外文翻译--使用固体介质膨胀成型的三维有限元模拟 中文版

1 使用固体介质膨胀成型的三维有限元模拟 B.J.麦克唐纳 *， M.S.J.哈什米 机械与制造工程 ,爱尔兰都柏林城市大学，都柏林 9 学院，爱尔兰 摘要 ：膨胀成形是一个用于制造许多工业部件的新的制造方法。常见的产品包括 T 分支，交叉分支和角度分支组件。迄今为止对这一过程的知识了解相当有限。文献报道中关于模具和管之间的接触现象的有限元分析非常有限，只报道了特殊处理以及使用液体介质膨胀成形的方法，而使用固体介质膨胀成形的三维模拟尚未见报道。本文介绍了使用固体介质膨胀成交叉管过程的三维模拟。本文对改变膨胀介质和管之 间的摩擦系数所带来的影响进行测验，展现出构件形成过程中的成形变化和压力变化的过程。仿真的结果与先前的液压膨胀成形过程模拟结果相比较是一致的。用来执行模拟过程的是显式非线性有限元软件 LS - DYNA3D。 （ 2001 年 Elsevier 科学 B.诉保留所有权利） 关键词 ：胀形，仿真，有限元法 1.介绍 胀形是一种被广泛使用于工业中的方法，通常用于形成毛坯管的复杂组件。通过改变模具轴承的毛坯部分以得到想要的形状，并把由液体或固体介质内部产生的静水压力运用于管中来形成组件。膨胀成形的负荷压力所产生的零部件 的类型和质量是有限的。如果把压缩轴向的负载施加在管的末端使其与压力结合，然后将材料放入变形区，就可以防止形成的壁过于薄。 图 1 显示了一个交叉分支管状部件的横断面安装视图。 （ a）优先形成正确位置的板料 （ b）轴向变形形成组件 图 1 交叉分支组件膨胀成型 2 关于使用液压胀形的实验研究已被文献广泛报道，最近的数字作品 1-4使这一过程得到进一步了解。有关使用固体介质胀形的报道不多。铝库雷希 5描述了一个轴对称薄壁金属管的膨胀实验过程。在 一个单独的实验中，将铝库雷希 6与使用液压胀形的聚氨酯棒胀形作比较。结论是对于复杂的聚氨酯成型分析技术，采用越先进的液压成型方法会得到越理想的结果。菲略和铝库雷希 7提出使用聚氨酯棒使直管形成三通接头的实验方法。变形是通过重复加载和卸载以及改变聚氨酯棒之间的长度来实现的。 Thiruvarudchelvan 和 Travis 8中描述了用聚氨酯棒形成的轴对称膨胀铜管的实验。 Thiruvarudchelvan 9,10提出了使用聚氨酯棒预测形成金属管的初始屈服压力及最终成形压力的一个近似理论。该理论 引用了由实验确定的膨胀特性，并与实验结果进行比较。 上述资料调查了使用固体介质膨胀成形的几种方式，积累了一些方法。然而，为了优化生产过程，必需进行深入的了解，特别是对内应力分布的了解。为了探讨鼓胀和变形机理，要运用非线性有限元分析进行固体介质膨胀为交叉分支组件过程的模拟。 2.有限元模型 本文使用显式有限元程序 LS - DYNA3D 模拟膨胀成型过程。分别进行对一个 1.03 毫米壁厚的铜管以及 24.12 毫米直径， 107 毫米长度的圆柱管膨胀成十字接头的模拟。分管的直径等于主管的直径。该模拟的膨胀介质略短于 管子的长度。这准确地模拟了实际情况，有助于将管插入冲床。 通过利用对称性可能模拟八分之一的模型。图 . 2 显示了不完全的模型。有些点是表示在结果部分要进一步讨论。模具和管都采用八节点实体单元来模拟。 总共有 2875 的元素描述了模型。模具和管之间以及膨胀的介质和管之间的接口，用自动表面接触算法来模拟。该算法采用两个接触面单元的材料特性来计算刚度。在模具和管之间假设弹性库仑摩擦定律成立并设为 0.15。这个值代表了实验 11的测量值。改变介质与管的膨胀系数，以确定其对过程的影响。 该管的材料特性由铜线压缩 试验确定。一个分段线性弹塑性材料模型使用下列参数：杨氏模量 = 124 106 兆帕，屈服强度为 160 兆帕，切线模量 = 925 兆帕时，泊松比 = 0.3，密度为 8.9 10-6公斤 /立方毫米。介质的膨胀参数用来近似替代铅的参数。软金属，如铅被广泛用于工业应用中，其远远超过弹性体变形的能力。 3.加载和解决方案 由于八分之一的模型是利用对称性来模拟的，管和膨胀的介质的节点受到适当方向的限制。模具被限制为一个刚体。内部压力是通过给填充材料的底部节点施加规定的位移形成的。主管轴向变形是通过给管端边缘节点施加规定的 位移实现的。在实际的形成过程，填料管的轴向载荷是由一个冲床施加的，冲床的长度先控制介质变形量，后控制管轴向变形。在这种情况下，冲床并没有被模拟，反而在冲床下面的管节点受到径向和周向的限制，相当于冲床是在正确位置的。在所有的模拟中采用的加载模式见图 3.开发这种模式是用来最大限度地扩大分管的高度。 3 图 2 有限元模型 图 3 使用的加载模式 为了更好的了解这个过程，进行了多种工艺参 数的模拟。在所有的模拟中，轴向载荷被施加到填充材料和管件上。进行的第一个仿真是把膨胀的介质和管的摩擦系数设为零。在随后的仿真中摩擦系数在 0 和 0.5 之间变化。 4.结果与讨论 4.1. 膨胀的变化过程 为了研究膨胀的变化过程，在加载过程中固体介质与管之间的摩擦系数设为 0.3。这个值被视为实验 11的测定值。图 4-7 显示了管的膨胀过程。可以从数字中看出，膨胀最初发生在模具的拐弯处。由于膨胀着的介质所消耗的压力越来越多，固体开始变得越来越规律。等到施加了40的轴向位移，凸出的部分渐渐消失了，分管的 顶部是几乎持平，如图 5 所示。从这一阶段开始，由于内部压力和管轴向位移不断增加，膨胀向着固定的模型发展，如图 6 和 7 所示。 在管子膨胀时注意管内的压力是非常有趣的。在施加 10的负荷时候最大应力位于 A 点。随着负荷继续施加，最大应力的位置就保持不动，但最大应力区周围的应力梯度变得更加集中。从这个单元区域变形过程可以看出，高应力是压缩和拉伸应变的组合造成的。 4 图 4 管在 20%的轴向位移时的 Von-Mises 应力分布 图 5 管在 40%的轴向位移时的 Von-Mises 应力分布 图 6 管在 70%的轴向位移时的 Von-Mises 应力分布 4.2. 摩擦系数的影响 对膨胀的介质和管的膨胀效应进行研究，四个模拟中摩擦系数分别使用 0， 0.15， 0.3 和 0.5。分管在每一种情况下产生的最大高度约为 11 毫米，随着摩擦系数的增加而减少。彼此模拟之间仅有 1 毫米差异。随着摩擦系数的增加， A 点在每一种情况下最大应力在 300 至 328 兆帕之间变化，并逐步降低。分管中最大应力在 185 和 200 兆帕之间变化，并 随着摩擦系数的增加而降低。对分管的顶部壁变薄的情况研究表明，在摩擦系数为 0 的情况下减少至 90的原始厚度。增加 5 摩擦系数的模拟表明，几乎所有的分管都没有变薄。各主要管增厚，是在脉冲之前，从 120到102的原始厚度之间变化。较低的摩擦值，使得分管顶部变薄。 图 7 管在 70%的轴向位移时的 Von-Mises 应力分布 图 8 模拟 2 交叉分支的中央顶部压力的变化（摩擦系数为 0.15） 压力的变化也受到了介质和管膨胀时的摩擦系数的影响。图 .8 显示了模拟 2 中交叉分管的中央节点应力 的变化（摩擦系数 = 0.15）。在膨胀着的介质和管之间压力的变化是相当不稳定的。图9 显示了模拟 3 的应力变化（摩擦系数 = 0.3）可以看出，递增的摩擦系数能够使得固体在膨胀时进行的更加顺利。 4.3.与液压胀形比较 在先前的作业 4中作者使用与此有限元分析中相同几何形状和材料特性的交叉分管组件来模拟液压胀型。为了比较固体介质胀形与液压膨胀胀形过程，将 4的结果与这里的结果进行比较。 6 显然，使用固体介质胀形能够得到更高的分管高度和较轻的顶部变薄程度。为了比较压力条件，需要进一步模拟组件，使之 膨胀到与液压胀形模拟实验中相同的高度（ 11.5 毫米）。图 . 10和 11 显示了 Von - Mises 应力在液压胀形与固体胀形中的分布情况。当比较这些应力分布时，我们可以注意到，使用固体介质胀形产生的压力会更小。两种模拟中该组件形成的应力分布与最大应力点周围的应力分布非常相似。在固体介质胀形模拟中主管受到了很大的力。这是由于膨胀的介质和管之间的摩擦比液压膨胀能对管产生更大的轴向应力。相较而言，固体介质膨胀的优点是，它可以产生与液压膨胀同样的分管高度，并且减少了未膨胀管的长度。这又是因为膨胀着的介质和管之间的摩擦 使得物质进入膨胀区 5-7。 结论 本文介绍了固体介质膨胀成交叉组件的有限元模拟的结果。结果表明了： （ 1） 与液压成形相比较，使用固体介质胀形能够获得更高的分管高度，降低了分管顶壁厚度的减少以及降低了成形组件的应力。 （ 2） 不断增加膨胀着的介质和管之间的摩擦会使得成形组件的应力减少，分管顶部的壁变得更薄，阻碍主管壁厚度的增加，在成形过程中压力的变化会很舒缓。 （ 3） 不断增加膨胀着的介质和管之间的摩擦对成型组件的分管高度的影响几乎忽略不计。 （ 4） 当与液压膨胀成形所形成的同一高度的交叉分管相比较时，很明显，固体介质 膨胀所造成的管的 长度减小的很多。 参考文献 1 H. 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