阅， 我对液压胀形有了较为直观， 具体的 认识。Abstract hydroforming process, introduction the principles of hydroforming and

2、 equipment, and the use the Ansys workbench to analyze the hydroforming process . Through the analysis of finite element simulation results, I summarized the characteristics of hydroforming process, and analyzed the shortcomings of hydroforming process. Through the observation of hydroforming produc

3、ts, finite element simulation, as well as access to relevant papers, I have a more intuitive hydraulic bulging concrete understanding.Inthispaper, I start from dailynecessities,explores the major formingprocess of stainlesssteel cup, the第一章 探究背景保冷杯是专门用来保持 冷水温度的杯子，区别于保 温杯的最大特点是杯口较 小，便于直接饮用。其保温 原理和保温杯

4、相同，是利用 内层与外层之间形成的真空阻止热交换，保温杯组织热水的热能向外扩散， 而保冷杯阻止外部热能向内层冷水扩散。该保冷杯的外壳分为两部分， 主体部分和底 部，两部分通过焊接连接， 可以在外壳与底过渡 部分看到明显的焊接痕迹。 底部成型工艺应该是 冲压成型，因为底部没有接口痕迹， 是一个整体， 冲压能直接形成这样的整体。对于外壳主体部分，经过仔细观察，发现 外壳均匀，光滑，没有接缝，是一个整体， 并且， 这个整体不是简单的圆筒状， 是下粗上细， 上部 还有缩颈结构。首先能判断的是该部分不能用冲 压成型的方式制造，原因之一是主体部分很长， 深冲很难做到均匀缺陷少。 其二是主体部分形状 上小下

5、大，下部没有底，形状不利于深冲。有一 种可能是铸造成型， 但是保冷杯外壳比较薄， 比 较轻便， 铸造难度很大， 并且铸件很少直接应用 与产品，所以虽然铸造工艺可能做出这样的壳 体，但保冷杯外壳用铸造工艺的可能性很小。 最 有可能是以无缝的钢管为原料， 以液压胀形的方 式成型。第二章 液压胀形工艺2.1 液压胀形 通过模具采用液体作为传力介质使管状坯 料由内向外扩张。其最大特点是胀形力传递均 匀，能使材料在最有利的情况下成形； 成形精度 高，适用于复杂形状的成形， 对于长筒型的水杯 成型尤为适合。工艺简单，成本低廉，成型后表 面光滑，极少出现变形不均匀的现相。管材液压胀形的基本原理是轴向力和内压

6、 力同时作用下的管坯成形过程 , 也有直接利用内 压力成形。该成型工艺最大的难点应该是如何控 制轴向力和内压力的大小， 尤其是轴向力， 液压 成型的过程是管壁中部径向扩张， 而轴向需要从 一边或两边向中间补料。 液压成形过程中如果轴 向力和内压力匹配不合理 , 将会导致在成形过程 中出现屈曲和起皱、破裂等失效现象，其中 , 起 皱是由于内压力过低而轴向进给过大造成的 , 分 为轻微起皱和死皱两种情况 , 有人把管材胀形中 出现的随压力升高变形继续而最终可以消除的 起皱形式称作有益皱 , 与之相对应的就是死皱 ; 成形初期产生的轻微褶皱可以起到预先储存坯料的作用 , 在成形后期随着压力的升高和变

7、形的 继续而消失 , 这对顺利成形有益 , 而死皱在整个 成形过程中无法消除 , 应尽量避免其出现。破裂 主要是由于轴向进给相对较小而内压力上升过 快, 或是局部变形量过大超过了金属的成形极限 即使有足够的补料量也很难保证成形而不破裂。2.2 管材液压胀形设备 管材液压胀形设备包括液压机、模具系统、 液压系统及超高压发生装置、 数据采集和计算机 控制系统 , 各系统的主要功能是 : 模具系统是胀 形过程的工作平台 ; 液压机为模具系统的安装提 供空间并在液压胀形过程中提供所需的合模力 ; 超高压发生装置是液压胀形系统的关键 , 由增压 器产生胀形过程中所需的内压 , 输出的超高压由 高压管路、

8、轴向冲头的内孔导入管坯内腔中 , 并 由超高压传感器检测工作内压 , 反馈给计算机控 制系统进行闭环控制 .2.3 有限元模拟与液压胀形工艺 由于液压胀系工艺的内压与轴向载荷的确 定用实验方法费时费力， 所以该工艺的设计一般 需要运用有限元模拟进行预设计。 有限元软件与 液压胀形工艺的结合是现在的一个研究热点， 液 压胀形工艺不仅仅是用在像保冷杯这样的小型 产品上，还在汽车复杂零件制造方面非常有用。 不同的产品需要不同的加载路径， 越复杂的产品 需要越复杂的模拟。运用较多的有2.4 限元模拟软件：Dynaform: 用 于 模 拟 钣 金 成 形 工 艺 。 Dynaform 软件包含 BSE

9、、DFE、 Formability 三 个大模块，几乎涵盖冲压模模面设计的所有要 素，包括：定最佳冲压方向、坯料的设计、工艺 补充面的设计、拉延筋的设计、凸凹模圆角设计、 冲压速度的设置、压边力的设计、摩擦系数、切 边线的求解、压力机吨位等。Ansys: ANSYS软件是融结构、流体、电场、 磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软 件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的 美国 ANSYS开发，它能与多数 CAD软件接口， 实 现数据的共享和交换， 如 Creo, NASTRANA, logor, I DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中高级 CAE工具之一。由于 ansys

10、 workbench 界面较为 友好，不需要编程，模块划分清楚，智能化程度 高，因而本文做的有限元模拟就是用 ansys workbench 完成的。MARC:功能齐全的高级非线性有限元软件， 具有极强的结构分析能力。 可以处理各种线性和 非线性结构分析包括：线性 / 非线性静力分析、 模态分析、简谐响应分析、频谱分析、随机振动 分析、动力响应分析、自动的静 / 动力接触、屈 曲/ 失稳、失效和破坏分析等。为满足工业界和 学术界的各种需求， 提供了层次丰富、适应性强、 能够在多种硬件平台上运行的系列产品 .第三章 保冷杯外壳水胀成形有限元仿真实验3.1 绘制 cad 模型：用 cad2011

11、绘制先绘制模具与管材的 2d 轮廓， 然后通过旋转操作使外模成形， 再通过按住并拖 动将管材成形。 为了便于观察， 将成形后的模具 剖切后如下图：3.2 ansys workbench 模拟的准备工作3.2.1 将建立好的 3d 模型以 sat 格式输出，打开 ansys14.0 workbench ， 新 建 static structural 模 块 ， 从 材 料 库 中 导 入 材 料 ： structural steel （结构钢） 和 Aluminum Alloy （ 铝 合 金 ）。 将 sat 格 式 的 几 何 模 型 导 入 geometry （几何模型）模块。3.2.2

12、刷新 model 模块，并编辑。首先设置几何 体材料属性：模具设置为 structural steel ， 为使仿真计算量减小，属性设置为 rigid （刚体）， 若要便于设置约束，则要设置为 flexible（ 可变 形） 。管材材料为 Aluminum Alloy ，属性为 flexible 。3.2.3 定义接触， ansys 会在物体接触部分自动 定义接触，管材与模具接触的地方接触已经被定 义，但需要修改接触属性，将 bonded（连接） 改为 no separation（ 不分离的 ） ，因为 bonded 接触会组织管材变形，而 no sepration 接触允 许接触不脱离的情况

13、下产生滑动。 No sepration 和 bonded 接触属性是最简单的， 计算量最小的， 使用 no separation 。管材在变形时会和模具中 间凹进部分接触，这些部分需要自己定义接触， 方法是添加接触对， 以管材外表面为 contact（接 触面），模具凹进面为 target（ 目标面 ），一般以 刚 体 表 面 作 为 target ， 接 触 属 性 为 no sparation ，本模型共自行设置了 4 个接触对。3.2.4 网格划分： ansys 能提供自动网格划分， 对于一般的问题分析都可以直接自动划分， 直接 点击 mesh, generate mesh 即可 。3.

14、2.5 加载， ansys workbench 提供了非常齐全 的约束与加载 , 对于该几何模型， 加载非常简单， 首先定义内压，方法是 insert pressure , 选 择加载面为管材内壁， 其他参数为默认， 加载力 大小可以任意定义， 因为几何模型和材料都是任 意选择的，所以第一次加载任选了加载压力为 200Mpa。加载轴向压力的方法与加载内压相似， 步骤是： insert force ，选择加载面，选择加 载方向，定义加载大小。由于模型只有一半，所 以在管材剖切面上施加位移约束， 防止管材从剖 切面挤出模具以外。3.3.6 求 解 ， 添 加 需 要 求 解 的 问 题 ， 例 如

15、 insert stress equivalentstress(vonmises) 。第四章 实验结果与分析1. 轴向不施加载荷， 依靠金属流动自然补料， 只 改变内压（为使结果更直观，隐藏了模具） ：1.1.200Mpa 内压：有少量塑性变形，小部分管材外壁开始接触模1.2.300Mpa 内压：弧面开始形成1.3.400Mpa 内压形状还不够饱满1.4.500Mpa 内压形状完好，但在瓶颈的弧面上开始出现褶皱1.5.600Mpa 内压内压略大，不同弧面接触的地方出现明显皱褶1.6.700Mpa 内压内压太大，模具损坏(为方便对模具进行约束， 模具材料属性为 flexible ) 从以上的求解

16、结果看， 该模型成型的最佳内压力 在 400Mpa 500Mpa之间，在不需要轴向压力的 情况下， 如果摩擦系数较低， 管材变形过程中会 从两端向中间缩进以补偿变形。2. 选定内压力 400Mpa,在管材轴向施加对称载 荷：根据不断尝试的结果， 要使管材变形明显区别于 不施加轴向载荷的最小内压力为 100KN，所以轴 向载荷以 100KN的间隔施加。对照： 400Mpa 内压，无轴向力2.1.100KN ：加轴向力后变形比不加轴向力稍大， 证明加轴向 力后对塑性变形有利2.2.200KN变形与加 100KN时区别不大但从变形处颜色看， 变形处承受的压力在变大。2.3. 300KN变形处承受的压

17、力继续增大， 变形与 100KN时区别也不够明显2.4. 400KN2.5. 500KN形状开始变差， 原本是圆弧的地方， 弧度明显减 小，形状已经不符合要求。2.6. 600KN成形失败，轴向力过大，出现皱褶。 通过以上模拟过程， 证明轴向压力的作用不 及内压力明显，内压力的作用应该是辅助内压 力，一定程度上可以达到在较小内压力下， 促进 金属流动， 完成塑性变形， 还可以在一定程度上 消除摩擦影响， 让金属变形顺利进行。 但过大的 轴向力容易在变形过程中失稳， 产生皱褶， 影响 成形效果，轴向力必须控制在一个安全范围内。 第五章 结论 在无轴向力的模拟条件下， 可以看出， 内压较 低时，管

18、材变形不充分，不能很好贴合模具内壁， 随内压力的增加， 管材成形形状越来越好， 既管 材能充分贴合模壁。 但超过合适范围后， 成形质 量会下降甚至损坏模具， 所以控制内压在合适的 范围非常关键。无轴向力情况下的变形可以满足 保冷杯外壳的成形， 在管材成型过程中， 管材两 端会随中间金属的变形而向中间缩进， 以补偿中 间金属的变形， 这种情况应该是由于模拟过程中 设置的接触对没有体现摩擦力。 实际生产过程中 如果润滑条件很好， 理论上可以满足水杯外壳成 形要求。由固定内压变轴向力的模拟结果可以看出， 轴向压力一定时， 增加轴向力有利于管材的塑性 流动，可以猜测，想要达到一定的变形，增加轴 向压力， 可以减小内压的大小。 但是轴向力的大 小对确定的模型有一