（机械制造及其自动化专业论文）薄壁管材无芯弯曲成形技术研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e r e s e a r c ho nt h en o - - m a n d r e lb e n d i n gt e c h n o l o g i e so f t h i n w a l l e dt u b e m a s t e rc a n d i d a t e ：y a n gs h i - t i e s u p e r v i s o r ：p r o f x i a os h u h o n g m a y2 0 1 0 s c h o o lo fe l e c t r o - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 7舢0m am 6 舢4乃 iiiii脚y 摘要 摘要 薄壁管材弯曲成形过程中，外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增厚、起皱和横截 面畸变及其演化过程、卸载后的回弹等质量缺陷问题一直是工程界未能有效解决的 技术难题。特别是随着薄壁管材无芯弯曲成形技术在现代钢制家具行业大量广泛应 用，家具的外观和耐用性对钢管成形质量的要求越来越高，使得生产企业解决上述 问题的日益迫切。论文针对上述管材弯曲成形中的缺陷问题进行了理论解析研究和 有限元数值研究。 论文首先介绍了等效应力与等效应变、屈服准则、增量理论、全量理论，分析 了管材冲压弯曲成形过程金属的变形以及管材弹塑性变形过程和力学特点，推导了 应变表示方法和塑性变形的体积不变条件，通过拉伸试验和资料比较了管材与板材 力学性能差异。 然后，介绍了薄壁管材无芯绕弯成形技术原理，在对管材弯曲变形进行了定性 分析的基础上对管材弯曲变形的应力应变进行了理论解析，推导出了管材弯曲变形 的应力、应变和中性层曲率半径公式，对管材弯曲后横截面和壁厚的扁化进行了理 论解析，推导出了管材弯曲最小相对半径的理论计算公式并通过试验对公式进行了 验证，对管材内侧的压缩失稳分屈曲和起皱两者情况进行了讨论分析，推导出了管 材弯曲变形力矩的计算公式，确定了管材弯曲回弹量的计算方法，分析了各个参数 对管材弯曲回弹量的影响并给出了合理的解释。 最后，论文还根据管材成形的特点，选用有限元仿真软件d y n a f o r m ，利用 其弯管模块进行数值仿真研究。通过深入的学习d y n a f o r m 和仿真实践，总结出 了使用软件模拟管材弯曲成形过程材料模型的选择、单元公式的选择、接触参数的 设置沙漏控制的选择、模具的运动选择、分析时间的控制和求解参数的设置原则的 一般规律。对薄壁弯管成形过程进行建模，按照弯管工艺和成形参数模拟了各种成 形条件下管材弯曲的成形过程，得到了按照弯曲试验参数的成形极限云图，预测了 成形极限；通过仿真还解决了理论研究壁厚和截面扁化难以解决的难题，分析了边 界运动；通过仿真还得到了管材弯曲后各个节点的等效塑性应变和弯曲过程中的变 形能及一系列有关应力应变的规律。 广东x - , 1 k 大学硕士学位论文 研究结果表明：薄壁管材外侧壁的减薄、破裂，内侧壁的增厚、起皱和横截面 畸变中性层的内移、回弹等成形过程现象均与管材弯曲的应力应变状态密切相关， 管材的几何参数和材料的性能参数通过影响管材弯曲成形应力应变体现出来，因此 对薄壁管材的弯曲成形研究应结合管材的薄壁、中空几何形状特点和管材本身的力 学性能参数分析管材的应力应变及其与应力应变相关的规律。 薄壁管材；弯曲；应力应变；仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fb e n d i n gf o r m i n gt h i n w a l l e dt u b e s ，t h el a t e r a lt h i n n i n g ，r u p t u r e ， t h et h i c k e n i n ga n dw r i n k l i n ga n dc r o s ss e c t i o n ，a n dt h ed i s t o r t i o na n di t se v o l u t i o n p r o c e s sa f t e ru n l o a d i n gt h es p r i n g b a c kq u a l i t yd e f e c t ss u c ha se n g i n e e r i n gp r o b l e m sh a s b e e nt oe f f e c t i v e l ys o l v et h et e c h n i c a lp r o b l e m e s p e c i a l l yw i t ht h et h i n w a l l e dt u b e s c o r e l e s sb a t h r o o mf o r m i n gt e c h n o l o g yi nt h em o d e ms t e e lf u r n i t u r ei n d u s t r y , f u r n i t u r e a p p e a r a n c ew i d e l yu s e di ns t e e la n dd u r a b i l i t yo ft h ef o r m i n gq u a l i t ya r ei n c r e a s i n g l y d e m a n d i n g ，p r o d u c t i o ne n t e r p r i s eo fs o l v i n gt h e s ep r o b l e m s a i m i n ga tt h ed e f e c t so f b e n d i n gf o r m i n gt h i n w a l l e dt u b e si nm e c h a n i c st h e o r ya n de x p e r i m e n ti sc o n d u c t e do n t h eb a s i so ft h et h e o r yo ff i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o nr e s e a r c ha n d a n a l y s i s i t f i r s t l yi n t r o d u c e st h ee q u i v a l e n ts t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i n ，y i e l dc r i t e r i o n ， i n c r e m e n t a lt h e o r y , t h eq u a n t i t yt h e o r y , t h i sp a p e ra n a l y s e st h ep i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o n o fm e t a lf o r m i n gp r o c e s sa n dt h et u b i n g e l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s sa n d m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e d u c e dt h es t r a i nr e p r e s e n t a t i o nm e t h o d sa n dp l a s t i c d e f o r m a t i o nv o l u m ei n v a r i a n tc o n d i t i o n s ，t h r o u g ht h et e n s i l et e s ta n dm a t e r i a lc o m p a r e s t h ed i f f e r e n c e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f p i p e sa n dp l a n k t h e n ，i n t r o d u c e st h et h i n - w a l l e dt u b e sc o r e l e s sb a t h r o o mr ol lin g f o r m i n g t e c h n o l o g yp r i n c i p l eo fp i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o no nt h eb a s i so fq u a l i t a t i v ea n a l y s i so f p i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o no fs t r e s sa n ds t r a i ni sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n dd e d u c e dt h e p i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o na n ds t r e s sa n ds t r a i nn e u t r a ll a y e ra n dc u r v a t u r er a d i u sf o r m u l a o fp i p e s ，a f t e rb e n d i n gc r o s ss e c t i o na n dt h i c k n e s so ft h ef l a ti s a n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , d e d u c e dt h e p i p eb e n d i n gr a d i u s o fm i n i m a l t h r o u g he x p e r i m e n t a n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nf o r m u l ao ft h ef o r m u l ao fp i p e s ，v e r i f i e dt h ei n s t a b i l i t yo ft h ec o m p r e s s i o n a n dw r i n k l i n gb o t hb u c k l i n g p o i n t sd i s c u s s e da n a l y s i s ，d e d u c e dt h ep i p eb e n d i n g d e f o r m a t i o nt o r q u ew a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ef o r m u l ao fb e n d i n gp i p e ，t h ec a l c u l a t i n g m e t h o do fa n a l y s i so ft h ev a r i o u s p a r a m e t e r so nt h ee f f e c to fp i p eb e n d i n ga n d r e a s o n a b l ee x p l a n a t i o n f i n a l l y , i n t r o d u c e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fs h e e tm e t a ls t a m p i n gf i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n di t sc l a s s i f i c a t i o n ，d u et ot h eo b j e c to fs t u d yf o rt h i n - w a l l e dt u b eb e n d i n g ，s o i i i 广东工业大学硕士学位论文 c h o o s e ，u s et h ed y n a f o r ms o f t w a r es i m u l a t i o nt u b eb e n d i n gm o d u l es i m u l a t i o n r e s e a r c h ，t h r o u g ht h ei n d e p t hs t u d ya n dp r a c t i c eo ft h e s i m u l a t i o no fd y n a f o r m ， s u m m a r i z e st h eu s es o f t w a r et os i m u l a t et h ep i p eb e n d i n gp r o c e s sm o d e ls e l e c t i o n ，u n i t o fc h o o s ea n dc o n t a c tp a r a m e t e r sf o r m u l ao fs a n dc o n t r o l ，s e t t i n gi nm o t i o n ，m o u l do f c o n t r o la n dt h es o l v i n gm e t h o do fp a r a m e t e rs e t t i n gp r i n c i p l e so fg e n e r a lr u l e s i n t r o d u c e st h eu s eo fs h e e tm e t a ls t a m p i n gd y n a f o r ms o f t w a r e o ff i n i t ee l e m e n t m o d e l i n go ft u b eb e n d i n gm o d u l ea n dr e q u i r e m e n t so ft h ep r o je c ti na c c o r d a n c ew i t ht h e f o r m i n gp r o c e s so fs i m u l a t i o n ，t h es i m u l a t i o no ft h ep i p eb e n d i n gf o r m i n gp r o c e s s ，t h e b e n d i n gt e s tp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ef o r m i n gl i m i tc o n t o u r s ，f o r e c a s tt h ef o r m i n g l i m i t ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o na l s os o l v et h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fw a l lt h i c k n e s sa n d s e c t i o nf l a tt os o l v ep r o b l e m s ，a n a l y s e st h eb o u n d a r ym o v e m e n t ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o n o b t a i n e da f t e re a c hn o d eo ft h ep i p eb e n d i n ge q u i v a l e n tp l a s t i cs t r a i na n db e n d i n g d e f o r m a t i o np r o c e s so fas e r i e so fs t r e s sa n ds t r a i na n dr e l e v a n tl a w s r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t ：t h el a t e r a lt h i n - w a l l e dt u b e st h i n n i n g ，r u p t u r e ，t h e t h i c k e n i n ga n dw r i n k l i n ga n dd i s t o r t i o no ft h ec r o s ss e c t i o no ft h e n e u t r a ll a y e r , t h e s p r i n g b a c kw i t h i ns u c hf o r m i n gp r o c e s sa n dt h ep h e n o m e n o no ft h es t a t eo fs t r e s s - s t r a i n b e n dp i p e ，t u b ei s c l o s e l yr e l a t e dt ot h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sa n dt h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r so ft h em a t e r i a l st h r o u g ha f f e c t i n gp i p eb e n d i n gs t r e s sa n ds t r a i n ，a n dt h u s r e f l e c t e di nt h i n - w a l l e dt u b e so fb e n d i n gf o r m i n gt h i n - w a l l e dt u b es h o u l db ec o m b i n e d w i t hr e s e a r c h ，h o l l o wg e o m e t r yc h a r a c t e r i s t i ca n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fp i p ei t s e l f p a r a m e t r i ca n a l y s i so fs t r e s sa n ds t r a i na n dp i p ew i t hr e l e v a n tl a w ss t r a i na n ds t r e s s k e yw o r d s ：t h i n w a l l e dt u b e s ，b e n d i n g ，s t r e s sa n ds t r a i n ，s i m u l a t i o n i v 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 目录i c o n t e n t s i v 第一章绪论1 1 1 研究课题的学术背景1 1 2 管材弯曲成形国内外现状分析1 1 2 1 管材弯曲成形的理论研究2 1 2 2 管材弯曲的实验研究4 1 2 3 管材弯曲的有限元数值模拟研究一5 1 3 本文研究的意义6 1 4 课题来源：6 1 5 本文的研究内容6 第二章管材弯曲成形的力学基础8 2 1 弯曲成形过程中金属的变形8 2 1 1 弹性变形8 2 1 2 塑性变形8 2 2 应变表示方法9 2 3 塑性变形的体积不变条件1 0 2 4 等效应力与等效应变1 1 2 4 1 等效应力1 1 2 4 2 等效应变1 2 2 5 屈服准则1 2 2 6 增量理论l4 广东工业大学硕士学位论文 2 7 全量理论1 4 2 8 管材的弹塑性变形过程和力学特点1 5 2 8 1 金属弹塑性变形过程15 2 8 2 应力应变数学解析表达- 1 8 2 8 3 管材与板材的力学性能比较2 0 2 9 本章小结_ 2 0 第三章薄壁管材无芯弯曲成形的理论解析研究2 1 3 1 薄壁管材无芯绕弯成形技术原理- 2 1 3 2 管材弯曲变形分析2 4 3 3 管材弯曲变形的应力应变解析2 8 3 3 1 管材弯曲变形的应力解析2 8 3 3 2 管材弯曲变形的应变解析3 2 3 3 2 管材弯曲的中性层曲率半径3 2 3 4 管材弯曲后横截面扁化3 5 3 5 管材弯曲后壁厚的变化3 7 3 6 最小相对弯曲半径的分析3 9 3 6 1 最小相对弯曲半径与管的弯曲切向主应变的关系3 9 3 6 2 受硬化指数约束决定的最小相对弯曲半径3 9 3 6 3 材料的延伸率决定的最小相对弯曲半径4 0 3 6 4 变形几何条件决定的最小相对弯曲半径4 2 3 6 5 最小相对弯曲半径计算值与试验值的比较分析4 3 3 7 管材弯曲的压缩失稳4 5 3 7 1 屈曲4 5 3 7 2 起皱4 9 3 8 管材塑性弯曲回弹量的分析5 l 3 8 1 管材弯曲回弹的基本假设5 2 3 8 2 管材的弯曲力矩5 3 3 8 3 管材弯曲回弹量计算公式5 4 3 8 4 管材弯曲回弹量与管材各参数的关系5 7 目录 3 9 本章小结6 4 第四章薄璧管材无芯弯曲成形的有限元仿真研究6 5 4 1 板料冲压成形有限元软件6 5 4 1 1 板料冲压成形有限元软件分类：一6 5 4 1 2 板料冲压成形有限元软件d y n a f o r m 介绍6 7 4 1 3d y n a f o r m 板料成形过程和系统结构6 8 4 2 管材弯曲成形参数设置7 0 4 2 2 材料模型的选择7 l 4 2 3 单元公式的选择i ：7 3 4 2 4 接触参数设置。7 6 4 2 5 砂漏控制选择7 9 4 2 6 模具的运动控制8 0 4 2 7 分析时间的控制8 0 4 2 8 d y n a f o r m 求解系统参数设置原则一8 2 4 3 d y n a f o r m 数值模拟分析8 3 4 3 1 有限元建模8 4 4 3 2 仿真规律分析8 8 4 4 本章小结9 5 结论与展望9 6 参考文献9 8 附录薄壁管材弯曲成形试验方法10 3 1 管材的单向拉伸试验10 3 2 管材的无芯弯曲试验1 0 5 攻读学位期间发表的论文10 8 独创性声明10 9 致 射j 110 i i i 广东工业大学硕士学位论文 c o n t e n t s a b s t r a c t ( c h i n e s e ) i a b s t r a c t ( e n g h l i s h ) i i i c o n t e n t s ( c h i n e s e ) i c o n t e n t s ( e n g h l i s h ) i c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 1 1 1t h ea c a d e m i cb a c k g r o u n dr e s e a r c ht o p i c 1 1 2p i p eb e n d i n gs i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d 。j 1 1 2 1p i p eb e n d i n gt h e o r yr e s e a r c h 2 1 2 2p i p eb e n d i n ge x p e r i m e n t a ls t u d y 4 1 2 3p i p eb e n d i n go ft h ef i n i t ee l e m e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d y 5 1 3t h es i g n i f i c a n c eo ft h et o p i c sr e s e a r c h 6 1 4t o p i cs o u r c e 6 1 5t h i sr e s e a r c hc o n t e n t 6 c h a p t e r 2t h i n - w a l l e dt u b eb e n d i n gm e c h a n i c a lf o u n d a t i o n 8 2 1i nt h ep r o c e s so fm e t a lf o r m i n g 8 ：! 1 1e l a s t i cd e f o r m a t i o n 8 2 1 2p l a s t i cd e f o r m a t i o n 8 2 2s t r a i nm e t h o d 9 2 3t h ev o l u m eo f p l a s t i cd e f o r m a t i o nu n c h a n g e d 1 0 2 4t h ee q u i v a l e n ts t r e s sa n de q u i v a l e n ts t r a i n 11 2 4 1t h ee q u i v a l e n ts t r e s s 11 2 4 2t h ee q u i v a l e n ts t r a i n 12 ：! ! ；y i e l dc r i t e r i o n j 1 ：1 2 6i n c r e m e n tt h e o r y 14 2 7h et h e o r yo fq u a n t i t y j 1 4 2 8p i p ee l a s t i c - p l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s sa n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 15 i v c o n t e n t s 2 8 1m e t a le l a s t i c p l a s t i cd e f o r m a t i o np r o c e s s 。l5 2 8 2s t r e s sa n ds t r a i nm a t h e m a t i c a la n a l y t i c a le x p r e s s i o n 18 2 8 3p i p e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f c o m p a r i s o n 2 0 2 9t h i sc h a p t e rs u m m a r y 2 0 c h a p t e r 3t h ec o r et u b eb e n d i n gw i t h o u tt h e o r yr e s e a r c h 2 1 3 1p i p ei st h ec o r ep r i n c i p l eo ff o r m i n gt e c h n o l o g y r o l l i n g 2 1 3 2p i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o na n a l y s i s 2 4 3 3p i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o no fs t r e s s - s t r a i na n a l y s i s 2 8 3 3 1p i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o no fs t r e s sa n a l y s i s 2 8 3 3 2p i p eb e n d i n gd e f o r m a t i o no fs t r a i n 3 2 3 3 2p i p eb e n d i n gr a d i u so f c u r v a t u r eo f t h en e u t r a ll a y e r 3 2 ：；4b e n d i n gt u b ec r o s s s e c t i o nd i s t o r t i o n 3 5 3 5p i p eb e n d i n gt h i c k n e s sc h a n g e s 3 7 3 6t h em i n i m a lb e n d i n gr a d i u s 3 9 3 6 1t h em i n i m a lb e n d i n gr a d i u sa n dt u b eb e n d i n gt a n g e n t i a ls t r a i n s 3 9 3 6 2t h ed e c i s i o nb yh a r d e n i n ge x p o n e n tc o n s t r a i n tl e a s tr e l a t i v eb e n d i n gr a d i u s 3 9 3 6 3t h e e l o n g a t i o no ft h em a t e r i a l so ft h em i n i m a lb e n d i n gr a d i u so ft h ed e c i s i o n 4 0 3 6 4t h em i n i m u mg e o m e t r i cc o n d i t i o n sd e f o r m a t i o nd e c i s i o nr e l a t i v eb e n d i n g r a d i u s 4 2 3 6 5t h em i n i m a lb e n d i n gr a d i u so fc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l u e 4 3 3 7p i p eb e n d i n gc o m p r e s s i o no fi n s t a b i l i t y 4 5 3 7 1b u c k l i n g 4 5 3 7 2w r i n k l i n g 4 9 3 8t h ea m o u n to f p l a s t i cp i p eb e n d i n g 51 3 8 1p i p eb e n d i n go fb a s i ca s s u m p t i o n s 5 2 3 8 2p i p eb e n d i n gm o m e n t 5 3 3 8 3p i p eb e n d i n gc a l c u l a t i n gf o r m u l a 5 4 3 8 4p i p eb e n d i n gp i p ep a r a m e t e r sa n dt h er e l a t i o n s h i p 5 7 3 9t h i sc h a p t e rs u m m a r y 6 4 v 广东工业大学硕士学位论文 c h a p t e r 4t h ec o r et h i n - w a l l e dt u b et u b eb e n d i n g i sf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 6 5 4 1s h e e tm e t a ls t a m p i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e 6 5 4 1 1s h e e tm e t a ls t a m p i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ec l a s s i f i c a t i o n 6 5 4 1 2s h e e tm e t a ls t a m p i n gd y n a f o r m