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燕山大学 硕士学位论文 液压胀形汽车桥壳强度刚度及疲劳寿命分析 姓名：崔亚平 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：王连东 20050401 摘要 摘要 汽车桥壳是车辆中重要的安全件和功能件，要有足够的强度和刚度， 质量要小。液压胀形汽车桥壳是一种新工艺，试验研究发现：用液压胀形 工艺制造汽车桥壳，强度刚度高，重量轻。但是，目前液压胀形桥壳成形 过程中材料硬化的规律尚不清楚，其强度、刚度及疲劳寿命较普通桥壳提 高多少，仍没有定量的分析和系统的论证，更谈不到提供桥壳优化设计的 理论依据。因此对液压胀形桥壳强度刚度展开研究，具有重要的理论和实 际意义。 本文在桥壳缩径工艺小批量生产试验基础上，对缩径管坯进行了压缩 试验，得到了桥壳材料的硬化规律：管坯在缩径过程中材料的屈服应力提 高了7 8 O ，第一次缩径强化占总强化的8 6 6 。 以0 7 5 吨载重车液压胀形桥壳为例，对其强度及其垂直弯曲刚度进行 了理论计算和有限元分析，得到了桥壳的应力应变分布规律。 以O 7 5 吨载重车液压胀形桥壳为例，根据材料强化的修正疲劳寿命曲 线，定量的分析了材料强化与桥壳寿命及承载能力的关系：当桥壳强度提 高7 8 O ，其疲劳寿命提高为原来的9 7 9 倍：疲劳寿命相同时，其失效应 力提高5 7 7 ；疲劳寿命为国家标准8 0 万次时，其承载能力提高3 3 3 。 本文完善了液压胀形工艺理论，为液压胀形汽车桥壳的优化设计提供 了理论依据，为液压胀形桥壳应用于实际生产提供了可靠的参考。 关键词液压胀形桥壳：双向等长缩径：强化规律；疲劳寿命；静强度；刚 度；A N S Y S 鎏些奎主兰兰堡主兰垡堡苎 A b s t r a c t A u t o m o b i l ea x l eh o u s i n gs h o u l dh a v ee n o u g hs t r e n g t h ，e n o u g hs t i f f n e s s a n dl i g h tw e i g h ta st h es a f e t ya n df u n c t i o n a l p a r to fm o t o rv e h i c l e T h e s i n k - b u l g i n gc r a f ti san e wt e c h n o l o g ya n di t sa d v a n t a g e so fn oa n yw e l d i n g ， h i g h e rs t r e n g t h , s t i f f n e s sa n dm a t e r i a lu t i l i z a t i o nh a db e e nd i s c o v e r e db y e x p e r i m e n t a t i o a , H o w e v e r ，a tp r e s e n tt h er u l e so fm a t e r i a ls t r a i t t h a r d e n i n gi s n o tc l e a r ；t h ei n c r e a s ei ni n t e n s i t ya n ds t i f f n e s sh a sn o tb e e na n a l y z e d q u a n t i f i c a t i o n a l l yo rp r o v e ds y s t e m a t i c a l l y ，s a yn o t h i n go fs u p p l y i n gt h e t h e o r e t i cb a s i st oo p t i m u md e s i g n Al o w v o l u m ep i l o tp r o d u c t i o no fs i n k i n gp r o c e s s ，w h i c hi sam a s t e r o p e r a t i o ni nt h eh y d r o f o r m i n gp r o c e s sf o ra u t o m o b i l ea x l eh o u s i n g ，i sd o n ei n t h i sp a p e r T h e nt h es i n k e dt u b e s c o m p r e s s i o nt e s ti sc a r r i e do u ti no r d e rt o f i n dt h er u l eo fm a t e r i a lh a r d e n i n go c c u r r e di ns i n k i n gp r o c e s s ，w h i c hd i s c l o s e s t h a tt h ey i e l ds t r e s si n c r e a s eb y7 9 O t h eh a r d e n i n gi n 由s ts i n k i n ga m o u n t s t o8 6 6 o f t h et o t a l ； T h es t r e n g t ha n dv e r t i c a lb e n ds t i f f n e s so fa u t o m o b i l ea x l eh o u s i n ga r e c a l c u l a t e da n da n a l y z e da n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s sa n ds t r a i ni sg i v e nw h e n l o a di S0 7 5t o n T h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t e r i a l h a r d e na n df a t i g u el i f eo fh y d r o b u t g i n g a x l eh o u s i n gi sa n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l yb a s e do nt h em o d i f i e ds t r e s s - l i f ec u r v e w h e nl o a di s0 7 5t o n ：t h ef a t i g u el i f ei n c r e a s e db y9 6 9t i m e sw h e nm a t e r i a l s t r e n g t hi n c r e a s e dt O1 7 8l i m e s t h ef a i l i n gs t r e s si n c r e a s e db y5 7 7 w i t h s a m ef a t i g u el i f ea n dt h ec a r r y i n gp o w e ri n c r e a s e db y3 3 3 w h e nf a t i g u el i f e i s8 0 0 ，0 0 0t i m e s T h i sp a p e rp e r f e c t st h es i n k - b u l g i n gc r a f t ，p r o v i d e st h e o r e t i c a lf o u n d a t i o n f o ro p t i m u md e s i g n ，a n do f f e r ss o u n dr e f e r e n c e sf o ri t sr e a lp r o d u c t i o n K e y w o r d sH y d r o b u l g i n ga u t o m o b i l ea x l eh o u s i n g ；S i n k i n gp r o c e s so f I I A b s t r a c ! e q u i v a l e n tl e n g t h ；R u l eo fs t r a i n h a r d e n i n g ；F a t i g u el i f e ；I n t e n s i t y ； S t i f f n e s s ；A N S Y S l I 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 汽车桥壳是几何形状较为复杂的零件，它是主减速器、差速器、半轴 的装配基体，主要功用是支承汽车重量，并承受由车轮传来的路面反力和 反力矩，并经悬架传给车架( 或车身) 。其性能直接影响运输车辆的安全性 和可靠性，应具有足够的强度和刚度。并且要求尽量减小质量以提高汽车 行驶的平顺性。 近年来，随着成型设备及相关控制技术的发展，液压胀形技术在国外 迅速发展1 1 , 2 1 ，广泛应用于汽车制造行业。汽车桥壳由中问牙包f 异型截面) 与两端直管组成，属于回转壳体，用液压胀形工艺制造最为合理【3 】。该工 艺是指选择适当尺寸的管坯，首先进行推压缩径将其端部直径减至零件图 要求，然后进行轴向压缩复合液压胀形将中| 盲部分扩张成形。用液压胀形 工艺制造汽车桥壳，不仅制件壁厚分布合理，无焊缝，强度、刚度高，重 量轻，而且材料利用率高，节能降耗，加工工序少，加工效率高。 迄今为止，复合液压胀形相关理论的研究仍然比较缺乏，有关轴向压 缩胀形的研究主要包括成形模具的设计1 4 , 5 1 、成形工艺的设计眄q l 、成形力 的计算9 1 、成形过程的有限元模拟1 0 。2 1 等。由于汽车桥壳属于大型回转壳 体，轴向尺寸大，牙包部分最大截面当量直径与两端直管部分当量直径比 值大( 大于3 ) ，制造比较困难，难点较多，缺少相关文献报道，亟待研究。 目前本人导师正在进行液压胀形汽车桥壳的研究【l ”，并已受到河北省 自然科学基金的资助。本课题为河北省自然科学基金项目“液压胀形汽车桥 壳正负成形工艺研究”所涉及但尚未进行的工作，即进一步研究汽车桥壳强 度、刚度以及疲劳寿命的计算方法，提供减轻桥壳重量的理论依据，为桥 壳的优化设计奠定基础， 其中国外有关液压胀形桥壳工艺的研究。8 1 、国内相关试验探索以及 数值模拟方面的研究均为本论文奠定基础。 1 燕山大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 目前实际应用中的桥壳多为铸造桥壳和钢板冲压焊接桥壳。对于铸造 桥壳1 1 9 J ，虽然有较高的强度和刚度，但是质量大，铸造质量不易保证，浪 费材料和能源。而对于钢板冲压焊接桥壳 2 0 J ，虽然容易制造，重量轻，但 其加工工序较多，往往存在着回弹超差 2 ”，且焊缝质量要求高，依然浪费 材料和能源。 由于液压胀形技术具有可以减轻零件的重量、提高零件的强度刚度、 增加材科乖j 用率和降低生产成本等优点，近年来受到许多国家的普遍重视。 液压胀形工艺在国外的应用已经达到一个较高的水平，日本用液压胀形技 术试制出轻型汽车桥壳 5 , 2 2 。2 4 】。目前，国内用液压胀形工艺制造汽车、飞 机等机械零件尚处于起步阶段，吉林大学李扔教授、燕山大学王连东教授 等人正在研究液压胀形汽车桥壳，并己初步取得一些研究成果【2 5 射，前届 硕士研究生赵石岩进行了液压胀形桥壳成形的数值模拟f 2 。 目前，关于桥壳强度的研究文献较多。一般是利用力学分析方法，计 算危险截面的强度和刚度3 0 3 4 1 。随着计算机的普及和发展，有限元方法也 越来越多的应用到汽车桥壳的性能分析中。有的研究者用A L G O LF E S 对 转向驱动桥桥壳进行静强度分析，用桥壳危险截面的应力值日5 】进行强度校 核；有的研究者利用A N S Y S 对后桥壳进行强度刚度分析，综合考虑各种 工况，给出后桥壳的应力分布3 6 饿】；有的研究者对驱动桥壳进行强迫振动 分析 3 9 , 4 0 。 目前关于桥壳疲劳寿命的研究，有的研究者基于M i n e r 线性累积损伤 理论对其进行疲劳可靠性分析计算 4 H 3 】；有的研究者结合试验所测载荷 谱，估算桥壳寿命】：有的研究者利用有限元方法对桥壳寿命进行分析m J 。 现有的研究文献考虑的都是传统方法成形的桥壳，有关液压胀形桥壳 性能分析的文献仍未见报道。液压胀形桥壳的基本性能如何，尤其是其强 度、刚度、疲劳寿命如何，以及如何考虑桥壳成形过程中的应变硬化【4 6 “1 ， 尚没有成熟的理论论证。在液压胀形桥壳投入实际生产前，即在其试验和 试制阶段利用有限元模拟技术对其进行性能分析将有很大意义。 2 第1 章绪论 1 3 数值模拟的应用 近年来，各国工业研究所及大学实验室对液压胀形工艺的探索和研究 使得该项技术深入发展 4 ” I ，但关于液压胀形桥壳性能的研究基本上处于 试验研究阶段，通过数值分析方法揭示成形产品的基本性能，确定合理的 工艺参数，将极大地降低该工艺的开发时间及成本。 随着计算机与数值计算技术的蓬勃发展，各种先进的计算机辅助分析 C A A ( C o m p u t e r A i d e d A n a l y s i s ) 方法应运而生，并已出现成效口”。计算机辅 助工程C A E ( C o m p u t e rA i d e dE n g i n e e r i n g ) 技术主要包括两部分：分析部分 和改进部分，C A A 是其中最重要的部分之一。有限元法和优化技术是两个 主要的数值模拟和数值计算工具。目前应用于变形和应力研究的数值方法 有：经验分析法。有限单元法，有限差分法和边界单元法。有限元法 F E M ( F i n i r eE l e m e mM e t h o d ) 把所考虑问题的区域离散化为若干个单元或 网格，问题的控制方程在区域上采用全部满足或部分满足边界条件的函数。 有限元法作为一种数值方法，有着广泛的应用价值。 C A A 是利用计算机辅助工程技术人员完成对零部件乃至整个产品的 性能特点的数值计算分析1 5 5 1 ，以及其它复杂的科学技术计算。将C A A 应 用到汽车工业，其典型的应用包括：产品的变形分析胪“、应力强度分析、 疲劳分析、共振分析、空气动力学分析等。它可以在汽车新产品的设计、 开发前，利用大型有限元分析软件如A N S Y S 、M A R C 、D E F O R M 、 L s D Y N A 、A U T O F O R M 等对产品进行分析计算，以便合理的选择材料， 根据计算结果合理的布置产品的结构、尺寸，合理的分析受力状况，绘制 产品内部各点的应力曲线及应力渲染图，分析变形形式，对新产品的研制 提供可靠的改进意见，并进一步对改进后的部件进行分析，达到优化设计 的目的。C A A 能够对产品的变形情况及寿命进行预测，大大缩短产品的开 发时间和减少开发成本。现在利用有限元方法对成形产品进行数值分析和 计算已成为汽车工业利用C A E 的又一大发展方向，成为理论分析和研究的 重要验证手段。 大型有限元分析软件A N S Y S t 5 7 - S g l 是融结构、热学、流体、电磁、声 燕山大学工学硕士学位论文 学于一体的大型C A E 通用有限元分析软件，可以广泛地应用于铁道、航空 航天、机械制造、汽车交通、国防等一般工业及科学研究。A N S Y S 软件 主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。其建模能 力强，几何模型可以转换，自由的划分网格，灵活方便的施加边界条件以 及强大的求解能力和后处理功能。A N S Y S 能够进行结构静力学分析、结 构动力学分析、结构非线性分析、运动学分析、热分析、流体动力学分析、 声场分析、电磁场分析、压电分析、多物理场耦合分析和优化设计等。而 且利用A N S Y S 专用的疲劳分析软件模块F E S A F E 可以实现在各种材料模 式( 如多线性弹性、超弹性) 下对产品进行长期载荷作用的变形和失效研究。 图1 1 为A N S Y S 软件分析的基本过程。 图1 1A N S Y S 基本分析过程 F i g 1 1 T h ep r i m a r yp r o c e s so f a n a l y s i s 强度和刚度以及疲劳寿命是桥壳重要的基本性能。在以往的桥壳生产 中，其经验性、试验性、反复性很大。运用A N S Y S 软件，通过对桥壳模 型施加约束和载荷等外部条件来模拟桥壳真实的应力情况，分析其强度刚 度是否达到要求；它还能够分析随时间变化的载荷，如交变载荷。汽车桥 4 第1 章绪论 壳在工作中处于集中载荷、循环载荷作用下，在液压胀形桥壳这种新产品 投入实际生产前对其进行初步的疲劳分析是非常必要的这种疲劳分析仅 需要考虑主要的外界条件，分析结果却具有很大参考价值。 本文利用计算机模拟技术，在前期试验基础上，分析液压胀形桥壳的 强度、刚度状况，并预测其寿命和承载能力，为桥壳优化设计( 将原始管坯 的壁厚与桥壳强度、剐度以及疲劳寿命相联系，达到桥壳性能与成本的最 佳配置) 奠定基础。 1 4 液压胀形桥壳性能分析存在的主要问题 f 1 ) 需要进一步深入研究管材的成形机理，研究管材在成形过程中材料 硬化的规律以及对桥壳基本性能，如强度、刚度以及疲劳寿命的影响。 ( 2 ) 关于液压胀形桥壳的基本性能，如桥壳的强度、刚度，以及应力、 应变分布规律等关键问题仍没有进行定量的分析和系统的论证。 ( 3 1 前期试验证明液压胀形桥壳寿命较高，只凭试验摸索研究不仅成本 太高，而且不能提供桥壳优化设计( 如减轻桥壳重量) 的理论依据。 1 5 本文主要研究内容 本文以大型有限元化分析软件A N S Y S 为工具，在试验的基础上，以 某一0 7 5 吨载重车液压胀形桥壳为例，分别对其强度和刚度以及疲劳寿命 进行了分析。 n ) 对液压胀形汽车桥壳进行成形的数值模拟，以此为基础建立进行桥 壳性能分析的有限元模型。 ( 2 ) 对液压胀形汽车桥壳缩径工艺进行小批量生产试验，并在此基础上 对缩径管坯进行压缩试验，从而获取桥壳材料硬化的规律，定量证明桥壳 许用强度的提高，为后继分析奠定基础。 f 3 ) 在前期实验基础上，对液压胀形桥壳强度、刚度进行分析，得到其 强度刚度的分布规律。 f 4 1 在前期试验基础上，根据修正的材料疲劳寿命曲线，利用有限元分 析软件A N S Y S 对液压胀形桥壳的疲劳寿命和承载能力进行估算。 5 燕山入学工学硕士学位论文 上述工作有助于液压胀形汽车桥壳新工艺的进一步完善和发展，为桥 壳进一步优化设计提供理论依据，并为生产实践提供可靠的参考。 6 第2 章液压胀形桥壳成形的数值模拟 第2 章液压胀形桥壳成形的数值摸拟 2 1 液压胀形成形方法简介 液压胀形成形汽车桥壳是指，选择适当的管坯，首先通过机械缩径将 其端部直径减至零件图要求，然后进行轴向压缩复合液压胀形将中间部分 扩张成形。与传统成形方法相比，液压胀形汽车桥壳的材料利用率高，节 能、省材，加工工序少，加工效率高，易实现机械化、自动化。这种工艺 成形的桥壳壁厚分布合理( 两端缩径部位的壁厚增加，中间胀形部位的壁厚 减薄) ，尺寸精度高，并且材料在成形过程中发生了加工硬化，提高了桥壳 强度，是一种很有发展前途的加工工艺方法。 2 1 1 缩径工艺 缩径是使管坯通过锥形凹模以减小其外径的成形方法。在缩径成形过 程中，可以把管坯划分成传力区、变形区和已变形区。传力区在稳定变形 过程中不产生明显塑性变形，它将模具作用力传递给变形区。变形区在变 形过程中产生显著的塑性变形，使变形管坯的形状逐渐转化成为零件所要 求的形状。已变形区则是已经经历过变形的部分，它形成了零件所要求的 形状。 液压胀形汽车桥壳的缩径工艺采用自由式推压缩径1 3 】。缩径时管坯中 间待胀形部分被导向块夹紧，两侧的锥形凹模向中间推进，管坯两端部分 直径被缩小。如图2 1 所示。 2 1 2 液压胀形工艺 液压胀形技术是一种冷成形技术【2 5 1 ，是指采用液体( 水、乳化液或油) 作为传力介质使壳体在液体压力作用F 产生纬向扩张的方法p 。液压胀形 多用于生产表面质量和精度要求较高的复杂形状零件，由于液体压力便于 控制，特别适用于大、中型零件成形。 7 燕山大学工学硕士学位论文 1 ，7 推进缸2 ，6 缩径一】模3 导向块4 初始管坯5 缩往后管坯 图2 - 1 汽车挢壳端部缩径 F i g ，2 - 1S i n k i n gb o t he n d so f t u b u l a rb l a n ko f a u t o m o b i l ea x l eh o u s i n g s 液压胀形汽车桥壳采用复合液压胀形工艺，其工艺中采用滑动式液压 胀形模具，其结构原理图如图2 2 所示。在液压胀形过程中，滑动模具与 管坯同时向中央胀形部分运动，管坯与模具之间没有相对滑动，即使待胀 形的部分较大，轴向压缩力亦会有效地作用于欲胀形部位上，相应地可以 完成较大的胀形变形。 1 导向块2 滑动模具3 卺封器4 控制模 图2 - 2 复合液压胀形结构原理图 F i g 2 - 2 C o n s t r u c t i o n a lp r i n c i p l eo f c o m p o u n dh y d r a u l i cb u l g ef o r m i n g 2 2 桥壳有限元模型的建立 由于驱动桥壳形状复杂，故难以运用经典力学的方法对其性能进行精 确分析。过去常采用简化并结合经验的方法，显然这样的分析计算是粗略 的，本文运用有限元法对液压胀形桥壳的基本性能进行了较详细的研究。 R 第2 章液压胀形桥壳成形的数值模拟 计算模型的精确性和经济性般是相互矛盾的。因此在建立模型时， 要根掘工程问题的具体要求，在保证计算模型准确性的基础上兼顾经济性。 由于桥壳体的结构左右对称。所以采用整体桥壳的1 2 作为有限元计算的模 型。在不影响计算的前提下将驱动桥壳体局部略作简化。桥壳的有限元模 型是经过原始管坯的三次缩径和两次胀形的有限元模拟继承过来的。这就 使桥壳模型跟其成形过程紧密地联系起来，而且其几何形状与成形的真实 桥壳非常相近，提高了数值模拟的可靠性。 2 2 1桥壳缩径的数值模拟 ( 1 ) 缩径工艺初始管坯的几何尺寸如下：直径d o = 咖8 9 1m m ，壁厚 ，o = 4 5m m ，长度o = 8 3 0m m ，中间胀形部分长3 2 0m m ，端部缩径部分长度 2 。= 2 5 51 T I F O 。管坯经三次缩径减至零件图要求，缩径后管坯外径分剐减 至毋7 6 1 T l n l 、毋6 6 I T I I T I 和毋6 0 r a i n ，工艺流程如图2 3 所示。 ，。!：!，f!、，一 图2 - 3 汽车桥壳缩径工艺 F i g , 2 3S i n k i n gc r a f to f a u t o m o b i l ea x l eh o u s i n g s 但) 定义材料属性管坯选A 3 无缝钢管( s o 0 5 5 ，P 0 ，0 4 5 ) ，其力 学性能为：屈服极限盯。= 2 6 7 8M P a ，强度极限db = 4 4 9M P a ，单向拉伸的 均匀延伸率6 ：3 0 ，弹性模量E = 2 1 0G P a ，泊松比= 0 2 8 ，材料密度 P = 7 8 9g c m 3 。假定材料性能在模拟过程中不随温度变化。使用多线性等 9 燕山大学工学硕士学位论文 向强化模型来表示塑性时的应力应变关系，如图2 4 所示，应力单位为 G P a 。 一1 ， 应变 图2 4 定义材料特性 F i 昏2 4D e f i n i n gm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c ( 3 ) 划分网格及摩擦系数的选取设定管坯模型轴向为Y 轴方向，径向 为x 轴方向。用大应变平面单元P L A N E 4 2 对管坯进行网格划分。由曲线 分别描述的三次缩径所需模具定义为刚体，并在缩径过程中施加所需位移 载荷。由于初始管坯表面粗糙度较大，根据经验，选取第一次缩径摩擦系 数为0 。1 7 ，第二次和第三次缩径摩擦系数取0 ，1 5 。其模型的网格划分如图 2 5 所示。 图2 - 5 管坯缩径有限元模型 F i g 2 - - 5 T h ef i n i t e - e l e m e n tm o d e lo f t u b es i n k i n g ( 4 ) 旌加边界条件管坯模型最左端为对称面，故在对称面节点上施加 对称约束；管坯待胀形部分外表面有导向块夹紧力作用，无径向位移，故 此区域节点约束其x 方向位移；模拟过程中管坯固定，分别给模具施加位 移载荷来模拟实际加载过程，其边界条件如图2 - 6 所示。 1 0 第2 章液压胀形桥壳成形的数值模拟 图2 - 6 有限元模型中的边界条件 F i g 2 6B o u n d a r yc o n d i t i o n so f f i n i t e - e l e m e n tm o d e l ( 5 ) 模拟结果管坯经三次缩径之后，其几何形状达到工艺要求，如图 2 7 所示。从左至右依次为第一次、第二次、第三次缩径后的管坯。三次 缩径之后管坯长度符合要求，缩径部分的厚度变为5 6m m 。 - 图2 - 7 缩径模拟结果 F i g 2 - 7 R e s u l t so f t u b es i n k i n gs i m u l a t i o n 图2 8 分别给出了三次缩径管坯变形区的等效应力分布情况。图中应 力单位为G P a ，后文数值模拟图中出现的应力单位均与此相同。从图2 8 可 以看出，管坯内部轴向应力分布极不均匀。在缩径管坯变形区的大部分范 围内，管坯内部应力沿径向逐渐变化，管坯内表面为压应力，外表面为拉 应力。三次缩径的最大应力都超过了材料的弹性极限，说明管坯在缩径过 程中产生了塑性变形。 l - 。，5 。c 2 _ 1 5 口控D - 1 0 ，1E = 2 踮r 1 。 让96 。4 5 ”p 帅 睇 ( a ) 第一次缩径 燕山人学工学硕士学位论文 ( b ) 第二次缩径 ( c 1 第三次缩径 图2 - 8 管坯锥形过渡区的等效应力分布 F i g 2 8E q u i v a l e n ts t r e s sd i s t r i b u t i o no fs u b u l a t es e c t i o n 2 2 2 桥壳胀形的数值模拟 f 1 1 胀形工艺如图2 - 9 为缩径管坯两次胀形后的成型形状及尺寸。 A A 图2 - 9 胀形工艺 F i g 2 - 9H y d r o - b u g l i n g c r a t = t A A B B 臣 ，q 第2 章液雎胀形桥壳成形的数值模拟 ( 2 ) 定义材料属性基于最终成形桥壳的几何形状及胀形过程中载荷 作用的对称性，在建立有限元模型时，仍然只需建立桥壳的一半。第一次 胀形前需对初始管坯进行缩径预成形处理，即将缩径部分二维平面有限元 模型转化为三维实体模型进行分析，其材料特性与工艺参数均相同。由于 设计到后继的相关计算，本次采用的模型考虑到了半轴套管对桥壳的作用， 所以模型中包括了半轴套管，模型中套管作为桥壳的一部分，材料特性相 同，两者相当于一个整体。 ( 3 ) 有限元模型的建立本次所用模型是在建模软件P R O E 中建立，然 后导入到A N S Y S 软件中。设定管坯模型轴向为z 轴方向。用大应变8 节 点实体单元S O L I D 4 5 对管坯进行网格划分，基于后继分析中桥壳载荷的作 用位置，模型中网格划分大小不同。由于管坯模型最右端为对称面，对称 面上节点约束其轴向位移。由曲面描述的胀形模具和控制模具定义为刚体， 在胀形过程中给胀形模具施加位移载荷，并在管坯内表面旌加相应的面压 力代表试验中的液体压力。胀形部分的管坯及模具有限元模型如图2 1 0 所 示。 图2 1 0 胀形模具有限元模型 F i g 2 10 T h ef i n i t e e l e m e n tm o d e lo f b u l g i n gt u b ea n db u l g i n gd i e ( 4 ) 胀形过程及加载路径在第一次胀形过程中，控制模固定不动，将 代表控制模的曲面上所有节点每个方向上加以约束。在胀形模具上施加相 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 应的z 向位移以提供胀形所需的轴向压缩力，在管坯模型内表面施加面压 力，初始值为3 7M P a ，随着模具轴向位移的增大，压力值有所变化，最大 值为4 0M P a ，最小值为3 0M P a ，加载路径如图2 1 1 所示。 在第二次胀形过程中，首先给控制模施加位移将其移除，然后给胀形 模具施加位移载荷，总的位移为控制模一半的宽度即2 0i n l n 。并在管坯内 表面施加相应的面压力代表试验中的液体压力，初始值为1 6 l _ P a ，随着模 具轴向位移的增大，逐渐增大到1 2 0M P a ，其压力加载过程如图2 1 1 所示。 04 s1 2 1 62 u2 42 8 3 23 6 4 0 轴向位移r a m 图2 - 1 1 胀形加载路径 F i g 2 11A d d i n gr o u t ef o rh y d r o f o r m i n g ( 5 ) 更新结果模型两次胀形之后模型几何形状如图2 1 2 所示。将第 二次胀形的模具移除，更新模型去除模型中所有应力，相当于退火。保留 了胀形之后桥壳的几何形状、网格及材料属性等基本数据。这就是本文进 行数值分析计算所需的有限元模型。 ( a ) 第一次胀形后 1 4 加=兮帅；2印帖” 室R趟 第2 章液压胀形桥壳成形的数值模拟 ( b ) 第一次胀形屙 图2 1 2 桥壳模型 F i g2 1 2 T h eM o d e lo fr e ”a u t o m o b i l eh o u s i n g 2 - 3 本章小结 本章首先介绍了液压胀形方法成形轻型汽车桥壳的两个主要生产工 艺，简单描述了其缩径和胀形的基本过程，依据此工艺要求对桥壳进行了 三次缩径和两次胀形过程的数值模拟。成彤模拟得到的桥壳，其几何形状 及基本尺寸符台工艺要求：然后以此为基础更新模型，继承r 其几何尺寸、 网格、材料属性等基本数据，建立了进行桥壳基本性能分析的有限元模型 为后继分析打下基础。 1 5 燕山大学硕士学位论文 第3 章液压胀形桥壳缩径的物理模拟 3 1 引言 液压胀形桥壳经过三次缩径和两次胀形最终成形，在此加工过程中材 料得到了强化。根据先前的理论研究以及生产实践【6 ，桥壳的危险截面位 于钢板弹簧座附近，而液压胀形成形的桥壳弹簧座附近在三次缩径之后已 成形并得到了硬化，在后续工序中弹簧座附近的桥壳在形状和材料性质方 面没有变化。因此，在计算桥壳结构材料的真实屈服应力时，可以只考虑 三次缩径之后桥壳材料的特性。 本章在桥壳缩径工艺小批量生产试验基础上，对缩径管坯进行压缩试 验，以得到桥壳材料的硬化规律及其对桥壳基本性能的影响。 3 2 缩径试验 3 2 1 缩径工艺设计 本次试验的工艺流程如图3 1 所示。管坯按O 7 5 吨微型载重车桥壳尺 一一程兰三兰兰寻 2 9 8 5 卜攀广j 旺_ 叫 卜厂- 卜_ _ 寸r r _ I 针卜一 f 一十E ， 、，。ji(1：i，一 。卓耳F 兰兰； e L LJ ：上_ ! 图3 1 缩径试验工艺 F i g 3 - 1 B r i e f d e s c r i p t i o no f t h es i n k i n gp r o c e s s 1 6 第3 覃液压胀形桥壳缩径的物理模拟 寸】：2 进行设计，试验中选用壁厚为3 l n l 的m 4 2 冷拔1 0 号无缝钢管， 通过三次缩径使两端直径依次减4 , N3 7r l l 1 、3 3i 2 i 1 、3 0m l T l 。管坯初始 长度为2 9 3 5i n r n ，中间长1 6 0r l l l i l 的部分不进行缩径，待以后胀形。首先 对部分初始管坯安排退火，其余不做处理。每次缩径工序之间不安排退火。 3 2 2 试验方案设计 3 2 2 1 模具结构及工作过程由于设备方面的因素，试验方案采用普通 液压机单边推力缩径，模具结构见图3 2 所示。下凹模2 固定在液压机下 工作台上，并通过螺钉与起定位导向作用的套简3 连接，上凹模5 通过螺 钉与压头相连，并与套简间隙配合，压头上通过螺纹安装着调节缩径长度 的顶块6 ，在Y A 3 2 3 1 5 型四柱式液压机的作用下，压头带动上凹模向下推 进，先后完成两端缩径。 1 7 内六角螺钉2 下凹模3 套筒4 管坯5 卜凹模6 顶块8 压头 图3 - 2 缩径试验装配图 F i g 3 - 2 T h ea s s e m b l yd i a g r a mo f t h es i n k i n g 3 2 2 2 主要工作部件设计 ( 1 ) 上下凹模试验模具中的主要零件如图3 - 3 所示。为了取料方便， 应使缩径后的管坯留在下凹模内，以便用液压机顶出缸顶出。设计时，上 1 7 8 7 6 5 4 3 2 l 茎坐查兰堡主兰售丝兰 凹模的过渡圆角半径R 上要比下凹模的过渡圆角半径R T 大些，以使上面的 成形力小于下面的成形力，试验中取月上宅51 1 1 t T l ，R T = 1 5m m 。 图3 - 3 缩径模具 F i g 3 3 T h es i n k i n gd i e s ( 2 ) 顶块因为上下模具的成形力不等，所以缩径时上凹模的缩径要先 于下凹模的缩径，最终导致两端的缩径长度不一样。为了避免这个问题， 在上凹模中设计了顶块6 来控制其缩径长度，当管坯上端部接触到顶块时 上端的缩径便随之结束，而下端的缩径依然继续，直到两端的缩径长度相 等，由此实现了等长缩径。每次缩径所用顶块，其高度通过工艺要求计算 得出，各不相同。 3 2 3 试验结果及分析 ( 1 ) 几何尺寸原始管坯及各次缩径管坯的几何形状如图3 - 4 所示。由 图3 - 4 可以看出，管坯的缩径变形区大致可以分为三个部分：锥形过渡部 分、均匀变形部分和端部的翘曲部分。各次缩径后管坯的几何尺寸如表3 1 所示，其几何尺寸基本满足要求，并且缩径部分管坯壁厚分布趋于均匀。 ( 2 1 表面质量试验过程中采用黄油或机油润滑。缩径部分表面光洁度 较好。 1 8 第3 章液压胀形桥壳缩径的物理模拟 图3 4 缩径后管坯 F i g 3 4 T h ed e f o r m e dt u b e s 表3 - 1管坯儿何参数的试验结果( r a m ) T a b 3 1R e s u l to f p h y s i c a ld i m e n s i o n 缩径变形缩径部分长度均匀变形部分直径翘曲部分直径均匀变彤部分壁厚 第一次 6 9 3 73 6 6 43 7 3 03 3 1 第二次 7 2 0 83 2 7 63 2 9 83 5 8 第三次 7 3 5 12 96 53 0 1 83 7 5 3 3 压缩实验 汽车桥壳两端直管部分在成形过程，原始管坯经历三次缩径得到了硬 化。在对其结构性能进行评估时，用相继屈服应力【6 l 】代替初始屈服应力， 通常认为是合理的。这样，把结构成型时材料硬化的复杂问题变成了工程 实践中易于实现的简单问题。 本文将所要研究的缩径管坯制成压缩试件，在压力机上测出平均应力 和相对伸长量，得到材料特性曲线，绘制出应力一应变曲线图，得到各次缩 径后的管坯屈服应力。 1 9 燕山大学硕士学位论文 3 3 1 试件的制备 ( 1 ) 截取试样在管坯均匀缩径部分截取高度H 为3 0m m 的圆管试件。 ( 2 ) 试件的编号根据管坯的加工过程，将取自初始管坯及三次缩径后 管坯的试件依次编组为0 0 、0 1 、0 2 、0 3 ，试件的编号见表3 2 所示。根据 缩径管坯的热处理状态将试件分为取自退火管坯试件和取自未退火管坯试 件两种，下文简称退火试件和不退火试件。序号0 1 0 4 为退火试件，序号 0 5 ，0 6 为未退火试件。 ( 3 ) 测定试件的截面尺寸用游标卡尺在试样高度中央取一处进行测 量，沿两个互相垂直的方向各测一次取其算术平均值作为以，同样在两个 相互垂直的方向各测两次管坯壁厚取其算术平均值作为“。试件的几何参 数如表3 2 所示。 3 3 2 试验的过程 本文的压缩试件在燕山大学机械制造实验室加工。压缩试验在燕山大 学建筑工程试验室J L W A W 6 0 型液压式万能试验机上进行，此试验机控制 采用微机控制电液伺服系统，最大工程压力为1 1 。力和位移均已标定。 首先把设备连接好，根据估算的最大压力选择公称压力为5 0t ，开动 机器，打开计算机进入数据采集处理系统，然后设定各种参数，其中包括 试件的外径和壁厚两个关键值，最后进行压缩。把下工作台锁紧，在其上 如垫块、敖试件、压缩，最后存储、打印。试验流程如图3 - 5 所示。压缩 后的试件如图3 1 6 矫示。 实验过程中要注意以下三点： ( 1 ) 试件要在室温下进行并且室温基本保持不变。 ( 2 1 试件要放在工作台的正中央。 ( 3 ) ：0 1 1 载应力速率控制在1 1 0M P a J s 范围内，切忌急剧加载。 3 3 3 测试结果及分析 实验中测定了4 组2 4 个试件的压缩特性曲线，为了表示方便，每组选 取一个。试验测得特性蛆线比较平滑，考虑到试件端面的加工精度和润滑 釜：童翌墨竖兰塑壹堕堡竺丝堡堡型 表3 - 2 试件的几何参数 T a b 3 - 2 P h y s i c a ld i m e n s i o no f w o r k p i e c e s ( r a m ) 几何参数 组别序号 商度h o 外轻d 壁厚 0 1 3 0 4 l7 3 29 4 0 23 04 】7 32 ，9 3 0 33 04 17 329 8 o o 0 4 3 0 4 17 329 9 0 53 04 【7 32 9 2 0 63 0 4 l7 3 29 2 0 l 3 0 3 67 132 8 0 23 03 65 633 3 0 3 3 0 3 65 5 3 ，3 6 0 l 0 4 3 0 3 67 533 2 0 53 03 63 833 2 0 63 03 67 533 8 O l 3 0 3 28 836 2 0 23 03 27 035 1 0 3 3 03 26 436 8 0 2 0 4 3 0 3 2 8 235 4 0 53 03 2 5 93 5 7 0 63 0 3 2 7 5 3 6 8 0 1 3 0 2 95 638 9 0 23 02 97 636 0 0 33 02 95 23 8 9 0 3 0 4 3 0 2 97 536 3 0 53 02 97 83 7 2 0 6 3 0 2 96 13 9 5 燕山大学硕士学位论文 图3 - 5 实验过程流程幽 F i g 3 - 5 T e s t i n gf l o wc h a r t 图3 - 6 压缩后的试件 F i g 3 - 6C o m p r e s s e dw o k p i e c e s 2 2 第3 章液压胀形桥壳缩径的物理模拟 情况，将测得的曲线前段修正得到试件的试验力位移曲线，转换成应力一 应变曲线。在有明显屈服平台的应力一应变曲线图上，屈服应力可以直接得 到；在没有明显屈服平台的应力应交曲线上，取弹性段直线与其后段圆弧 交点处的应力值为屈服应力。 3 3 3 1退火试件图3 7 为各组取自退火原始管坯试件的应力一应变曲 线；将每组试件应力一应变曲线画在同一坐标系中，如图3 - 8 所示，可以纵观 每次缩径试件的应力变化趋势；各试件的屈服应力及每组试件屈服应力的 平均值如表3 - 3 所示。 7 0 0 6 0 0 5 0 0 乏4 0 0 o R3 0 0 毯 2 0 0 1 0 0 0 000 40 0 80 1 2 应变8 0O 0 4O 0 8 0 1 20 1 6 应变c 00 0 40 0 80 , 1 201 60 2 00 0 4 0 0 80 1 20 - 1 6O 20 2 4 应变应受8 ( c ) 试件0 3 0 2( d ) 试件0 0 0 1 图3 7 各组退火试件应力应变曲线 F i g 3 7 S t r e s s s t r a i nC U F V eo f m n e a l e dw o r k p i e c e sf r o me v e r yg r o u p 2 3 姗 枷 姗 瑚 o #山=DR避 枷 枷 瑚 啪 。 盏奄R 毯 厂一 厂 登出盔兰婴主竺堡丝苎 7 0 0 6 0 0 5 0 0 室4 0 0 娄3 0 0 翅 2 0 0 1 0 0 0 00 0 40 0 80 1 20 1 60 20 2 4 应变 图3 - 8 退火试件应力- 应变曲线 F i g 3 8 S t r e s s s t r a i nc u r v eo fa n n e a l e dw o r k p i e c e s 表3 - 3 退火试件试验结果 T a b 3 - 3 T e s t i n gr e s u l to fa n n e a l e dw o r k p i e c e s 组别序导 屈服应力( M P a )屈服麻力均值( M P a _ ) 0 13 0 0 0 23 2 0 0 0 3