（材料加工工程专业论文）管材激光成形过程的数值模拟及工艺优化研究.pdf

山东大学硕士学位论文 管材激光成形过程的数值模拟及工艺优化研究 摘要 激光成形是一种利用激光束照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场 来实现材料成形的新技术利用激光成形技术实现金属管材的弯曲变形具有独 特的优势与传统的管材机械弯曲相比具有更大的柔性与灵活性。它不需要模 具和外力，生产周期短，加工成本低由于激光能量精确可控，成形精度高， 不存在起皱、回弹现象，同时也可以避免管壁的变薄和减少横截面畸变 本文采用有限元软件m s c m a r c 对管材激光弯曲成形进行了数值模拟，分 析了其成形过程和内在成形机理，研究了工艺参数对成形的影响规律在 i s i g h t 环境下实现了管材激光弯曲成形工艺参数的优化主要内容为； 利用f o r t r a n 语言编制m a r c 用户子程序f l u x 来描述热源的热流密度、 大小和运动速度，实现了沿曲线扫描的热载荷的自动加载。并充分考虑了材料 性能参数与温度的相关性对成形的影响，保证了分析的精度。 建立了管材激光弯曲成形的热机耦合有限元模型，对成形过程进行了数值 模拟分析。模拟结果表明：同板料的激光弯曲成形一样，对应于加热和冷却阶 段，管材的激光弯曲成形也分别经历反向弯曲和正向弯曲两个变形阶段。管材 最终出现朝向激光束的正向弯曲是由于加热区材料的轴向缩短和局部增厚的 综合效应，成形的机理主要表现为增厚机理 对应力应变场的分析发现，冷却后扫描路径两端位置上呈现较大的残余应 力。管材加热区产生了压缩应变，未加热区基本不产生应变或是产生小的拉应 变，这取决于具体的工艺参数加热区外表面的压缩应变比内表面的压缩应变 小。管材加热区沿厚度方向上的塑性应变分布与板料激光反向弯曲时相同，与 板料正向弯曲时相反。管材加热区与未加热区域之间形成的较大的塑性应变差 使得管材整体上产生了朝向激光束的正向弯曲。 管材的激光弯曲成形过程中，未加热区域的管材壁厚基本不变化，不会出 现机械弯曲中管材的破裂问题。但由于扫描路径的不对称，管材最终产生了偏 向激光扫描末端的轻微变形 摘要 通过对管材激光弯曲成形的有限元工艺仿真，研究了工艺参数对成形的影 响。在其它条件不变的情况下，激光弯曲角度随激光功率的增大而增大，两者 基本上成线性关系。在其它工艺参数一定的情况下，弯曲角度随扫描速度的升 高而减小，弯曲角度随光斑直径的减小而增大，弯曲角随面能量密度p ( v d ) 的 增大而增大，两者呈近似的线性关系弯曲角度随扫描包角的增大而增大，当 扫描包角为1 8 0 。时，弯曲角度达到最大，弯曲角度随扫描包角的继续增大而 减小。 将数值模拟与优化技术相结合，实现了i s i g h t 环境下管材激光成形工艺 参数的优化，使优化过程节约了大量重复性人机交互过程分别以定角度，最 大成形角度为目标，以激光功率、扫描速度、光斑直径、扫描包角等工艺参数 为设计变量，优化得到了设计变量范围内的最佳参数组合，优化效果显著。 提出了多次扫描工艺规划问题。首先以最大成形角度为目标优化得到相关 工艺参数，确定扫描次数，当成形角度接近需成形角度时，以定角度成形为目 标优化确定最终的成形工艺参数。通过不同的成形目标工艺参数优化，即可快 速准确地达到所要求的变形量 关键字：管材；激光弯曲成形；数值模拟；i s i g h t ：1 - 艺优化 山东大学硕士学位论文 s t u d yo nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dp r o c e s so p t i m i z a t i o n o fl a s e rb e n d i n go ft u b e s b s t r a c t l a s e rf o r m i n gi san 州t y p eo f m e t a lf o r m i n gp r o c e s s s h e e t sa n dt u b e st a i lb e f o r m e dc o n v e n i e n t l yd e p e n d i n gu p o nt h en o n - u n i f o r mt h e r m a ls t r e s s e si n d u c e db y l a s e rh e a t i n g i th a ss p e c i a la d v a n t a g ei nt l l b cb e n d i n g c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lt u b em e c h a n i c a lb e n d i n gm e t h o d s , l a s e rb e n d i n go ft u b e si sw r i n k l 0 8 8 a n ds p r i n g b a c k - f r e e n e i t h e rah a r db e n d i n gt o o ln o ra t e r i l a lf o r c e s 玳r 曩l u i r e d , a n dt h u st h ec o s to f t u b eb e n d i n gi sg r e a t l yr e d u c e d t h el a s e rb e n d i n go f t u b e sc a n p r e v e n tt h et u b et h i c k n e s sr e d u c t i o na n dl e s so v a l i z a 虹o no ft h eo r o s s - s e c t i o n t h e p r o p e rt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n 啪b eo b t a i n e do n l yb ym a t c h i n gl a s e rp a r a m e t e r s r e a s o n a b l y i ti se a s yt oa u t o m a t et h ep r o c e s sa n do b t a i nt h ed e s i r e dd e f o r m a t i o n t l l i sd i s s e r t a t i o ni 嘲t h ef e ms o f t w a r em s c m a r ct os i m u l a t et h el a s e r b e n d i n gp r o c e s so ft u b e sa n da n a l y z e si t s t h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e p r o c e s sp m m n e t e r so p t i 玎a i z a t i o ni nl a s e rt u b eb e n d i n gi sr e a l i z e db a s e d0 1 1t h e o p t i m i z a t i o np l a t f o r m - i s l g h t t h em a i nc o n t e n t sa a sf o l l o w s ： t h em o v i n gl a s e rs p o ti ss i m p l i f i e da sah e a t i n gs o u r c e au s e rs u b r o u t i n e p r o g r a md e v e l o p e db yt h ea u t h o ri su s e dt od e f i n et h ef l u xd e n s i t y , g e o m e t r ya n d s c a n n i n gv e l o c i t y t h e r e f o r e ，t h eh e a t i n gl o a di s e x e r t e da n t o m a f i c a i l yt ot h e r e l a t i v ee l e m e n tf a c e s t h ec u r v i n gm o v i n gm o d e lo fl a s e rb e a mi se s t a b l i s h e di n t h ef e ms i m u l a t i o n t h er e l a t i v i t yb e t w e e nm a t e r i a lp r o 删c sa n dt e m p c r a m r c si s c o n s i d e r e df u l l yt og u a r a n t e et h ea n a l y t i c a lp r e c i s i o n at h e r m o - m e c h a n i c a lf e mm o d e lo f t h el a s e rb e n d i n go f r o b e si se s t a b l i s h e d , a n dt h el a s e rb e n d i n gp r o c e s so ft u b e si sa n a l y z e dn u m e r i c a l l y , b e i n gs i m i l a rt o l a s e rb e n d i n go fs h e e t s ，d i f f e r e n td e f o r m a t i o ns t a g e sa l s oa p p e a rw i t ht h el a s e rs p o t s c a n n i n g t h ef i r s ts t a g ei s 陀v a b e n d i n gt h a ti sa w a yf r o mt h el a s e rb e a md u r i n g t h eh e a t i n gs t a g e ，t h es e c o n ds t a g ei sf o r w a r db e n d i n gt h a ti st o w a r d st h el a s e rb e a m d u r i n gc o o l i n gs t a g e a tl a s t , t h ep o s i t i v eb e n d i n gi sc a u s e db yac o m b i n a t i o no f t h e s h o r t e n i n ga l o n gt h ea x i a ld i r e c t i o no ft h et u b ea n dt h et h i c k e n i n go ft h es c a n n e d r e g i o n t h em a i nm e c h a n i s mo f l a s e rb e n d i n go f r o b e si su p s e t t i n gm e c h a n i s m a b s t r a c t t h es l r e s s s l r a i nf i e l ds h o w st h a tt h eh i g h e rr e s i d u a ls t r e s s e so c c u rn c a l t h e s t a r ta n de n do ft h es c a n n i n gl i n o t h eh e a t e d8 嘲g c n e r a t 鹤p l a s t i cc o m p r e s s i v e s t r a i n m e a n w h i l e , d e p e n d i n g0 1 1d i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r s , m a h e a t e di l l r i 强, a p p e a r sn os t r a i nb a s i c a l l yo rs m a l lt e n s i l es t a i n1 1 他a x i a le o m p r e s s i v os t r a i na tt h e o u t e rs u r f a c eo f h e a t e da 嗽i ss m a l l e rt h a nt h a ta tt h ei n n e rs u r f a c e t h i ss i t u a t i o ni s s i m i l a rt ot h ei l a v c r s eb e n d i n go fs h e e t sa n do p p o s i t et ot h ep o s i t i v eb e n d i n go f s h e e t s t h ed i f f c r e n tc o m p r e s s i v es l r a i nb e t w e e nh e a t ( x la n dt m l a e a t e d 锄麟e a l l l 沁 t l a ew h o l et u b eb e n d i n gt o w a r d st h el a s e rb e a mf i n a l l y t h ew a l lt h i c k n e s sa tt h et m l a c a t e d 糊i sb a s i c a l l yc l m g e l c s sd u r i n gl a s e r t u b eb e n d i n gp l o c ( ：s s 1 1 f i i l c t u r ep r o b l e mt h a to c c u l si nt r a d i t i o n a lm e c h a n i c a l b e n d i n gm e t h o d sc a l lb ea v o i d e d t h eb e n tt u b es l i g h t l yt i l t st o w a r d st h ee n do f e , e a n n i n gb e c a u s et h et e m p e r a t u r ea lt h es e a r m i n ge n di sl a i g h c rt h a nt h a ta tt l a o b e g i n a i n g b a s e do nf e ms i m u l a t i o n , i n f l u e n c eo fp r o c e s sp a r m c t e r so nl a s e rt u b e b e n d i n gi ss t u d i e d w h e nt h eo t h e rp a r a m e t e r sk c c pc o m t a n t , t h el a s e rb e n d i n g a n g l ea u g m e n t sw i t ht h ei n c r e a s eo f t l a el a s e rp o w e r t l a or e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m i sa b o u tl i n e a l t h el a s e rb e n d i n g 雒i g l ed 代a s 髂w i t ht h oi l l c r c a s l ，o f t h es c a n n i n g w l o e i t y m e a n w h i l e , t l a eb e n d i n ga n g l ed i m i n i s l a c sw i t ht h ei n c r o a s co f t l a ed i a m e t e r o ft h el a s e rs p o t t h eb i g g e r 哪d o m i t yl e a d st ob i g g e rb e n d i n ga n g l e t l a c b e n d i n ga n g l ee l l l a l g l 。si f t h es c a n n i n gw r a pa n g l ea u g m e n t s t h eb e n d i n ga n g l ei s l a r g e s tw h e nt h es c a n n i n gw r a pa n g l ei s1 8 0 。w h e nt h os c a n n i n gw r a pa n g l ei s o v e r1 8 0 。，t h eb e n d i n ga n g l ed e c r e a s e sw i t ht h ei n e r e a s oo ft h es c a n n i n gw r a p a n g l e i n t e g r a t i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t ht h eo p t i m i z a t i o nt c e l a n o l o g y , p r o c c s $ o p t i m i z a t i o no fl a s e rb e n d i n go ft u b e si sr e a l i z e d f o r m i n gac e r t a i na n g l ea n d f o r m i n g w i t hh i g he 丘i e i e n e y 矾r e g a r d e da so b j e c t i v ef u n e t i o mr e s p e e t i v d y , a n d d e s i g nv a r i a b l e sa l el a s e rp o w e r , s p o td i a m e t e r , s c a ns p e e d , f l c a nw r a pa n g l e a n ds o o n a c c o r d i n gt od i f f e r e n tf o r m i n gd e m a n d s t h eo p t i m u mp r o e 髑p a r a m e t e r s 躺 o b t a i n e d t h eo p t i m i z a t i o ne f f e c t sa l eg o o d a i m i n gt ot h ea c t u a ll a s e rf o r m i n g , 1 1p r o c e 鹊d e s i g nm e t h o do f m u l t is e a n r t i n g i sp u tf o r w a r d b ym c l l n so fp r o c e s sp a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nb a s e do nd i f f e r e n t f o r m i n go b j e c t s t h ed e s i r e dd e f o r m a t i o n 啪b eo b t a i n e dr a p i d l y a n da c c u r a t e l y i v 山东大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：t u b e ；l a s e rb e n d i n g ；n u m m i c 遗ls i m u l a t i o n ；i s i g h t ；p 】c 鹤s o p f n n i z a t i o n v 原刨性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：蠡拯聋 日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：重垃午导师签名僻 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 随着激光技术的成熟，激光在加工领域得到了广泛的应用。激光加工是指 激光束作用于物体的表面而引起的物体几何形状或性能改变的加工过程。激光 加工目前主要集中在激光切割、激光焊接、激光打标、激光表面改性处理、激 光打孔等【1 2 1 随着激光加工技术的不断发展，激光加工所具有的高度的柔性、 应用的广泛性和强的渗透性引起了众多学者的极大兴趣，竟相在一些传统技术 中引入激光技术，进行激光加工应用技术的探索和尝试。在以金属塑性加工为 代表的成形技术领域，如何引入激光加工以使传统的成形技术适应现代生产的 要求，也成为激励众多学者孜孜以求的重要课题。 近年来，在金属塑性加工领域，一种以激光束作为成形工具的激光弯曲成 形技术引起了工程界的关注传统的弯曲成形工艺是在外力作用下借助于模具 来实现的，由于模具的设计、制造周期长，加工费用高，较适用于大批量生产 对于小批量，结构复杂、大型工件的生产，使用传统的成形工艺必然导致成本 增加。激光弯曲成形的出现，解决了许多传统方法存在的难题，大大提高了工 作效率和加工质量，也使得激光在成形技术方面的应用发展到了一个崭新的高 度。 1 2 激光成形概述 1 2 1 激光成形的特点 激光成形是种利用激光柬照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场 来实现材料成形的新技术。通过调整激光加工工艺参数和选择合适的扫描轨迹 就能够成形任意的弯曲件、异型件和其它复杂的三维曲面等零件。与常规成形 相比，具有以下显著特点【3 - 5 j ： 激光成形为无模成形，因而生产周期短、柔性大，特别适合批量小的大 型零件生产。 第一章绪论 激光成形为非接触式成形，成形时无外力作用，因而不产生回弹变形和 由此带来的问题。 激光成形属热态累积成形，总的变形由多次扫描累积而成，而且是在热 态下进行，因此能够成形在常温下难于成形的难变形或脆性材料 透过复合成形可使板材成形为形状复杂的异形件( 如球形、柱形、锥形、 抛物面形等) 。此外，利用激光成形还可进行管件的弯曲及局部成形，在不需 辅助工具和外力条件下，就可实现圆管和方管的精确弯曲、胀形、连接等。 激光束良好的方向性和相干性使得激光弯曲技术能够应用于受结构限 制、传统工具无法接触或靠近的工件加工 在微成形方面有独特应用，可进行微小器件的微调定位和微弯曲 而且，激光成形可实现对整个成形过程的闭环控制，易于实现高精度加工 过程的自动化它对激光束模式无特定要求，能够进行成形、切割、焊接、刻 蚀等激光加工工序的同工位复合化嘲。特别是与光敏树脂固化或叠层式激光快 速原型相比，激光成形不仅能快速制作原型，而且可以直接成形工件 基于上述特点，世界上许多国家都密切注视着激光成形技术的研究进展， 并积极开展激光成形技术的专项研究，使该项技术在某些领域已开始了初步的 工业应用。 1 2 2 激光弯曲成形技术及基本原理 众所周知，热胀冷缩是金属材料固有的物理性质，当其受到不均匀加热时， 材料内部便会产生热应力。如果加热的不均匀性在材料内部引起的热应力足以 超过材料相应温度下的屈服极限，材料便会产生永久的塑性变形。因此，激光 弯曲成形技术实质上是基于材料热胀冷缩特性，以高能激光作为热源的一种热 应力塑性成形方法。如果通过改变加热参数获得合理的温度分布，从而控制材 料内部产生的热应力的大小及方向，使材料的塑性变形朝着预定的方向发展， 并最终产生所需的变形大小，这种成形方法即为热应力成形 5 , 7 1 。在实际生产 中，象火工矫形、水火弯板等都属于热应力成形技术，工人利用氧乙炔焰局 部加热钢板，通过改变焰嘴口径、火焰功率、加热速度、加热深度、水火距等 参数，使钢板产生预期的成形效果。由于这种成形技术成本低，成形质量好， 2 山东大学硕士学位论文 而且不需模具，特别适合单件小批量生产，所以现在许多现代化的大船厂依然 依靠经验丰富的技术工人用水火弯板技术进行某些船体及其部件的制造。但是 传统的火焰热源不甚集中且难以精确控制，大大限制了热应力成形技术的发展 及应用。而激光所具有的传统热源不可比拟的优点为热应力成形的发展提供了 广阔的空间，并逐渐形成了一种全新的成形技术激光弯曲成形技术。 激光弯曲成形技术的发展史不过短短几十年，在国外目前开发了不少具体 的激光成形工艺方法，已初步应用于工业生产中的工艺方法主要有板材的正反 向弯曲、型材的弯曲和空间弯曲【3 1 至于其机理的研究还正处于探索阶段，对 激光弯曲成形机理的研究非常重要，因为只有清楚成形的机理，才能确定成形 的条件，并实现对成形过程的正确控制。因此，不少学者在板料的激光弯曲成 形机理方面做了大量工作，通过实验研究的方法，采用不同的工艺参数组合， 得到了不同的变形形式。结果发现，弯曲机理与特定工艺参数下所形成的温度 场形式有关，根据板厚方向的温度分布状况分为温度梯度机理、增厚机理、屈 曲机理p 1 3 】。 温度梯度机理：( 图1 1 a ) 高能激光束沿板金属表面扫描，当光束的能量 密度较大而扫描速度又较快时，照射处被瞬间加热至高温状态，此时在加热区 的板厚方向产生很大的温度梯度。由于加热区域的热膨胀，板料产生沿扫描轨 迹背向激光源的弯曲，即反向弯曲。但是，未被加热区域抑制了反向弯曲的进 行，使加热区域受到压迫，出现材料堆积。在冷却时，大部分热量流向周围区 域，厚向温度梯度减小，光照区域回缩变硬，堆积的材料难以复原，从而使板 料又产生面向光源的正向弯曲。正反向弯曲变形的角度差即为激光束一次扫描 所形成的弯曲角。 屈曲机理：( 图1 1 b ) 当直径较大的激光束扫描热传导率高、厚度较小， 且已产生背向光束的预弯曲的板料时，在较大的加热区域内板料厚度方向的温 度梯度很小，由于周围材料的约束使加热区产生了压应力，致使板料产生局部 屈曲，由于屈曲部分的材料仍然受到激光束的照射，使其温度升高，引起材料 流动应力的降低，于是屈曲区中心的材料产生塑性变形，而此时屈曲区两侧以 及扫描路径上的其它区域依然是弹性变形。随着光束与板料的相对移动，扫描 路径上的其它区域相继产生塑性变形，当光束到达板料的另一侧时，相邻材料 3 第一章绪论 的约束降低，屈曲区两侧的弹性反向约束减小，从而使板料产生背向激光束的 弯曲变形。 增厚机理：( 图1 1 e ) 板金属表面被激光束扫描，当光束的能量密度和扫 描速度都较小时，材料在加热区的温度梯度主要表现在板平面方向。加热区材 料的热膨胀，使材料产生堆积，冷却过程中，这部分材料不能完全复原，而产 生板厚方向的正应变，即板料的增厚效应。 通过激光弯曲成形机理可以看出，激光束扫描金属板料时，不仅可使板料 产生朝向光束的弯曲，而且可形成背向光束的弯曲，这更增加了控制激光弯曲 成形的难度上述研究只是根据不同的成形条件，从宏观上定性地描述了激光 弯曲成形的不同机理，缺乏对激光弯曲成形内在规律的定量研究。管材由于其 特殊的几何形状，弯曲时存在轴向的约束，成形机理更复杂，不再是单纯的一 种机理，而是多种机理的复合，因此需要对管材激光成形的机理开展深入研究。 实际上，由于激光弯曲成形与温度场分布密切相关，如果不清楚成形过程中应 力应变等场量与温度场之间的关系，很难从根本上把握激光弯曲成形的内在规 律 蠢光束徽光束激光柬 ) ( t 。蛐) () ( 匕弋歹p e 骂 i i 念汐钐客沁 图1 1 激光弯曲成形机理 丑) 温度梯度机理o ，) 屈曲机理( c ) 增厚机理 1 3 激光弯曲成形技术研究概况 目前国内外学者针对板料激光弯曲成形，在成形机理、试验研究、工艺仿 真、解析研究等方面进行了较为全面而系统的研究。板材激光弯曲成形技术的 4 山东大学硕士学位论文 研究始于2 0 世纪8 0 年代1 9 8 6 年日本学者n a m b a 1 4 】提出应用激光成形技术 将空间站的卷状外壳展成圆筒仓体的设想。1 9 8 7 年，n a m b a 公布了他关于金 属及合金板料激光成形实验研究的论文r ”，其中作者进行了平板的v 形弯曲 1 9 8 8 年，波兰学者f r a c k i e w i e z 详细介绍了这种弯曲金属的新技术【u l 。8 0 年代 末，美国的一个研究小组己将该技术用于造船业，并成功地成形了厚度为 2 4 5 m m 的船言【1 6 1 德国学者g e i g e r 和v o l l e r t s e n 在激光弯曲成形机理阴2 】、数值模拟1 1 7 堋、 激光成形与其它加工工序复合化等方面进行了一系列工作，并已利用该技术进 行了汽车覆盖件的柔性校平和其他成形【l 喇，且对弯曲成形过程进行计算机闭 环控制，提高了成形精度。同时他们提出了一个描述激光弯曲成形过程的“双 层模型”【l l l ，将变形区的材料以中性层界分为收缩区和扩展区，考虑板材厚向 的温度和材料热膨胀率导致的力耦之间的平衡以及材料的几何守恒，研究激光 弯曲成形的机理t h o m s o n 采用板材激光弯曲成形和激光切割复合完成了汽车 车门板的成形【2 2 0 0 0 年，c h e n g 介绍了激光成形中温度场的分析模型，还利用人工神经网 络预测了板料弯曲角度等吲c h e r t 通过工艺实验和有限元模拟研究了不锈钢 薄板的激光弯曲成形【2 3 1 。h u 等对激光直线扫描平板进行了三维有限元分析， 得到了不锈钢a j s l 3 0 4 和铝在多道次扫描时的温度场变化，并对不同板厚以及 激光功率下的扫描次数与弯曲角度的关系进行了研究洲。z h a n g 则研究了玻 璃、陶瓷等脆性材料的激光弯曲规律脚l 。 国内的研究相对落后，2 0 世纪9 0 年代才开始对板材激光弯曲成形技术进 行初步研究。1 9 9 3 年国内首次发布了利用激光弯曲金属板的消息，随后李纬 民撰文对激光弯曲成形技术进行了简要介绍【2 6 】。1 9 9 7 年，西北工业大学的季 忠唧博士在对激光弯曲成形具体实施技术进行实验研究的基础上，采用自行开 发的程序对成形过程中的温度场、变形场进行了解耦分析，得到了激光弯曲成 形过程的温度场与变形场，并采用人工神经网络进行了控制激光弯曲成形工艺 参数的初步尝试。李维民采用板壳元对激光弯曲过程进行了分析，讨论了板料 厚度对成形的影响规律，提出了最小弯曲半径的概念，研究了板材厚度等对成 形的影响规律 2 8 - 2 9 西北工业大学的吴诗停教授等研究了激光能量参数、材料 5 第一章绪论 性能参数、板料几何参数等对成形的影响1 3 0 1 9 9 9 年，北京航空航天大学的 王秀风博士则通过实验方法，研究了工艺参数对不锈钢、q 2 3 5 以及钛合金板 料的激光弯曲成形的影响规律p 1 3 2 l 。山东大学管延锦系统研究了材料性能参 数，如弹性模量、屈服强度、热膨胀系数、比热、热传导系数等对成形的影响 规律。对不进行预弯曲板料经激光束扫描后，仍可产生背向激光束的弯曲变形 这一现象，用有限元方法分析了其成形过程的温度场、应变场的变化，提出其 成形机理属于屈曲机理【3 3 1 。 相对于板料激光弯曲成形，管材激光弯曲成形涉及更多的工艺参数，对设 备工装也提出了更高的要求，因此目前国内外涉及管材激光弯曲的研究很少。 1 9 9 7 年，k r a u s 3 4 开展了方形管材激光成形的有限元模拟。1 9 9 8 年，s i l v j 3 s 对不同扫描路径下方形管材的激光成形进行了实验研究曼彻斯特大学的n a o 和l i 针对管材激光弯曲成形，进行了理论解析研究和有限元研究，给出了管 材激光弯曲角度的解析表达式 3 6 3 7 。i - i s i e h 等通过实验和数值模拟方法研究了 薄壁管材激光弯曲成形的屈曲机理【弼l 。波兰科学院基础技术研究所f r a c k i e w i c z 用激光成形已先后制造出了金属管的扩口缩口、弯曲成形等，并对成形零件的 微观组织进行了初步研究p 9 4 0 3 。美国哥伦比亚大学的李文川等人针对圆管激光 成形过程中的截面椭圆化、不对称和壁厚不均匀等现象，提出了解决方案【4 i j 目前国内在管材的激光弯曲成形方面，研究的随意性比较大，只是针对管 材的弯曲做一些尝试性的实验。华中科技大学的刘顺洪等通过实验研究管状件 激光弯曲成形的机理以及成形规律，分析了工艺参数对弯曲角度的影响【4 2 】。山 东大学管延锦等建立了管材激光弯曲成形的热机耦合有限元工艺模型，对成形 过程进行了数值模拟【4 3 l 。 1 4 激光弯曲成形的数值模拟 激光弯曲成形的研究存在实验研究、理论研究和数值模拟等主要方向实 验研究通过大量的实验建立弯曲角度与各工艺参数之间的关系；理论研究则从 宏观的角度建立各主要成形参数之间的解析表达式，实现对不同工艺参数组合 下的变形形式和变形量大小的预测；数值模拟采用数值计算的方法实现激光弯 6 山东大学硕士学位论文 曲成形过程的工艺仿真，得到成形过程中的温度、应力应变、位移等场变量。 通过理论研究得到激光弯曲成形中各工艺参数的解析式固然很好，但是面 对非线性复杂边界条件，不得不进行大量简化，不仅降低了求解精度，而且有 时会面临无法逾越的障碍而随着计算数学及计算机技术的飞速发展，以离散 概念为基础的数值计算方法成为解决多变量非线性复杂边界问题不可缺少的 工具采用计算机进行地数值仿真，可以大大减少试验的工作量，降低时间和 人力物力消耗，并且可以方便的改变工艺参数，系统地探索工艺参数对成形的 作用和影响。 实现激光弯曲成形过程的数值模拟，一方面能够具体形象地表示出成形过 程中温度、应力应变、位移场等变化情况，从而揭示其成形机理及规律；另一 方面，可通过数值模拟并结合一定的工艺试验优化成形工艺参数，为生产提供 最佳的工艺参数组合同时在确定工艺参数后，可通过数值模拟预测工件形状， 校验工艺参数的选择是否合理。 4 1 激光弯曲成形温度场、形变场的数值模拟 数值计算方法有有限差分法和有限元法。德国学者g e i g o r 在1 9 9 3 年针对 激光弯曲成形开发了专用的二维有限差分软件，分析了成形过程中的温度场、 变形等【1 7 】。g c i g e r 还首先将有限元法用于激光弯曲成形过程仿真，在有限差分 分析的基础上，采用有限元分析软件a b a q u s 对板料激光弯曲成形过程分别 进行了简单分析，结果发现有限元的分析结果更接近实验结果【 】。随着有限元 理论的成熟，一些通用有限元软件( 如s y s w e l d 、a n s y s 、m s c m a r c ) 相 继出现，众多研究者均运用这些软件来模拟激光弯曲过程。g y r s a a i d i 利用 a n s y s 软件，进行了厚板的激光弯曲成形过程的数值模拟m 。h o l z c r 用自定 义的f o r l l r a n 函数模拟高斯模激光束的热流输入，采用8 节点六面体单元， 用a a a q u s 分析了屈曲机理的板料成形k r a u s 不仅做出了增厚机理的解析 模型，他还采用有限元方法对此类变形机理占主流的成形过程进行过分析，并 获取了很多实验方法难以获得的重要信息】季忠等建立了非耦合弹塑形有限 元的变形场模型【2 7 】。李纬民等人用大变形弹塑性有限元法动态模拟了板厚对弯 曲角度的影响，提出了最小相对光束半径的概念p 孵王秀风等以实验研究为依 7 第一章绪论 据。采用热机耦合非线性有限元分析方法，借助有限元软件m s c m a r c ，对薄 板激光弯曲过程中的温度场进行了数值模拟嗍。 1 4 2 激光弯曲成形的优化设计 在满足约束条件的可行域内，省时、省能、省材料并提高工件的性能是工 程领域的最优化问题。一组工艺参数，虽然能够保证工艺过程的可行性，但并 不能保证其最优，因此有必要进行工艺过程的优化设计，以期获得最佳工艺参 数组合。 v o l l e r t s e n 首次采用有限元法实现了成形过程中扫描速度的优选【i s l 。l i u 和 y 幻对给定形状的板料进行激光成形过程工艺设计，确定了一组包括激光扫描 路径、激光能量、扫描速度的参数组合嗍。季忠等人应用遗传算法与动态显式 有限元相结合，采用分步优化的方法对矩形板激光弯曲成形工艺参数进行了优 化设计，优化效果显著。随后又将人工神经网络技术引入到板料激光弯曲工艺 参数的优化中，在求解o s f 薄钢板激光一次成形最大弯曲角度的工艺参数上， 取得了较好的效果f 牡艟】。随着人工神经网络系统研究的深入，不少学者开始把 该技术应用到激光加工工艺参数优化中不过必须对神经网络进行充分的训 练，以保证解算的精度。 1 5 本课题的研究意义及主要研究内容 近年来，零件成形制造向轻量化、强韧化、高效、精确方向发展。像管材 等型材的深加工方法已成为塑性加工技术的重要发展方向。在现代工业生产 中，用管材制造的弯曲零件除大量用于气体和液体管道工程外，在船舶制造业、 锅炉及压力容器制造业、中央空调制造业、汽车工业、航空航天制造业、石油 化工、轻工等工业部门也得到广泛使用。因此管材弯曲成形研究是管材塑性加 工中备受关注并得到迅速发展的重要领域之一 传统的管材弯曲【l 加工多采用压弯、滚弯、推弯和绕弯等方法，可以批量 生产但是在管材弯曲过程中，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，以及卸载后的回弹及其控制，一直是包括管材弯曲 8 山东大学硕士学位论文 成形在内的工程界未能有效解决的技术难题，也是当今国内外塑性加工学科研 究的难点和热点随着大口径薄壁管小弯曲半径件和难变形材料管的应用推 广，上述问题日益严重。 激光成形是一种利用激光束照射材料表面时形成的内部非均匀热应力场 来实现材料成形的新技术利用激光成形技术实现金属管材的弯曲变形具有独 特的优势。与传统的管材机械弯曲相比具有更大的柔性与灵活性。它不需要模 具和外力，生产周期短，加工成本低由于激光能量精确可控，成形精度高， 不存在起皱、回弹现象，同时也可以避免管壁的变薄和减少横截面畸变 目前国内外学者针对板料激光弯曲成形，在成形机理、试验研究、工艺仿 真、解析研究等方面进行了较为全面而系统的研究相对于板料激光弯曲成形， 管材激光弯曲成形涉及更多的工艺参数，对设备工装也提出了更高的要求。目 前国内外涉及管材激光弯曲的研究很少，对涉及管材成形的基础性问题，如成 形的机理、成形的工艺控制措施、工艺参数的选择、成形缺陷的预测和防止等， 均没有深入系统地研究，没有形成一定的理论体系 激光弯曲成形技术近年来发展迅速，并在某些方面进入了初步的工程应 用。激光成形技术要走向实用，需要解决的关键问题是材料在热作用下产生的 塑性应变的可控性。能否通过预先制定的工艺作出预定形状及尺寸要求的工 件，已经成为将该技术大规模应用于实际的瓶颈同时，由于激光扫描一次产 生的变形量很小，往往经过数次激光扫描的累积才能达到所需的变形量，因而 效率高、耗能少、工艺稳定的最佳工艺参数组合及其获取方法很有意义 综上所述，进行管材激光弯曲成形的数值模拟和具体工艺优化的研究，不 仅为工艺的实施奠定理论和实践基础，而且对于促进激光成形的发展，拓展激 光成形的应用范围等具有重要的作用。本文的主要研究包括以下几个方面： ( 1 ) 建立合理的工艺仿真模型，实现管材激光弯曲成形的工艺仿真，通 过对非线性有限元软件m s c m a r c ：的二次开发进行三维热机耦合有限元计算， 研究管材激光成形过程中的温度、应力、应变、变形等场量的分布和变化规律， 从理论上把握管材成形的内在成形机理。 ( 2 ) 研究不锈钢管材激光弯曲成形规律，并分析不同工艺参数对弯曲量 大小的影响。 9 第一章绪论 ( 3 ) 建立管材激光弯曲成形工艺优化模型，选择遗传算法，采用优化软 件i s i g h t 与有限元模拟软件m s c m a r e 相结合，对管材激光弯曲成形工艺参 数进行优化，得到成形一定角度、高效成形的最佳工艺参数组合。 山东大学硕士学位论文 第二章管材激光成形有限元模型的建立及技术处理 2 1 引言 以大型非线性有限元分析软件m s c m a r c 作为工作平台，针对管材激光弯 曲成形的特点，进行二次开发，实现了其成形过程的有限元仿真。 m s c m a r c 分析系统 5 0 - 5 1 1 是由美国布朗大学应用力学教授p e d r om a r c e l 所 创立的解决复杂工程问题的主流软件不仅可进行各种线性、非线性结构分析， 而且可进行各种非结构分析、耦合场分析；既可进行各种弹性分析，又可进行 塑性成形分析；不仅可考虑常规金属的塑性、蠕变、应变率敏感特性、温度敏 感特性、各向同性和各向异性材料特性，而且可模拟非常规材料如粉末冶金材 料、塑料、超塑性金属材料以及橡胶等 m s c m a r c 软件包括m s c m a r c 与m s c m e n t a t 两部分。m s c m e n t a t 是新 一代非线性有限元分析的前后处理图形交互界面，与m s c m a r c