（材料加工工程专业论文）薄壁矩形管绕弯成形失稳起皱的数值模拟.pdf

摘要 摘要 铝合金薄壁矩形波导管是雷达和无线电通讯系统中的关键部件，绕弯成形是 矩形波导管的主要加工方法。但在薄壁矩形管绕弯成形过程中极易产生失稳起皱、 截面畸变、拉裂等缺陷；特别是失稳起皱，严重地影响着矩形波导管的弯曲成形 质量。因此，本文采用三维有限元数值模拟技术，对薄壁矩形管绕弯成形过程失 稳起皱及工艺参数对失稳起皱的影响规律进行了系统的研究。该研究对薄壁矩形 管弯曲成形技术的发展及该成形过程工艺参数的选取与优化具有重要的理论意义 和参考价值。本文主要研究内容和结果如下： 实验获得了3 a 2 t 铝合金薄壁矩形管材料的基本力学性能，建立了材料的本构 模型。在解决薄壁矩形管绕弯成形有限元建模过程所涉及的关键技术问题的基础 上，采用动态显式有限元平台a b a q u s e x p l i c i t 。建立了既符合实际又兼顾计算精 度和计算效率的该成形过程的三维有限元模型，并对所建模型的可靠性进行了验 证。该模型的建立，为系统研究失稳起皱的产生机理及工艺参数对其的影响规律 奠定了基础。 基于验证的有限元模型，系统研究了绕弯成形过程中切向应力及切向应变场 的分布规律，并分析了该成形过程中压缩变形区随弯曲进程的变化规律，发现随 着弯曲过程的进行压缩变形区的大小及其相对弯曲切点的位置基本保持不变，失 稳起皱主要发生在弯曲初始阶段的4 0 0 内。为系统地研究工艺参数对薄壁矩形管绕 弯成形失稳起皱的影响规律提供了依据。 采用所建立的有限元模型，模拟分析了工艺参数对薄壁矩形管绕弯成形失稳 起皱的影响规律。结果表明：减小弯曲模与管坯的间隙、增大弯曲半径、增大弯曲 模与管坯的摩擦和增加芯棒伸出量，都有利于减小失稳起皱。但当芯棒伸出量超 过一定值时，芯棒支撑的管坯外侧部位就会出现凸起现象。随着芯棒与管坯间隙、 防皱块与管坯间隙的增加以及芯棒与管坯摩擦系数的增大，失稳起皱波纹度先减 小后增大；压块的助推速度、压块与管坯的间隙和压块与管坯的摩擦对失稳起皱 的影响不显著。 关键词：薄壁矩形管，绕弯成形，失稳起皱，数值模拟，工艺参数，成形规律 两北工业大学丁学硕士学位论文 a b s t r a c t a l u m i n u ma l l o yt h i n - w a l l e dr e c t a n g u l a rw a v e g u i d et u b ei sak e yc o m p o n e n t w i d e l yu s e di nt h ef i e l do f r a d a ra n d r a d i oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n dt h er o t a r yd r a w b e n d i n gi s t h em a i nf o r m i n gm e t h o do fr e c t a n g u l a rw a v e g u i d e b u tw r i n k l i n g ， d i s t o r t i o n ，t e n s i o nc r a c ke r ea r ee a s i l yp r o d u c e dd u r i n gt h er o t a r yd r a wb e n d i n g p r o c e s s ，e s p e c i a l l yt h ew r i n k l i n gs e r i o u s l yi n f l u e n c et h eq u a l i t yo fr e c t a n g u l a r w a v e g u i d e t h e r e f o r e ，t h ew r i n k l i n g m e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n c i n gl a w s o f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nw r i n k l i n gi nt h eb e n d i n gp r o c e s sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d s y s t e m a t i c a l l yb yu s i n g t h e3 d - f en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n o l o g y t h e a c h i e v e m e n t so ft h i sr e s e a r c ha r ei m p o r t a n tt ot h ed e v e l o p m e n to fr e c t a n g u l a rt u b e b e n d i n gt e c h n o l o g ya n dt h ed e t e r m i n a t i o na n do p t i m i z a t i o no f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ep r o j e c ta n di t sm a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： t h ep r i m a r ym e c h a n i c a lp r o p e r t yd a t ao f3 a 2 1a l u m i n u ma l l o yt h i n - w a l l e d r e c t a n g u l a rt u b eh a sb e e no b t a i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，a n dt h e nt h ec o n s t i t u t i v e e q u a t i o nh a sb e e ne s t a b l i s h e d b a s e do ns o l v i n gs o m ek e yt e c h n o l o g i c a lp r o b l e m so f t h em o d e l i n gi nt h er o t a r yd r a wb e n d i n gp r o c e s so f t h i n - w a l l e dr e c t a n g u l a rt u b e ，a3 d e l a s t o p l a s t i cd y n a m i ce x p l i c i tf em o d e lo ft h ep r o c e s sh a sb e e ne s t a b l i s h e du n d e r t h ee n v i r o n m e n to ft h ed y n a m i ce x p l i c i tf e mc o d ea b a q u s e x p l i c i t a n db o t h c o m p u t a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c ya r et a k e ni n t oa c c o u n td u r i n gt h ee s t a b l i s h i n g p r o c e s so ft b em o d e l a n dt h er e l i a b i l i t yo ft h em o d e lh a sb e e nv e r i f i e db yl i t e r a t u r e t h ee s t a b l i s h m e n to ft h em o d e ll a yaf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho nt h ew r i n k l i n g m e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n c i n gl a w so f p r o c e s s i n gp a r a m e t e r so nt h ep r o c e s s t h e n ，b a s e do nt h em o d e le s t a b l i s h e da b o v e ，t h ed i s t r i b u t i o nl a w so ft a n g e n t i a l s t r e s sa n dt a n g e n t i a ls t r a i nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e dd u r i n gt h ed i f f e r e n ts t a g e so ft h e b e n d i n gp r o c e s s ，a n dt h ev a r i a t i o nr u l eo fc o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o na r e ao ft h ei n n e r s i d eo ft h et u b eh a sb e e na l s oa n a l y z e d n er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es i z ea n dt h e r e l a t i v ep o s i t i o no ft h ec o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o na r e an e a r l yk e c pu n c h a n g e dw i t ht h e p r o g r e s so ft h eb e n d i n gp r o c e s s ，a n dt h eb e n d i n ga n g l ea tw h i c ht h ew r i n k l i n gi s p r o d u c e dd u r i n gt h ei n i t i a ls t a g eo fb e n d i n gp r o c e s si sl e s st h a n4 0 ”n l er e s u l t so f a b s t r a c t t h i s s t u d yc a np r o v i d eag u i d e l i n e f o ri n v e s t i g a t i n gt h ei n f l u e n c eo fp r o c e s s p a r a m e t e r so nw r i n k l i n gf o rt h i n - w a l l e dr e c t a n g u l a rt u b ei nr o t a r yd r a wb e n d i n g p r o c e s s 1 1 1 ei n f l u e n c el a w so ft h ep r o c e s sp a r a m e t e r so nw r i n k l i n gh a v eb e e ns i m u l a t e d a n dt h e na n a l y z e db yu s i n gt h e3 de l a s t o - p l a s t i ed y n a m i ce x p l i c i tf em o d e l 1 1 1 e r e s u i t ss h o wt h a t ：w i t l lt h ed e c r e a s eo ft h ec l e a r a n c eb e t w e e nb e n d i n gd i ea n dt u b e ， t h ei n c r e a s eo ft h eb e n d i n gr a d i u s ，t h ei n c r e a s eo ft h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n b e n d i n gd i ea n dt u b e ，a n dt h ei n c r e a s eo ft h ei n i t i a ll e a do fm a n d r e l ，t h et r e n do f w r i n k l i n gd e c r e a s e ；b u ti ti sp r o n et op r o d u c ee x t e r n a ld r u mp h e n o m e n o ni no u t b o a r d o ft u b ep o l e db yt h em a n d r e lw h e ni n i t i a ll e a do fm a n d r e lr e a c h e sav a l u e n 伦h e i g h t o fw r i n k l i n gw a v ei n c r e a s e si n i t i a l l ya n dt h e nd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h e c l e a r a n c eb e t w e e nm a n d r e la n dt u b e ，t h ei n c r e a s eo f t h ec l e a r a n c eb e t w e e nw i p e rd i e a n dt u b e a n dt h ei u c r e a s eo ft h ef r i c t i o nc o c f ! f i c i e n tb e t w e e nm a n d r e la n dt u b e m i n f l u e n c e so ft h eb o o ms p e e do fp r e s s u r ed i e ，t h ec l e a r a n c eb e t w e e np r e s s u r ed i ea n d n l b c a n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e np r e s s u r ed i ea n dt u b eo nw r i n k l i n ga r en o t o b v i o u s k e yw o r d s ：t h i n - w a l l e dr e c t a n g u l a rt u b e ，r o t a r yd r a wb e n d i n gp r o c e s s ，w r i n k l i n g ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r , d e f o r m m i o nl a w s 1 1 1 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 水人完全了解学校有关保护知飒产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文l 作的知识产权单位属丁硝，i i ：l 业人学。学校有权保留并向国家有关部 f 1 或机构送交论文的复印件羊| | 电子版。本人允许论文被壳阅嗣i 借阅。学校可以 将本。学何论文的全部域部分内容编入有关数据库进行检索，可阻采川影印、缩 印或描等复制于段保存和 | ：编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰弓的文章一律注明作者单位为曲北r 业人学。 保密论文待解密厉适用本声明。 学位论文作者签名 年 指导瓤签名：施 日 砷年j 月l 2 ，日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校，“谨的学风利优良的科学道德，本人郑i r 声明：所早交的学位沦 文，是本人住导师的指导f 进行研究1 作所取得的成果。尽我所知，除文中已 经注明引川的内容和致十的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公 开发表l 戈摆，弓过的研究成果，不包含本人或他人已巾请学位或其它川途使用过 的成果。对本文的研究做山重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名倒枣 加即年月j z 日 掰 本文的主要创新点与贡献 本文的主要创新点与贡献 ( 1 ) 基于动态显式有限元平台a b a q u s e x p l i e i t ，建立了既符合实际又兼 顾计算精度和计算效率的薄壁矩形管绕弯成形三维弹塑性动态显式有限元模型， 解决了建模过程中涉及的几何模型建立、材料模型建立、网格划分、动态边界条 件处理和载荷的施加等关键技术问题。为系统研究失稳起皱的产生杌理及工艺参 数对失稳起皱的影响规律奠定了基础。 ( 2 ) 系统研究了薄壁矩形管绕弯成形过程中压缩变形区随弯曲进程的变化 规律，发现随着弯曲过程的进行压缩变形区的大小及其相对位置基本保持不变， 失稳起皱主要发生在弯曲初始阶段的4 0 0 内。研究结果为系统地研究工艺参数对 薄壁矩形管绕弯成形过程失稳起皱的影响规律提供了依据。 ( 3 ) 研究获得了模具间隙( 芯棒与管坯间隙、压块与管坯间隙、防皱块与 管坯间隙和弯曲模与管坯间隙) 、摩擦( 芯棒与管坯的摩擦系数、压块与管坯的 摩擦系数、防皱块与管坯的摩擦系数和弯曲模与管坯的摩擦系数) 、弯曲速度、 芯棒伸出量和弯曲半径等工艺参数对薄壁矩形管绕弯成形过程中失稳起皱的影 晌规律。对薄壁矩形管绕弯成形过程工艺参数的确定和优化具有重要的参考价 值。 v 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 先进塑性成形技术与仿真，是材料学、力学、机械与计算机等学科的交叉融 合，具有技术密集、高增值、高技术和知识密集的特点，是改造、发展传统塑性 成形的新领域，是高新技术与传统技术相结合的产物。机械、材料和信息三位一 体，给先进塑性成形技术带来质的飞跃，在推动我国科技、经济和国防现代化发 展进程中具有重要作用l l j 。 薄壁管数控精确弯曲技术是管弯曲技术向先进塑性加工技术发展的必然趋 势，在汽车、航空、航天等高科技产业中具有广阔的应用前景印】。薄壁矩形管 弯曲成形技术是薄壁管数控精确弯曲技术的重要组成部分，也是航空、航天领域 薄壁轻量化构件制造和通信、卫星地面站、微波测量等领域矩形波导制造的先进 塑性加工技术。薄壁矩形管绕弯成形由于具有成形精度高、效率高和易于实现自 动化等特点【4 】，在薄壁矩形管弯曲成形中占有十分重要的地位，已成为先进塑性 m i 技术面向2 l 世纪研究与发展的一个重要方向1 2 ，副。 由于薄壁矩形管空心壁薄的特点，使得薄壁矩形管绕弯成形过程中容易出现 失稳起皱、截面畸变、回弹和拉裂等缺陷。这些缺陷，特别是失稳起皱，严重地 阻碍着薄壁矩形管弯曲成形质量的提高，已成为薄壁矩形管弯曲成形技术发展亟 待解决的关键问题。因此有必要对薄壁矩形管绕弯成形过程中的失稳起皱现象进 行研究，以便深入了解失稳起皱产生的机理，掌握工艺参数对失稳起皱的影响规 律。 薄壁矩形管绕弯成形是一个涉及材料非线性、几何非线性及边界条件非线性 等多因素影响的过程，而且各因素之间还存在相互耦合作用，单纯采用试验研究 或理论分析法，难以准确、高效地解决绕弯成形的生产实际问题。基于有限元法 的塑性成形数值模拟技术 6 - 7 与其它研究方法相比，效率高、计算精度高、信息 量大，而且还能考虑多因素相互耦合的影响。因此，本文采用有限元数值模拟技 术对薄壁矩形管绕弯成形过程进行系统的研究，深入了解薄壁矩形管的绕弯成形 机理，对失稳起皱等成形缺陷进行预测，掌握材料、成形工艺等参数对薄壁矩形 管绕弯成形过程中失稳起皱的影响规律，提出解决弯曲成形过程中失稳起皱的有 西北t 业大学工学硕十学位论文 效措施。该研究不仅在薄壁矩形管弯曲成形理论研究方面有重大意义，而且在通 讯和雷达等兵器和国防领域薄壁矩形管弯曲加工中也具有重要的参考价值。 1 2 薄壁矩形管绕弯成形过程 1 2 1 绕弯成形的基本原理及分类 1 2 1 1 绕弯【g 】成形基本原理 绕弯成形是在弯曲力矩作用下使管材绕弯曲模转动逐渐弯曲成形。由于技术 具有成形精度高、效率高、弯曲质量好、易于实现自动化等优点而被广泛地应用 于航空、航天、无线电通讯等领域的管材加工中。 薄壁矩形管绕弯成形是多因素作用下的复杂非线性成形过程，需要多种模具 的协同作用和严格配合，如图1 1 所示。弯曲前管件头部被夹持在夹块( c l a m p d i e ) 和镶块( b e n d i n gc l a m pd i e ) 之间，镶块固定在弯曲模上与弯曲模成为一体，尾 部处于压块( p r e s s u r e d i e ) 和防皱块( w i p e r d i e ) 之间，内部由芯棒( m a n d r e l ) 支撑。 弯曲时，夹块牵引管件绕弯曲模一起转动到设定的弯曲角度，管件与弯曲模的贴 合使得管件达到需要的弯曲半径，然后夹块和压块松开，芯棒抽出，取出管件， 弯曲模和夹块复位，完成一次弯曲动作。 图1 1 薄壁矩形管绕弯成形原理简图 薄壁矩形管弯曲成形过程分为以下三个阶段9 。10 1 。 ( 1 ) 弹性变形阶段 矩形管弯曲变形的初始阶段，中性层外侧材料纤维受拉产生弹性伸长，中性 层内侧材料则产生弹性压缩，沿厚度方向以中性层为界分为拉伸变形区和压缩变 2 第一章绪论 形区，应力与应变关系遵守虎克定律，故应力中性层和应变中性层相互重合并通 过截面中心。当完全卸载后管坯又回到原始状态。 ( 2 ) 弹塑性变形阶段 随着弯曲变形的进行，管坯最外层材料和最内层的材料应力最先达到屈服极 限，变形性质由弹性变为塑性。随着弯曲过程的进一步进行，塑性变形逐渐扩展 到中性层，故在弯曲过程中应力中性层和应变中性层不仅不相互重合，也不通过 断面中心，而是随曲率的增大逐渐向曲率中心方向移动，并且应变中性层的移动 滞后于应力中性层的移动。 ( 3 ) 立体纯塑性弯曲阶段 当弯曲件的相对弯曲半径很小时，由于变形程度很大，可近似地认为塑性变 形已扩展到了整个横剖面。此时径向应力与宽度方向应力不能忽略不计，材料的 任意一点均处于立体应力状态。 1 2 1 2 矩形管弯曲结构形式 矩形管的弯曲结构形式有两种，如图1 2 所示，一种是沿矩形管宽面的弯曲 形式，通常称着e 弯曲( 简称e 弯) ；一种是沿矩形管窄面的弯曲形式，通常称 着h 弯曲( 简称h 弯) 。本文主要对薄壁矩形管弯曲结构形式中的沿矩形管宽面 的弯曲形式( e 弯) 进行研究。 ( a ) e 弯曲( b ) h 弯曲 图l - 2 矩形管弯曲结构形式 1 2 1 3 绕弯成形分类 1 1 - 1 2 】 按照弯曲时加热与否，可以分为冷弯和热弯两种。 按照其工艺特点，又可分为无芯绕弯( 如图1 3 ) 和有芯绕弯( 如图1 - 4 ) 两种。 3 西北丁业大学- r = 学硕士学位论文 图l 一3 无芯绕弯 l - 弯曲模2 - 镶块3 夹块4 - 管坯 5 - 压块6 - 防皱块 图l - 4 有芯绕弯 1 弯曲模2 - 镶块3 - 夹块4 管坯 5 芯头6 压块7 - 防皱块8 芯棒 按照弯曲加工的机械程度，绕弯可以分为手工绕弯( 如图1 5 ) 和弯管机绕 弯( 或数控绕弯，如图1 6 ) 两种。本文所研究的绕弯成形主要是在弯管机上实 现的数控有芯绕弯成形。 图1 5 手工绕弯 l 一平台2 - 管坯3 - 定模 4 杠杆5 滚轮 图l - 6 弯管机绕弯 l - 管坯2 壤块3 弯曲模4 弯管机 5 芯棒6 - 压块7 - 夹块 1 2 2 薄壁矩形管绕弯成形特点及成形缺陷 1 2 2 1 薄壁矩形管绕弯成形特点 由于薄壁薄壁矩形管绕弯成形是一个涉及材料非线性、几何非线性及边界条 件非线性等多因素影响的过程，而且各因素之间还可能出现相互耦合作用，因此 绕弯成形过程相当复杂，导致其成形过程具有一下特点： ( 1 ) 成形过程复杂，理论解析难点多。薄壁矩形管绕弯成形过程中应力中 性层和应变中性层都会发生内移，和板料弯曲一样弯曲后应变中性层和应力中性 4 鲮 k 、 第一章绪论 层不重合，由于鲍辛格尔效应【1 3 】，使应变分析变得复杂：截面畸变改变了截面惯 性矩，并影响了应力、应变状态的分布。由于应力、应变状态的复杂性，理论解 析中不得不作很多假设，应力与应变中性层重合、材料各向同性、平面假设和忽 略摩擦的影响等，使理论模型的应用受到限制。 ( 2 ) 影响因素多，模具结构复杂。薄壁矩形管弯曲模具包括：弯曲模、压 块、防皱块、芯棒和夹块等组成。弯曲成形时需要多种模具的协同作用和严格配 合，任何一部分配合不良，就会对弯曲过程中管坯的应力应变发生巨大的影响， 造成管件失稳起皱、拉裂、折叠等严重的缺陷产生，轻者使零件报废，重者破坏 模具【1 4 1 。 ( 3 ) 薄壁矩形管绕弯成形主要是依靠中性层内、外层纤维的缩短与伸长而 实现的，故切向应变、切向应力为绝对值最大的主应变、主应力。弯曲成形时， 切向应力、切向应变由弯曲中性层外侧的拉应力、拉应变逐步过渡到弯曲中性层 内侧的压应力、压应变，如图1 7 所示。 图1 7 矩形管截面内切向应力、切向应变分布规律 1 2 2 2 薄壁矩形管绕弯成形缺陷 由于薄壁矩形管结构的特殊性，弯曲成形时应力、应变状态复杂，易产生失 稳起皱、折叠、扭转、截面畸变和拉裂等成形缺陷，如图l 一8 所示。 ( a ) 起皱( b ) 折叠( c ) 扭曲变形 5 西北t 业大学t 学硕士学位论文 ( d ) 截面畸变( c ) 拉裂 图1 - 8 矩形管弯曲常见的成形缺陷 ( 1 ) 失稳起皱( 图1 8 ( a ) ) ：处于中性层以内的两侧壁及工作在压缩区域 的内侧，该区域内的金属材料属于内向型流动，管壁容易向外凸起，极易起皱。 ( 2 ) 折叠( 图1 8 ( b ) ) ：当扭曲或者起皱严重时，截面的弯曲刚度减小， 引起了这种缺陷。 ( 3 ) 扭曲( 图1 8 ( c ) ) ：扭曲出现的原因是管的截面对弯矩具有反作用， 在压缩区域发生凹面扭曲，同时，管的伸长区域承受凸面扭曲。 ( 4 ) 截面畸变( 图1 8 ( d ) ) ：处于中性层以外的两侧壁及工作在拉伸区域 外壁，该区域内的金属材料属于外向型流动，管壁伸长，极易凹陷，一般多发生 在外圆弧的中间部位。当薄壁矩形管弯曲变形过大时，处于中性层外侧的金属就 会因为过度拉伸而发生失稳凹陷现象，从而导致塌陷缺陷的产生。 ( 5 ) 拉裂( 图1 8 ( e ) ) ：这种缺陷出现在中性层外侧的拉力区域，是拉应 力超过了材料的变形极限引起的。 1 3 薄壁矩形管弯曲成形研究现状 近年来，国内外科技工作者在薄壁矩形管弯曲成形方面的研究已取得了一些 进展。由于材料性能是影响数值模拟精度的关键影响因素之一，因此在对薄壁矩 形管弯曲成形过程中失稳起皱进行模拟研究时，必须首先掌握薄壁矩形管材料的 基本力学性能。在这一研究领域，l a d e m o 等人【1 5 1 对铝合金a a 6 0 6 3 t 1 和 a a 7 1 0 8 - t i 板材进行了单向拉伸试验，获得了板材不同方向的上屈服应力和厚向 异性指数。fp a u l s e n 等人【l6 】研究发现，即使材料相同，挤压后的型材厚度和截 面形状不同，基本力学性能存在较大差异；不同热处理状态，性能差异更大。 t r y l a n d 等人【”1 研究证实了fp a u l s e n 的结论，但发现在同一根型材不同侧壁、沿 型材长度方向不同位置取试样，力学性能差别不大。由此可以得出，挤压型材力 6 第一章绪论 学性能不具有通用性，要获得薄壁矩形管材料准确的力学性能数据，需要对具体 的管材进行试验研究。 文献 1 6 ，1 8 采用实验和理论分析相结合的方法研究了纯弯曲下的起皱行 为，比较了不同材料、不同截面形状型材的起皱行为的差异。d k e c m a n 等人 u g 利用实验和理论分析的方法研究了矩形截面管和方管弯曲过程中的凹陷缺陷， 并验证了理论与实验的一致性。坂木修次等人1 2 0 j 对铝合金a 6 0 6 3 s - o 和 a 6 0 6 1 s o 方管绕弯过程的变形和成形极限进行了实验研究，分析研究了刚性弧 式芯棒在抑制起皱和横截面畸变及提高成形极限方面的作用，结果表明横截面的 畸变主要表现为受拉侧及受压侧翼板的塌陷和侧壁处辐板的胀大。l i 和r e i d l 2 l j 研究了矩形截面管材和板材起皱之间的联系。e c o r o n a 和s p v a z e1 2 2 1 采用实验 和理论相结合的方法对矩形截面型材进行了分析研究，详细地分析了弯曲过程中 塌陷和起皱行为。j e m i l l e r 等人【2 3 】对铝合金矩形截面管拉弯成形过程进行了实 验研究，分析了摩擦，拉力和压力对截面畸变，回弹和净伸长的影响。fp a u l s e n 等人采用能量法和塑性形变理论分析了方形管弯曲成形过程中局部后屈曲和 内凹，并得出了宽厚比和截面的宽度是影响起始屈曲和局部变形的主要参数。j e m i l l e r 等人 2 5 1 假设管形状和载荷沿长度方向不变，提出了一个适用于挤压铝合金 矩形管拉弯的二维模型，采用该模型研究了拉伸、内压及摩擦等因素对回弹的影 响，证实了管中充压对回弹的影响很小。文献 2 6 - 2 7 基于能量法提出了预测单、 双室矩形管纯弯曲过程中横截面变形的解析模型，并对该模型进行了实验验证。 吉田正敏等人1 2 8 】采用能量原理对中空矩形铝管的弯曲起皱进行了能量预测，得到 了受压区弯曲起皱的临界应力值。文献 2 9 - 3 0 采用二维刚塑性f e m 对方管绕弯 过程进行了分析，获得了截面形状的变化规律。h o n gz h u 等人【3 i 】假设在铝合金 矩形管拉弯时管截面不发生变形的条件下，对其拉弯成形过程中的回弹进行了研 究，提出了复杂的闭环控制算法，但拉弯时管截面不发生变形的假设与实际不符。 t w e l l o 等人【1 8 】采用弹塑性有限元软件隐式a n s y s 5 0 模拟分析了铝合金 单、双室矩形截面管的绕弯过程，研究了弯曲半径和摩擦对外侧翼板的塌陷和回 弹的影响。文献1 3 2 采用有限元软件m a r c 5 2 对挤压铝合金单、双室矩形截面 管的绕弯和拉弯过程进行了三维弹塑性数值模拟，研究了材料，工艺及模具参数 对成形过程的影响，结果表明翼板的等效宽厚比是影响截面局部畸变的主要因 素，采用预拉工艺能减少起皱和回弹，减少应变硬化指数和增大轴向力有助于回 弹的减小。a r i l dh c l a u s e n 等人【3 3 】采用商用软件l s - - d y n a 对铝合金矩形管拉 弯过程进行了有限元分析，得出矩形管弯曲过程中的截面变形主要是由几何参数 控制。n o a h u t s u m i 等人【3 4 l 提出了防止铝合金挤压方管弯曲过程中缺陷产生的措 7 西北t 业大学t 学硕十学位论文 施，并用实验和数值模拟进行了研究，得出方管中带内肋可提高其成形的稳定性。 国内科技工作者对薄壁矩形管弯曲成形过程的研究主要偏重于针对某一具 体零件进行弯曲工艺分析与模具设计，对于薄壁矩形管弯曲过程的成形规律和成 形机理的研究较少。夏常平【3 5 】基于生产实践的经验，对薄壁矩形管弯曲的管壁变 形进行了分析，并提出了简易的计算方法，为修正弯曲模具设计提供了依据。贾 俐俐和高锦张1 3 6 】在型材弯曲过程中采用多层薄钢板作为带状芯棒，有效地消除 了截面畸变。徐邦杰，朱德范1 37 j 对方管弯曲时的应力应变作了分析，介绍了薄壁 方形钢管小曲率半径零件的弯曲工艺试验，给出了一种实用的高效率、低成本的 弯曲工艺及其模具结构。李会来口司分析了薄壁方管在较小弯曲半径下弯曲工艺的 特点，设计了方管弯曲模具。但弯曲精度低，只适合普通要求精度不高的弯曲件 生产。刁可山等人 3 9 1 对铝合金6 0 8 2 ( t 5 ) 矩形中空截面挤压型材的基本力学性 能进行了实验研究，建立了6 0 8 2 ( t 5 ) 铝合金挤压型材拉弯成形极限图。文献 【4 0 - 4 3 对铝型材拉弯成形进行模拟研究，分析了工艺参数对铝合金型材截面畸变 和回弹的影响，以及不同截面形状抵抗拉弯成形时截面畸变的能力。文献【4 4 】采 用有限元数值方法对薄壁矩形管绕弯成形过程进行了数值模拟研究，分析了工艺 参数对薄壁矩形管绕弯过程中截面畸变的影响规律。 综上所述，国内外科技工作者对矩形管弯曲过程进行了不同程度的研究，国 外科技工作者对该过程的研究相对要系统一些，但也只是对某一侧面的研究，而 且针对薄壁矩形管绕弯成形过程的研究较少，至于对该成形过程中失稳起皱产生 机理和预测控制的研究则几乎未见报道。国内在该领域的研究，或是针对具体的 弯管件进行工艺分析，或是针对某一具体零件设计了专用工装，不具有普遍性； 主要靠技术人员的经验和大量的实验，成本高，效率又低，远远不能满足国防工 业和通讯技术发展的要求。采用理论解析与有限元模拟相结合的方法研究薄壁矩 形管弯曲成形过程中失稳起皱现象，可以同时兼顾计算效率和计算精度两方面的 要求。因此，基于对薄壁矩形管材料本构模型进行试验研究的基础上，建立薄壁 矩形管绕弯成形过程的合理有限元模型和失稳起皱预测模型，对薄壁矩形截面管 的弯曲成形过程中失稳起皱进行系统深入的研究，进而揭示起皱规律，提出解决 薄壁矩形管绕弯成形过程中失稳起皱的有效措施。不仅在薄壁矩形管弯曲成形工 艺理论方面具有重要价值，而且对薄壁矩形管弯曲成形加工技术的实际应用和进 一步发展也具有重要的实际意义。 8 第一章绪论 1 4 选题背景及意义 管材塑性加工是以管材为毛坯，通过各种塑性加工手段，制造管材零件的加 工技术【4 5 1 。由于其能够实现塑性成形产品的轻量化和强韧化，并能满足低耗高效、 环境友好及精确制造等方面的要求，已成为现代塑性加工技术的重要组成部分， 也是先进塑性加工技术面向2 l 世纪研究与发展的一个重要方向1 2 5 j 。 随着航天、航空、汽车和高技术产业，尤其是雷达和通讯技术的发展，薄壁 矩形管弯曲件由于具有重量轻、吸振力强、介质流通量大、信号损耗小等一系列 优良性能而应用越来越广泛。因而发展薄壁矩形管弯曲成形先进理论与技术已迫 在眉睫。薄壁矩形管弯曲成形与板材弯曲加工相比，虽然从变形性质等方面看非 常相似，但由于薄壁矩形管材具有空心、壁薄等特点，使得薄壁矩形管弯曲成形 与板材弯曲加工在工艺上存在较大的差别，在弯曲过程中缺陷的形成与防止措施 等也与板材的弯曲加工不完全相同。薄壁矩形管弯曲成形时容易产生失稳起皱、 截面畸变、回弹、拉裂等缺陷。这些缺陷严重地阻碍着薄壁矩形管弯曲成形技术 的发展；其中失稳起皱是影响薄壁矩形管弯曲成形质量的主要因素。研究该成形 缺陷的产生机理和掌握工艺参数对它的影响规律已成为薄壁矩形管弯曲成形技 术发展所亟待解决的关键问题。 近年来，随着计算机技术、有限元技术和现代塑性成形理论的快速发展，有 限元数值模拟法在管材精密成形过程中的应用越来越广泛，已成为2 1 世纪推动 包括矩形管弯曲成形在内的先进塑性加工技术发展的一个重要的研究方法。有限 元数值模拟法与其它研究方法相比，效率高、计算精度高、信息量大，而且还能 考虑多因相互耦合的影响，是一种可靠的研究方法，适用于精密成形过程的数值 模拟。薄壁矩形管弯曲成形是涉及几何非线性、材料非线性和边界条件非线性的 多因素耦合交互作用的复杂过程，并且经挤压得到的薄壁管材，即使是材料相同， 其厚度和截面形状不同，基本力学性能会存在较大的差异；不同热处理状态，性 能差异更大。因此基本力学性能数据的匮乏、弯曲过程中各种缺陷得不到有效控 制、以及理论与实践脱节等问题，使得薄壁矩形管弯曲成形过程的建模和失稳起 皱预测与控制成为一个富有挑战性的重要课题。 因此本课题基于对薄壁矩形管管材进行试验研究的基础上，建立符合实际的 材料本构关系，从而建立合理的有限元模型；采用a b a q u s e x p l i c i t 平台，对薄 壁矩形管绕弯成形过程进行数值模拟，分析成形参数对薄壁矩形管弯曲成形过程 中失稳起皱的影响；结合理论分析对薄壁矩形管弯曲成形过程失稳起皱进行系统 的研究，进而揭示失稳起皱产生的规律，提出防止薄壁矩形管绕弯成形过程中失 o 西北t 业大学工学硕七学位论文 稳起皱发生的有效措施。该研究不仅在薄壁矩形管弯曲成形理论研究方面有重大 意义，而且在航空、航天、通讯、雷达等领域薄壁矩形管弯曲加工的实际生产应 用中也具有重要价值。 1 5 本文主要研究内容 ( 1 ) 对铝合金薄壁矩形管的基本力学性能进行实验研究，获得准确的基本力 学性能数据，建立准确的材料本构模型。 ( 2 ) 考虑压块( 助推块) 、防皱块、夹块和接触边界条件等因素的影响，建 立符合生产实际的薄壁矩形管绕弯成形三维有限元模型。 ( 3 ) 采用a b a q u s e x p l i e i t 平台对薄壁矩形管绕弯成形典型过程进行有限元 数值模拟，分析该成形过程塑性变形区随弯曲进程的变化规律，获得失稳起皱产 生的位置及该位置随弯曲进程的变化规律。 ( 4 ) 对薄壁矩形管绕弯成形失稳起皱进行数值模拟，获得工艺参数对薄壁矩 形管弯曲过程中失稳起皱的影响规律；结合理论分析对该成形过程中失稳起皱进 行系统地研究，进而揭示失稳起皱产生的规律，提出防止薄壁矩形管绕弯成形失 稳起皱产生的有效措施。 1 0 第二章薄擘矩形管绕弯成形及三维有限元理论基础 第二章薄壁矩形管绕弯成形及三维有限元理论基础 2 1 引言 薄壁矩形管绕弯成形是一个多因素相互耦合影响的复杂非线性过程，要对薄 壁矩形管绕弯成形过程进行数值模拟，首先必须对绕弯成形过程进行理论分析， 充分地认识和理解薄壁矩形管绕弯成形过程。熟练掌握薄壁矩形管弯曲成形的基 础知识，充分了解所采用的数值模拟方法和手段。这对于建立一个既符合实际又 兼顾计算精度和效率的薄壁矩形管绕弯成形过程三维有限元模型是至关重要的。 为此，本章对建模所需要的薄壁矩形管弯曲成形基本知识和动态显式弹塑性有限 元理论进行简要阐述。 2 2 薄壁矩形管绕弯成形的理论分析 2 2 1 基本假设 薄壁矩形管绕弯成形过程中材料变形十分复杂，为对其进行理论分析，有必 要作出某些近似和假设。本节理论解析模型基于如下基本假设： ( 1 ) 不考虑体积力( 重力和惯性力) 的影响； ( 2 ) 材料均匀且各向同性； ( 3 ) 平面假设，即薄壁矩形管任意截面在绕弯成形前后均保持平面； ( 4 ) 弹塑性弯曲时应力、应变关系在拉伸区和压缩区遵循同一规律； ( 5 ) 忽略管材的截面畸变和管材与模具间的摩擦力。 2 2 2 薄壁矩形管弯曲过程分析 设薄壁矩形管坯截面的宽度为b ，高度为h ，管壁厚度为， 如图2 1 所示。 截面形心位于截面的几何中心线上，弯曲过程中的截面几何中心线的曲率半径记 为岛，模具的弯曲半径为r ，弯曲角度为8 。分析时采用双线性应力应变关系 曲线，如图2 2 所示。 l l 西北工业大学工学硕+ 学位论文 图2 - 1 薄壁矩形管截面形状图 图2 - 2 应力应变关系简化曲线 薄壁矩形管绕弯成形过程中，管坯在外弯矩肘的作用下，管坯的曲率开始 发生变化。管坯变形区内靠近曲率中心的一侧( 以后称弯曲内侧) 的材料在切向 压应力的作用下产生压缩变形；远离曲率中心一侧( 以后称弯曲外侧) 的材料在 切向拉应力的作用下产生伸长变形。在弯曲的初始阶段，外弯曲力矩较小，其在 管坯变形区内只发生弹性变形；随着外弯曲力矩的增大，管坯的内外表面首先由 弹性变形状态过渡到塑性变形状态，并随着外弯曲力矩的不断增大向中性层逐渐 发展；变形由初始的弹性弯曲过渡为弹塑性弯曲和纯塑性弯曲，不同变形阶段 切向应力盯。的变化如图2 3 所示。 图2 3 不同变形阶段管坯变形区截面上切向应力的分布 c a ) 弹性弯曲 ( b ) 弹- 塑性弯曲( c ) 纯塑性弯曲 2 2 3 薄壁矩形管弯曲成形应力应变状态分析 取管坯外侧( 拉伸区) 的任意一点a ，取管坯内侧( 压缩区) 的任意一点b ， 取管坯侧壁弯曲中性层外侧的任一点c ，以及取管坯侧壁弯曲中性层内侧的任 一点d 四个特征点为研究对象，对薄壁矩形管弯曲成形时应力应变状态进行分 1 2 第二章薄壁矩形管绕弯