基于有限元分析的36号低碳钢半球形板件成形壁厚分析

基于有限元分析的36号低碳钢半球形板件成形壁厚分析

0半球形板件充液拉深成形固结构近年来，随着汽车工业的快速发展，《中华人民共和国标准》的颁布对排放的要求越来越高。人们越来越重视减少结构重量，实现节约材料，减少车身重量，实现排放标准。这给板材液压成形技术的发展带来了机会本文选取材料牌号为DQSK(36）作为研究对象，分析半球形板件充液拉深成形过程中壁厚的变化情况。根据半球形板件和模具几何特征建立有限元模型，通过有限元仿真软件模拟不同摩擦系数和液室压力加载路径，分析不同工况下半球形板件成形区域壁厚的变化规律。1材料参数获取选取厚度为1mm的圆形板材，板材的材料牌号选取36号低碳钢，通过查阅材料手册，获取该材料的参数如表1所示。板材的原始尺寸如图1a）所示，半径R=140mm，成形之后板材的尺寸如图1b）所示，液压作用区域半径R=89mm，成形深度H=60mm。2dynafmc软件的模拟有限元软件建模过程较为复杂，对于处理复杂形状的模型效果较差，需首先在三维软件中建立半球形件的数学模型。如图2所示，然后将数学模型导入有限元软件中，图3是利用DYNAFORM软件所建立的半球形板件充液拉深成形有限元分析模型，包括板料、凸模、压边圈和凹模四部分，板件位于压边圈和凹模中间，凹模下方为高压液体，合模过程中压边圈向Z轴负方向移动，压边圈和凹模提供固定压边间隙为1.1mm，拉深过程中板料同时受凸模、液室压力、压边力和摩擦力的共同作用，成形为半球状结构。3不同摩擦系数和液室压力加载路径对壁厚的影响借助有限元软件DYNAFORM来研究半球形板件成形过程中壁厚分布规律，主要研究不同摩擦系数和液室压力加载路径这两种参数在半球形板件成形过程中对壁厚的影响。选取半球形板件的中心横截面为研究对象，在所选对象上取11个等距测量点，半球形板件截面和截面壁厚测量点如图4和图5所示。3.1不同摩擦系数作用下的成形结果板件与压边圈和凹模接触面的摩擦力对板件的材料流动性存在一定程度上的影响，为研究摩擦力对半球形板件厚度的影响情况，本次试验采用不同摩擦系数对半球形板件成形过程中壁厚变化规律的影响，选取摩擦系数为变量，其他参数不变。将摩擦系数μ的值分别设定为0.1、0.3和0.6，压边力设置为200KN，液室压力设置为10MPa，采用线性加载方式，作用时间为0.02s。研究摩擦系数分别为μ取0.10、0.30、0.60等工艺下，板件成形区域厚度的分布规律。不同摩擦系数作用下的成形结果如图6所示。从这几副位移云图可以看出，摩擦系数对板件成形结果的影响较大，当摩擦系数μ为0.10时，成形结果较差，最小壁厚为0.943mm，最大的减薄率为5.699%；摩擦系数μ对半球形板件底端的厚度作用较大，随着摩擦系数的增大，最小壁厚存在过度减薄现象，而最大减薄率在逐步增大。由此可以得出，在其他条件不变的情况下，摩擦系数的值越小，成形过程中的壁厚减薄程度也就越低。为了研究摩擦系数对成形区域中各个壁厚分布的情况，给出了不同摩擦系数对横截面中壁厚的影响规律，如图7所示，从图中可以看到，壁厚分布曲线对称分布，在不同摩擦系数下均是在底端周边区域减薄最为明显，且摩擦系数越大，底部减薄则越为明显。结果表明，摩擦系数对截面处厚度分布的情况起着较大的影响。这是因为成形过程中在压边力作用下接触面的摩擦力越小，板材在成形过程中的材料流动性越高，成形区域中的进料量增大，降低了板材壁厚的减薄率。3.2不同加载路径对减薄率的影响液室压力所采用的加载方式、路径不同，其成形结果也会有所不同。为研究半球形板件在不同加载路径作用下的成形壁厚变化规律，分别选取三种不同的液室压力加载路径，具体的加载路径如图8所示。在不改变其他参数的前提下，液室压力设置为10MPa，板料与模具的摩擦系数设置为0.125，采用线性加载方式，作用时间为0.02s。各工艺下的成形结果如图9所示，从图中可看出，不同的加载路径对成形结果有明显影响，在加载路径1的作用下板件减薄率最高，达到8.3%；在加载路径3的作用下板件减薄率最低，仅为5.4%。结果表明，成形初期采用平缓加载更有利于降低充液拉深成形过程中板件的减薄率。加载路径对半球形板件横截面处各测量点的壁厚影响规律如图10所示，在初始相对平缓的加载路径3的作用下，半球形板件底部的减薄相对较小，底部厚度分布较为均匀；在加载路径1的作用下，半球形板件底部的减薄最为严重，底部厚度分布差别较大，底端周边区域减薄较为严重。测量点2和测量点10为板件和凹模内侧边界接触的圆角过渡区域，在不同加载路径的作用下，该处厚度变化较为明显，说明该圆角过渡区域受加载方式影响较大，初始平缓加载能够有效抑制圆角过渡区域的减薄。4不同加载路径对壁厚的影响⑴在半球形板件充液拉深过程中，通过有限元仿真软件分析了板料与模具的摩擦系数对板件成形的影响，获取摩擦系数μ分别等于0.10、0.30和0.60三种工况下的成形结果，相比于其他两种工况而言，当μ为0.1时的成形结果壁厚减薄率最小，且厚度分布较为均匀；当摩擦系数μ为0.60时，成形结果壁厚减薄率最大，且成形区域厚度分布不均。充液拉深成形过程中压边区域板件有一定程度的增厚。⑵对比分析不同加载路径条件下半球形板件壁厚的变化情况，初期选取较为平缓的加载