管件液压成形过程的有限元分析及实验研究

1、年第卷第期（总第期）中北大学学报（自然科学版）（）（）文章编号：（）管件液压成形过程的有限元分析及实验研究高振莉，张晶贤（北京建筑工程学院机电与汽车工程学院，北京）摘要：以圆管变形为管球相间零件为研究对象，对液压成形这种新工艺进行研究采用计算机数值模拟与试验相结合的方法，分析了圆管液压成形过程管件液压成形主要有褶皱和破裂两种失效形式，而成形控制中最主要的参数之一是压力，即管件内部压力和轴向压力在对不同加载路径进行分析后，得出模拟结果与相同条件下的实验结果比较吻合的结论研究表明了液压成形工艺中加载路径（内压力与轴向压力的配比关系）的重要性，同时也证实了用计算机模拟仿真液压成形过程具有一定的可靠性

2、关键词：液压成形；有限元法；模拟；加载路径；中图分类号：文献标识码：，（，）：，（，）：；引目液压成形（）技术是利用液体压力使工件产生塑性变形的一种新型制造工艺方法，它主要用于制造空心零件，属于少无切削、精确（半精确）、节能环保的成形加工技术由于此技术的特殊方式，因此生产的零件材质均匀，具有较高的强度、刚度，可承受弯曲、扭转等复杂应力，且重量轻、节约材料，对工件能起到“以空代实”的作用，因而受到了航空、航天、军事及汽车制造业的青睐¨，近年来在国内外受到收稿日期：基金项目：北京市教委科技发展资助项目（）作者简介：高振莉（一），女，副教授主要从事机械制造、材料成形方面的研究（总第期）管件

3、液压成形过程的有限元分析及实验研究（高振莉等）广泛重视目前，日本、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、建筑等领域在我国虽然液压成形技术研究的步伐日益加快，但至今应用的范围还非常有限，为了能够更好地控制液压成形零件的质量，研究和预测胀形中可能出现的缺陷，通过计算机模拟仿真的方式来再现成形过程是十分必要的有效手段液压成形原理管件液压成形的原理是将欲加工的管坯置于模具中，在管坯内加入高压油，由于管内壁受均匀压力的作用因而产生了塑性变形为了保持管内高压的状态，在实际成形的工艺过程中管的两端还需加轴向密封推进力，其原理如图所示要使管件在成形过程中不出现折皱

4、和破裂等缺陷，轴向密封力与内压力之间需要得到恰当的控制巧图圆辔液压成形原理图圆管液压成形过程的有限元模拟本文所选零件为柱形管坯通过液压成形的方法变形为中间球形、两端柱形的零件有限元软件选为要想得到切合实际的模拟结果，必须把握有限元分析中的几个关键问题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为薄壁圆管，考虑到显式动力分析以及管壁材料弯曲的需要，选用单元划分网格；为正确模拟管件屈曲，采

5、用算法；模具采用单元，但采用刚体模型来考虑网格的划分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，但网格划分的越密，模拟计算量越大，模拟的时间将越长方案中管坯初始长度、内径、厚度分别取，由于管材、模具几何形状、载荷及边界条件都是轴对称的，为了节约时间，减少空间，模型仅选用圆柱的来计算，共个单元，计算时间约为模具工件模型及单元划分如图所示材料参数及几何尺寸管坯为冷拔无缝钢管，根据材料的特性及变形特点选定参图模具工件模型及单元划分数，如表所示表材料性能及几何参数屈服强度抗拉强度硬化强度应变硬化指数管坯长度管坯内径管坯壁厚材料牌号密度弹性模量泊松比中北大学学报（自然科学版）年第期计算机

6、模拟及实验分析在液压成形过程中，管件主要受到两种载荷：管内部的液体压力和管两端的轴向载荷这两个载荷随时间变化的分布关系是工件能否按要求成形而不出现失效的关键所在经过多次的计算机模拟和实验的反复验证，总结出了以下种加载路径，它们分别对应了种情况：第一种情况：如图所示，图（）表示管内部的液体压力与管两端的轴向压力随时间变化的分布曲线，在这种加载模式下，可得到如图（）所示的实验成形图；用计算机模拟的方法来解释这种现象，从图（）中可知，当管件的轴向压力始终保持在时，管件未达到要求的形状就产生破裂，其原因是此时管内金属在最大变形处的应力约为，远远超出了材料的强度极限，而导致管件破裂是什么使管件处在这样的

7、应力状态？这主要是由于轴向压力的不足引起的在实验中当管件的轴向压力保持在时，只能起到对管件两端的密封作用，并不能促使管端金属向中部移动从而起到补充材料的作用，此时管件的变形等于是在局部受到很大的力，因而产生失效重，：（）（）破裂管件图破裂管件分析（）管件等效应力图第二种情况：如图所示，图（）表示管内部的液体压力与管两端的轴向压力随时间变化的分布曲线，在这种加载模式下，可得到如图（）所示的实验图，对比计算机模拟结果图（）有：当管件的轴向压力随着内压力由上升到时，管件出现了图（）所示的两端突起、中间下凹的形状，此时再继续加大内压力则管件破裂，最终管件未能达到模具所要求的形状，其原因对照图（）可以看

8、出：管内变形区金属等效应力的最大值已达到为，接近硬化材料的强度极限值，此时再想靠调节内压来达到理想的变形是不可能的这种情况通常称为起皱，是继破裂后的又一种失效形式造成管件起皱的主要原因是轴向压力过大引起的尤其是在变形的初期，管内压力还未达到较大时，管端过多的金属在轴向力的作用下向中部滑移，造成了金属的堆积，给中部变形增加了阻力，因而出现了中部变形小，两侧变形大的结果星轧一：，口，：，占（）（）加载路径（）起皱管件（）管件等效应力图图起皱管件分析第三种情况：如图所示，图（）表示管内部的液体压力与管两端的轴向压力随时间变化的分布曲线，在这种加载模式下，可得到如图（）所示的实验图，对比计算机模拟结果

9、图（）有：当管件的轴向压力随着（总第期）管件液压成形过程的有限元分析及实验研究（高振莉等）内压力由上升到时，管件可得到模具所要求的形状尤其是在管的内压接近时，需要将轴向压力逐步增大到，再进行一段时间的保压，即可得到合格的工件此时的应力分布（图（）表明：管件变形区内的最大等效应力值为，远小于材料硬化强度值比较两侧的等值线图发现，此时管件应力分布较均匀，对称性好，从管端到中间的应力等值线依次均为，且形状分布相似，是较理想的成形工件罢氙：矗，十，占（）（）加载路径（）合格管件（）管件等效应力图图合格管件分析结论）管件的内压力与轴向压力的合理匹配关系是液压成形成功与否的关键所在，通过上述的计算、实验和

10、分析，基本上掌握了类似管件成形的规律，为刚性联接的万向球接轴空心零件生产提供了一种新的工艺方法和具体实现途径）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但由于模拟的近似性、有限元方法和边界条件的复杂性，目前的模拟计算结果还尚显不足，不能为生产提供完全可靠的精确数据，因此实验研究还是十分必要的，只有有效地将两者结合起来，互相对比，反复论证方能达到预期的目的参考文献：，：，（）：，：杨兵，宋忠财，张卫刚，等管件液压成形的影响因素上海交通大学学报，（）：，（）：（）程东明，苑世剑，安学良内压对型三通管内高压成形影响研究塑性工程学报，（）：，（）：（）苏岚，王先进，唐狄，等型

11、管液压成形过程的有限元分析北京科技大学学报，（）：，：，（）：（），（），：管件液压成形过程的有限元分析及实验研究作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：高振莉， 张晶贤， GAO Zhen-li， ZHANG Jing-xian北京建筑工程学院机电与汽车工程学院,北京,100044中北大学学报JOURNAL OF NORTH UNIVERSITY OF CHINA2008，29(4)0次参考文献(7条)1.Lee Munyong.Sohn Sungman.Kang Changyoung Study on the hydroforming process for automob

12、ile radiatorsupport members 20022.Kim J.Kang B S.Hwang S M Numerical prediction of bursting failure in tube hydroforming by the FEMconsidering plastic anisotropy 2004(153-154)3.Mac B J D.Hashmi M S J Analysis of die behaviour during bulge forming operations using the finiteelement method 20027.Koc M

13、.Ahan T Application of two dimensional (2D) FEA for the tube hydroforming process 2002相似文献(8条)介绍了管件液压成形数值模拟技术的研究进展,并结合实例对轴对称零件和非对称零件的管件液压成形的模拟结果进行了分析,揭示了数值模拟不仅能准确地反映管件液压成形过程,预测成形缺陷和给出壁厚分布,而且可以方便地调整内压与轴向位移的匹配关系,以获得最佳的加载路径,最后指出了管件液压成形数值模拟技术的发展方向.2.学位论文 王会凤 多通管液压胀形成形研究及过程控制 2004管材塑性加工是用管材作毛坯,通过塑性加工手段,制

14、造管材零件的一种先进的加工技术.由于容易满足塑性成形产品轻量化、强韧化和低耗高效、精确制造等方面的要求,管材塑性加工已成为先进塑性加工技术面向21世纪研究与发展的一个重要方向.管材胀形研究作为管材塑性加工的一个重要方面,已经成为该领域的研究热点之一.文中详细介绍了多通管液压胀形的机理及力学分析,并在此基础上建立了液压胀形有限元数值模拟模型,结合不同的工况,对轴向压缩胀形和复合胀形两种方法过程进行了模拟,分析研究了胀形方法及工艺参数对应力、应变、变形量、壁厚减薄的影响,为多通管液压胀形工艺参数优化和过程控制提供可靠的理论依据.该文的主要研究内容和成果如下:1.在深入分析多通管液压胀形原理、成形过

15、程及工艺特点的基础上,推导计算出多通管液压胀形中成形力的估算值,为建立有限元数值模拟模型提供了可靠的依据;2.在深入研究弹塑性有限元数值模拟技术的基础上,合理确定摩擦条件、接触条件、时间步长、收敛准则等相关参数,建立了多通管液压胀形的三维弹塑性有限元模型;3.运用多通管液压胀形的三维弹塑性有限元模型,对多通管轴向压缩胀形、复合胀形过程进行了数值模拟,并分析了摩擦系数、过渡圆角半径、加载路径等参数对胀形过程应力应变分布、最大变形量、壁厚减薄的影响.具体结论为:1)多通管液压胀形时,采用复合胀形方法无论从最大变形量,还是应力应变分布上考虑,都优于轴向压缩胀形方法;2)摩擦应在保障最大支管高度的情况

16、下减至最小,过渡圆角半径应在要求的范围内增至最大,内压与轴压的比值控制在1:3时得到的模拟结果最优;3)复合胀形中采用逐渐加载优于直接加上所有载荷,在胀形到一定程度时再逐步加上反压,所得结果优于与轴压、内压同时加载,并模拟得到最佳加载路径.建立T型管液压成形的有限元分析模型,对成形支管高度和管壁厚度的分布进行了模拟,与试验结果的比较证实了该模型的有效性.提出了综合反映T型管件液压成形性能的评价指数,对在不同的材料各向异性系数r值、应变强化指数n值以及不同加载路径、摩擦系数等工艺参数下的T型管件液压成形分别进行计算分析,讨论了这些因素对成形性能的影响.研究结果为有限元方法在管件液压成形中的应用奠

17、定了一定基础.摩擦对管材液压成形有极大的影响,管材摩擦因数的确定是一项极其重要的工作.在分析比较现有测试方法的基础上,基于径压胀形原理及其变形规律提出确定管材液压成形胀形区摩擦因数的新模型.该模型以恒定内压力下圆形管材径压胀形成方形断面后,以断面对角线长度差作为确定摩擦因数的测量指标.对比对角线长度差的有限元数值模拟结果及实测结果,以此确定管材液压成形时胀形区的摩擦因数.对低碳钢及不锈钢管的有限元数值模拟分析表明:对角线长度差与摩擦因数及内压力均成指数关系,该长度差对摩擦力很敏感且可方便测量,也可作为针对管材液压成形胀形区润滑剂特性的评定指标.所提出的新模型具有简单、实用等优点.5.学位论文 滕步刚 壳体内约束无模液压成形的数值模拟与实验研究 2002无模胀球是一种内外皆无附加约束的自由胀形,在扩大应用范围过程中,出现了一些有待解决的问题.壳体内约束无模液压成形是继无模胀球法后提出的一种新型液压成形方法,是以往环形容器液压成形的一种合理发展.该文介绍了国内外壳体无模液压成形工艺的应用概况及研究进展,还论述了有限元法在板材成形中的应用概况,指出了壳体内约束液压成形技术的重要意义和应用前景.应用动态显式有限元法,建立了T型管液压成形分析模型