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摘要 异型薄壁罐气压胀形数值模拟研究 摘要 异型罐气压胀形是一种先进的加工技术，由于容易满足异型罐产 品降低成本、减少工序、减轻重量和无残留胀形介质腐蚀等优点，异 型罐气压胀形加工在近年来得到大力的发展和应用。本文详细介绍了 胀形的机理及力学特点，深入阐述了板料数值模拟技术，总结出了适合 异型罐气压胀形数值模拟技术的关键参数。采用板料成形仿真软件对 异型罐的胀压成形过程做数值模拟，目的是为生产工艺参数设定和模 具设计提供理论上的指导。 本文主要在以下几个方面做了研究： 1 通过理论公式计算和数值模拟相结合的方法，近似求取a 、b 两种罐型在t 2 b a 、t 2 5 b a 、t 3 和t 4 c a 等四种材料情况下 的胀压成形临界力，为生产选用经济适用的超高压设备提供理 论依据； 2 讨论罐体壁厚不同对胀压成形极限的影响； 3 通过对五种与b 型罐类似的异型罐做模拟，分析胀形系数不 同对成形的影响； 4 通过对三种与a 型罐类似的异型罐做模拟分析，探讨了摩擦 系数的变化对壁厚分布的影响； 5 分析胀形载荷变化与胀形载荷加载速率变化对成形过程中褶 皱的消除和壁厚分布的影响； 6 对类b 型罐t 3 材料的两种罐型，通过改变其上下凸肚连接处 浙江丁、i k 大学硕一i ：学位论文 i 摘要 的过渡圆角半径的大小做模拟分析，总结模具的过渡圆角半径 变化对壁厚分布的影响。 关键字：异型罐，气压胀形，数值模拟 浙江t 业大学硕i ：学位论文 i i a b s t r a c t a bs t r a c t b u l g i n gs h a p e dc a nb yp n e u m a t i cp r e s s u r ei sa k i n do fa d v a n c e d p r o c e s st e c h n o l o g y ，a p tt ol o w e rc o s t s ，s i m p l yp r o c e s s ，l i g h t e nw e i g h t ， a n dw i t h o u tr e s i d u ec o r r o d e i th a sg e taf l y i n gd e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o ni nr e c e n ty e a r s m e c h a n i s ma n dm e c h a n i c si nt h i sp a p e rh a s b e e nd e t a i l e d t h r o u g he l a b o r a t i n gt h es h e e tm e t a lf o r m i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，t h ek e yp a r a m e t e rt h a ts u i tt e c h n o l o g yo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f s h a p e dc a nb u l g i n gb yp n e u m a t i cp r e s s u r ei sb e e n s u m m a r i z e d a n dr u mt h ee n g i n e e r i n gs t r e s s s t r a i nc u r v eo ft h ep a r a m e t e r s i n t ot h et r u es t r e s s s t r a i nc u r v e s h e e tm e t a lf o r m i n gs o f t w a r ei sa d o p t e dt o s i m u l a t et h ep r o c e s s i n go f s h a p e dc a nb u l g i n gb yp n e u m a t i cp r e s s u r e ，a n d t h ep u r p o s ei st oo f f e rt h eg u i d a n c ef o rt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i n ga n dm o l d d e s i g n i n gi nt h e o r y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ri n c l u d ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 g e t st h ec r i t i c a ll o a d so f a ，bs t y l ec a nm a d eo f t 2 b a 、t 2 5 b a 、 t 3a n dt 4 c a b yt h e o r e t i c a lc o m p u t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， w h i c ho f f e rt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rs e l e c t i n gt h ee c o n o m i c a l s u p e r p r e s s u r ee q u i p m e n t ； 2 t h ee f f e c to f s h a p e d c a nw a l l t h i c k n e s sc h a n g i n go nl i m i to fb u l g e f o r m i n g i sd i s c u s s e d ； 浙江工业大学硕士学位论文 i i i 3 t h ee f f e c to fb u l g ec o e f f i c i e n to nf o r m i n go ff i v ek i n d so f s h a p e d c a nw h i c hs i m i l a rt om o d e lbh a v eb e e na n a l y z e db ys i m u l a t i o n ； 4 t h r o u g hm a k i n gs i m u l a t i o na n a l y s i so ft h r e ek i n d so fs h a p e dc a n s i m i l a rt om o d e lac a n ，w eh a v es t u d i e dt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t e d o ft h ew a l la c c o r d i n gt ot h ec o e f f i c i e n to ff r i c t i o nc h a n g i n g ； 5 i ti sa n a l y s e dt h a tt h ef o r m i n gl o a dc h a n g ea n dt h ef o r m i n gl o a d v e l o c i t yc h a n g ew h i c hi n f l u e n c ee l i m i n a t i o no ft h ef o l da n d t h i c k n e s so ft h ew a l li nc o u r s eo f t a k i n gs h a p e ； 6 s u m m a r i z e dt h ee f f e c to ft h ec h a n g i n gr a d i u so ft r a n s i t i o nr o u n d o ft h et w op r o t r u d i n gj u n c t i o no nt h et h i c k n e s sd i s t r i b u t e do ft h e w a l l ，b ys i m u l a t i o no f t w ok i n d so f s h a p e dc a n ( m a t e r i a l s ：v 3 ) w h i c hs i m i l a rt om o d e lb k e yw o r d s ：s h a p e dc a n ，b u l g i n gb yp n e u m a t i cp r e s s u r e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 i v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。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。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密卤，在煎年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：劲弋泳甲呀日期：舢僻月2 一日 导师签名：含 水 日期：励衫年月之日 卫、 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着人们生活水平得日益提高，人们对于产品的外形美观程度要求越来越高。 通常人们用的罐装饮料与罐装气雾剂的罐体都是直筒形，缺乏美感，也缺乏拿握 的舒适感。科学技术的迅猛发展，为制造个性化、特色化的薄壁罐产品提供了技 术基础和物质基础。目前，一种外形不同于传统直壁罐的异形罐悄然兴起【1 j 。为了 吸引消费者的目光，提高产品的附加价值，提高产品的竞争力，一些金属薄壁罐 的制造厂家纷纷从国外引进异形罐生产线，进行异形罐的生产和研究。虽然产品 己面市，但还存在一些关键问题制约着生产，有待进一步研究和探索，如成形件 壁厚分布控制，缺陷产生的机理及预防等。 与传统的冲压技术相比，气压胀形是比较先进的一种新工艺，具有降低成本、 减少工序、减轻重量和增强成形件强度、刚度和结构稳定性及无残留胀形介质腐 蚀等优点。但该工艺所涉及的许多方面都不够成熟，需要做更深入、更细致的研 究，存在一些关键技术性问题有待进一步突破，如胀形过程中材料的成形极限问 题和成形影响因素问题等。另外，以压缩气体为工作介质进行能量和信号的传递 用于工业生产，也是近十几年才发展起来，国内对它的研究还很少，不够成熟。 1 2 异型罐的发展状况和生产技术 在国外，特别是欧美一些国家如美国、法国、德国等，异型罐的应用研究比 较早、比较广泛【2 】。他们的产品在外形设计上丰富多彩、时尚美观，如图1 1 所 示；在设备上采用先进流水线进行大批量生产；在技术上采用液压或气压胀形工 艺，产品质量比较稳定；一些发达国家薄壁罐壁厚已进入超薄时代，采用0 1 2 r a m 的极薄马口铁并采用微卷封技术进行制罐；另外对空罐回收也非常重视，如德国 2 0 0 2 年废罐回收率已达9 0 以上。 浙江工业大学硕：t 学位论文 图1 一l 异型罐产品 在国内，对异形薄壁罐研究起步较晚 工艺采用传统的刚性分瓣式凸模胀堆 异形薄壁罐最早在1 9 9 7 年出现，当时 产品质量不理想，生产率受限制。近 第一章绪论 几年，国内有些厂家从国外引进生产设备和技术，并自主开发，努力进行市场、 成本、技术等多方位的探索。如三片薄壁罐的异形罐生产技术和产品，由无锡江 阴伙伴日化有限公司最先研制开发成功，并批量投入市场，但国内由于运输和包 装及技术上存在的难度，尚未形成规模生产。杭州某公司自己研发出了气压胀形 的生产设备，并且已经有异型罐的批量生产，生产设备如图1 2 所示。 1 3 胀形技术的国内外研究状况 异型罐的胀压过程其实就是一个管材的胀形过程。气压胀形和液压胀形具有 相似的工作原理，所以气压的胀形理论探索可以追溯的液压的胀形理论研究过程。 管材的液压胀形成形方法在发展过程中有着不同的名字【3 】。一般称之为管材胀 形成形( b f t ：b u l g ef o r m i n go f t u b e ) 和液体胀形成形( l b f ：l i q u i db u l g ef o r m i n g ) 。 液压成形( h p f ：h y d r a u l i cp r e s s u r ef o r m i n g ) 也被某些研究人员使用。也有制造者 将这种工艺称为内高压成形( i h p f i n t e r n a lh i 曲p r e s s u r ef o r m i n g ) 。 1 3 1胀形技术的国外研究状况 在二十世纪四十年代，g r e y 首次利用内压力和轴向压力成形了带t 型头的铜管 件【3 】。之后一些国家的研究者对薄壁管胀形中的失稳现象进行了实验和理论研究。 这些对厚壁管和薄壁管的基础性研究在当时极大的促进了液压胀形技术的发展， 人们开始研究如何将该项技术运用到生产实际中去。f u c h s 首次发表了将液压胀形 用于金属管件成形的文献。在文章中他叙述了自己对铜管进行液压胀形成形的实 验研究情况，提出了将该项技术用于实际生产的可行性。 在进行大量实验研究的同时，对液压胀形过程的理论分析也得到了快速的发 展。w o o 在假设整个管坯在胀形中都处于拉伸状态和自由膨胀的状态的基础上对胀 形过程进行了理论研究。他将通过双向应力测试获得的管材应力一应变特性用于 理论计算，并通过实验进行了验证。w o o 在他的研究中也考虑到了管材的各向异性 的特征，他采用h i l l 的各向异性理论，在考虑金属管材各向异性影响的条件下对应 力和应变进行了理论分析。 f u c h i z a w a 运用增量塑性理论对有限长薄壁管的胀形过程进行了分析，研究了 硬化指数对极限胀形高度的影响，运用基本塑性理论和薄膜理论对胀形成形的成 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 形极限进行预测，并将内压力和胀形最大管径用管材初始长度、初始管径、硬化 系数和应变硬化指数来表示。在这之后，f u c h i z a w a 基于形变理论和h i l l 各向异性理 论研究了薄壁管在只有内压力作用时，各向异性对胀形变形过程的影响。并将管 材液压胀形方法用于测定管件材料的应力应变特性，分别对铝管、铜管、铁管在 仅施加内压力的条件下进行测定。先进的测试仪器和控制系统的出现，使得胀形 过程中管材壁厚、周向半径、子午向半径及内压力的变化都能够被准确的测得， 运用薄膜理论和形变理论就可得出管件材料的应力应变关系。 t h i r u v a r u d c h e l v a n 用液体作为加压介质对轴向压缩液压胀形进行了实验和理 论研究，他利用计算机来控制实验过程和采集数据，并尝试通过优化轴向载荷的 值以获得更大的成形高度。u e d a 经过大量实验成功地用液压胀形方法加工出了各 种规格的齿轮变速箱。h a s l l i m i 和他的研究小组通过实验、数学分析和有限元法对 轴对称件和非对称件的胀形过程进行了研究【4 】。 现在，用有限元方法对液压胀形过程进行模拟己成为许多学者研究和验证理 论分析的重要手段。利用大型有限元软件如m a r c ，d e f o r m ，a u t o f o r m ，l s d 叮a ，p a m s t a m p ，a b a q u s 等对胀形过程进行模拟，能够对管件在胀形过 程中的变形情况，例如管材壁厚的过分减薄、是否有屈曲、折皱等失稳现象发生 以及管件在特定加载路径下的成形极限等进行预测，以制定出合理的加载路径， 设计出合理的模具形状。比如，j p a b r a n t e s 5 1 、m i i n a n i i l e k a d 【6 】各自以实验和数值 模拟相结合对管材液压胀形做了分析。管材胀形工艺的加载路径不同对成形影响 比较达，这使很多人投入到加载路径优化的研究工作之中【7 】【8 】【9 】【1 0 】【l l 】【1 2 1 。摩擦系数 的测定方法也是一个值得研究的焦点。h y u n b os h i m 1 4 1 对胀形过程中压力曲线做 了优化，减少了缺陷的出现。液压胀形成形极限是与变形历程紧密相关的，因此， 应力应变的历程就被当作了一个判断标准。o y a n e b l 就此提出了一个塑性破坏极限 判断的准则。这个准则被t a k u d a 和其他人【1 6 】【1 7 】嗍运用到板料成形极限预测之中并 取得了成功。为了缩短胀形工艺的开发时间和减少开发成本，有限元模拟方法本 身也在不断地发展之中，例如，自适应技术在有限元模拟中的应用。自适应技术 通过在合理的内压力和轴向进给量之间迭代以保证工件在成形过程中不会发生破 裂和折皱现象，从而制定出更合理的胀形工艺。 从以上液压胀形工艺研究的发展历程可以看出，胀形工艺的研究经历了从单 纯的实验研究到理论分析与实验研究相结合，再到现在理论分析、实验研究和数 浙江工业大学硕士学位论文4 第一章绪论 值模拟相互验证的过程。伴随着这一过程，液压胀形技术得到了极大的发展，从 最初只能在实验室中进行到现在己成为大批量生产的重要方法。随着胀形技术的 进一步发展，其加工范围也在不断扩大，己能成形出各种复杂形状的管件。 1 - 3 2 胀形技术的国内研究状况 在我国，基于石蜡、橡胶和橡皮囊等介质的胀管工艺，已经应用于三通管、 波纹管以及自行车车架接头等零部件的塑性成形加工【1 9 j 。哈尔滨工业大学是我国 最早系统开展内高压胀形工艺研发工作的单位2 0 世纪8 0 年代中期，以王伸仁为首 的课题组首创了成本低周期短的球形容器无模液压胀形工艺【2 0 1 2 1 1 2 2 1 ，在壳体液压 胀形理论、实验和数值模拟等方面，展开了富有成效的研究工作【2 3 1 2 4 1 2 5 1 。以中国 科学院金属研究所张士宏为首的课题组提出了“活动凹模结构 概念，进一步提 高了薄板对内高压胀形工艺的柔性与适用领域。对于不同的薄壳零件，可以在一 定的范围内对凹模的尺寸和形状进行调整和改变。通过综合考虑成形板料的材质、 表面质量要求和批量规模等因素，可以有针对性地选用金属、树脂、石膏、木材 甚至水泥作为凹模材料【2 引。此外，从公开发表的论文来看，燕山大学的赵长财 2 7 2 s i 2 9 1 、北京航空航天大学的李新军 3 0 3 1 】等也对内高压胀形工艺进行了相关研 究。王敏，杨振恒【3 2 】在l f 3 防锈铝合金板超塑性变形特性研究的基础上，对该材料 的超塑气压成形进行了研究。张凌云【3 3 】介绍了金属板材超塑气压胀形中改善零件 壁厚分布的各种工艺方法，并对其原理、应用环境和工艺过程中可能出现的问题进 行了分析，对指导生产有重要作用。林高用等【3 4 】利用变形能等效的思想建立了一种 超塑性气体胀形加压方法。侯德政【3 5 】采用气压成形技术通过高温试验探索出l 4 板 材超塑成形的条件，设计出了该零件超塑成形的模具及加热装置。马岳峰【3 6 】、邱晓 刚【3 7 1 、丘宏扬【3 8 】等各自研究了摩擦对板料最终成形性能的影响。 1 4 板料成形仿真技术 从6 0 年代末以来，国际上已兴起了薄板成形数值仿真的研究热潮。但早期的 研究都集中在二维和轴对称情况下的分析，分析的问题都是像半球冲头胀形或平 底圆形冲头拉深这样简单问题 3 9 4 0 【4 1 】，分析方法都是基于薄膜理论或轴对称的二 维分析方法，尚不能完成复杂零件的成型分析【4 2 1 。8 0 年代初，通用公司的n m w a n g 浙江工业大学硕：l ：学位论文 5 第一章绪论 和福特公司的s c t a n g 等人经过长期探索，成功地对轿车的行李箱盖、前翼子板 的冲压过程进行了仿真【4 3 】，开创了薄板成形数值仿真技术的新局面。 8 0 年代后期，随着计算机技术的飞速发展和有限元方法的成熟，薄板成形数 值仿真技术迎来了一个蓬勃发展的时期，今日仍方兴未艾。有三个重要标志反映 了这一时期的进展，第一，建立了能够分析像覆盖件这样复杂零件成形过程的三 维非线性壳理论( 弯曲理论) 和考虑几何非线性的接触和摩擦间题处理算法，第 二，为了大力推动板料成形的仿真技术的研究，考察薄板成形数值分析算法的可 靠性，国际上的权威研究组织先后共同设计了七组标准考题即o s u ( o h i os t a t e u n i v e r s i t y ) 标准考题、v d i ( 德国汽车学会) 标准考题( 1 9 9 1 年) 、n u m i s h e e t 9 3 板料成形数值仿真国际会议标准考题和n u m i s h e e t 9 6 、n u m i s h e e t 9 9 、 n u m i s h e e t 2 0 0 2 和n u m i s h e e t 2 0 0 5 标准考题；这些标准考题从不同角度考 核有限元软件预测破裂( s p l i t t i n g ) 、起皱( w r i n k l i n g ) 、波纹( b u c h l i n g ) 和回弹 ( s p r i n g b a e k ) 的能力，考题范围涉及简单零件和复杂的覆盖件；第三，涌现了多种 形式的有限元软件，这些软件都参加了上述标准考题中部分或全部考题的考核， 有些软件已经获得了广泛应用。 近几年来，板料成形的仿真技术有了很大的发展，国际上许多企业特别是汽 车生产企业都建立了相关的板料成形的仿真系统，该系统对板料冲压生产提供了 有力的支持，在板料冲压件模具设计、工艺设计、试冲试模阶段进行故障分析、 改善板料冲压件生产质量等方面起到了越来越重要的作用。 国内的板料成形仿真系统研究起步较晚。1 9 9 0 年，北京航空航天大学的熊火 轮采用a d i n a 程序，开发了“分步修正法”来处理板料成形过程中的动态接触条件， 从而仿真了宽板拉伸、液压胀形及从汽车暖风罩的成形过程 4 4 】。1 9 9 1 年，华中理 工大学的董湘怀采用薄膜三角形单元，建立了用于板料成形分析的有限元模型， 用“弹性边界层”的方法处理接触边界，并用独立开发的弹塑性有限元程序对盒形零 件盒机油收集器的成形过程进行了分析【4 5 】。哈尔滨工业大学的张凯峰采用刚粘塑 性本构关系，开发了粘塑性板壳成形有限元分析程序，并已经得到工业应用【4 6 】。 湖南大学工程软件研究所的李光耀在国家自然科学基金的资助下，开展了冲压成 形过程的动力显式有限元分析程序的开发和研究【4 7 1 。清华大学的研究人员开发了 种修正的自适应动力松弛方法，可节省内存，减少计算量，改善收敛性，还可 用来分析一般情况下冲压成形中的起皱问题【4 8 】。吉林工业大学胡平领导的研究小 浙江工业大学硕士学位论文 6 第一章绪论 组在前人工作的基础上，建立了可合理反映塑性变形导致材料模量软化，并能描 述由正交法则向非正交法则光滑过渡的弹塑性有限变形的拟流动理论渺】。用这个 理论仿真了圆板的胀形、圆筒件、盒形件、锥形件和红旗4 8 8 轿车油底壳的拉深 等过程，仿真了盒形件拉深过程中法兰部分的起皱、锥形件的拉深过程中侧壁的 起皱。并用空单元技术形象地仿真了破裂过程【5 们。现在已经独立开发出了板料弹 塑性大变形有限元仿真c a e 商品化软件系统k v i a s t ”】，已经在国内包括一汽在内 的十多家汽车及模具制造企业得到成功的应用。 1 5 课题的理论意义和应用价值 从薄壁罐发展趋势来看，正朝着“新 、“奇”、“特 的方向发展。异形薄壁 罐是在外形上做文章，将直壁罐体通过模具胀为形状各异的外形，使异型罐造型 更加新颖、视觉效果更好、手感更佳、品牌保护能力更强，增加罐的卖点。法国 有个企业透露，异形罐已占它们所用铝罐的5 0 ，马口铁罐的2 0 。异形罐受到 消费者和市场商家的一致欢迎，有效地提高了产品的销售业绩。有专家预测国内 异形薄壁罐的需求将以每年3 0 的速度增长，所以极具市场前景1 2 1 。 此外，异形薄壁罐与异形饮料罐、异形杯及其它一些异形薄壁金属容器、金 属薄壁管的生产原理虽都是相通的，但异形薄壁罐成形有它自有的特点和难点： 1 罐的壁厚特别薄，只有0 1 7 - 0 2 8 m m ； 2 罐要求具有长期耐受0 卜0 6 m p a 内压力的能力，对成形件壁厚分布有 特别高的要求； 3 罐内所装物质有腐蚀性，对成形件表面质量有更高的要求； 胀形理论和板料成形仿真技术的日益成熟，使得采用仿真软件模拟异型罐气 压胀形过程来指导生产成为可能，并且具有很大的可信度。 通过对它的研究，揭示薄壁异型罐罐气压胀形的成形规律，从而有效地指导 生产，为企业创造价值。 综上所述，本课题对异形薄壁罐气压成形的研究具有极大的理论意义和使用 价值。 浙江工业大学硕士学位论文 7 第一章绪论 1 6 本文的主要研究工作 本文探讨异型罐生产的相关理论及板料成形模拟的理论，对数值模拟中的关 键技术做探索，为了给异型罐的生产和模具设计提供理论上的依据，对杭州某公 司提供的a 、b 两种异型罐罐型及其变形做了数值模拟，主要做了一下的研究工作： 1 在特定胀形系数下，a ，b 两种罐型在t 2 b a 、t 2 5 b a 、t 3 和t 4 c a 等4 种不同材料下所需的临界胀形力。这可为选用最为经济适用的超高压设备 提供理论基础。 2 讨论b 型罐在使用t 3 材料的情况下，罐体壁厚不同对胀压成形极限的影 响。 3 讨论五种类b 罐型在t 2 b a 、t 2 5 b a 、t 3 和t 4 c a 等4 种材料下胀形系 数不同对最后成形的影响。 4 讨论三种类a 型罐型在使用t 2 b a 、t 2 5 b a 、t 3 和t 4 c a 等4 种不同材 料的情况下，摩擦系数变化时对最大等效应力和壁厚分布的影响。 5 讨论胀形载荷变化和胀形载荷加载速率的快慢对等效应力大小和壁厚分 布的影响。 6 讨论过渡圆角半径对材料塑性流动的影响。 1 7 本章小结 随着人们生活水平的提高，人们已经不仅仅满足于商品功能上的提供，对其 外观和宜人性上也提高了要求，异型罐正是在这样的潮流推动下产生的。本章在 分析了异型罐的发展状况和生产技术的基础上，详细阐述了胀形技术的国内外研 究状况和板料成形仿真技术的发展状况，提出了异型罐气压成形模拟研究的意义。 最后给出了本课题的主要研究内容。 浙江工业大学硕士学位论文 8 第二章异型罐生产及相关理论 2 1 异形罐 第二章异型罐生产及相关理论 易拉罐与气雾罐是包装容器中日益走俏的一种包装容器。易拉罐与气雾罐都 属于薄壁罐。由于要求罐体承受一定的内压力，易拉罐与气雾罐大多数都是用金 属材料作为罐体。金属包装的优点是内容物不易受污染，节省使用时间，因此摩 丝、护发素、杀虫剂、空气清新剂、防臭剂和各种碳酸饮料等包装中得到广泛应 用。制造易拉罐与气雾罐的金属材料一般是马口铁和铝。 易拉罐与气雾罐的质量主要表现为耐压性、密封性、耐蚀性、安全性及表面 质量五大类。易拉罐与气雾罐相当于微型压力容器，其最基本的质量要求为耐压 性能，要求它具有长期耐受0 1 - 0 6 m p a 的内压力的能力；由于气体容易挥发泄漏， 确保其密封性是薄壁罐不可缺少的条件之一；罐体内容物的保质期主要是由薄壁 罐的耐蚀性来保证；薄壁罐内有压力，所以比其它包装罐更多考虑安全问题：表 面质量主要表现在薄壁罐的外观上，也很重要。 薄壁罐从结构上可分为三类： 1 三片罐：由罐身、罐肩和罐底三部分组成，罐身与罐肩、罐身与罐底通过 二重卷边连接； 2 二片罐：罐身与罐肩( 或罐底) 由一片金属制成，罐底( 或罐肩) 由另一 片金属制成，两片由二重卷边连接； 3 整体罐：由单片金属通过冷挤压或冲拔成形的喷罐容器。 异形薄壁罐是在制作好的传统的直壁罐的基础上，在组合( 封罐) 前对罐身 进行“局部膨胀造型 、“滚筋造型 或“滚筋与局部膨胀相结合造型”制成了形 状各异具有鲜明特色的薄壁罐。还有企业先在罐身铁皮上冲压出特殊的图案，然 后剪切、焊接、组合，制成罐体有凹凸图案的薄壁罐。这四种方法制得的具有特 色和个性的异形薄壁罐受到了消费者的欢迎。如下图为母线不同于传统直母线的 异形曲线罐的截面。 浙江工业大学硕士学位论文 9 第二章异型罐生产及相关理论 图2 1 异型曲线罐截面 异形薄壁罐有马口铁罐和铝罐，马口铁异形罐多采用三片罐。由于铝比马口 铁柔软，而且铝罐是个无焊缝的整体罐，因此，异形铝罐的制备比马口铁罐容易， 制造成本也较低，应用也较多。2 0 0 3 年法国的异形铝薄壁罐的用量已占铝薄壁罐 的5 0 ，异形马口铁薄壁罐的用量已占马口铁薄壁罐的2 0 【2 】。 异形薄壁罐成形的特点和难点有： 1 罐的壁厚特别薄，只有0 1 7 0 2 8 m m ，径厚比d t o 1 2 0 ； 2 罐要求具有长期耐受o 1 0 6 m p a 内压力，对成形件壁厚分布有特别高的要 求； 3 罐内所装薄壁剂有腐蚀性，对成形件表面质量有更高的要求； 2 2 胀形加工原理 管材胀形是在压力作用下使管材沿径向扩张的成形工艺，属于材料深加工技 术的范畴。根据管件的形状要求，胀形既可完成管坯的局部扩张，也可完成罐坯 的整体扩张。管材胀形可以在通用机械压力机、液压机、气压机或专用胀形压力 机及专用装置上完成。 管材胀形的方法很多，若按生产中使用的模具分类，可分为刚性模胀形和软 模胀形两类。采用刚性分块式凸模胀形时，称为刚性模胀形，它仅适用于形状及 尺寸精度要求不高的轴对称胀形件的胀形加工。利用液体、气体或弹性体的压力 代替刚性凸模的作用作为传压介质对罐坯进行胀形时，则可统称为软模胀形。它 们各有优缺点，分述如下： 浙江工业大学硕士学位论文 1 0 第二章异型罐生产及相关理论 l 、刚性凸模：如分瓣冲头、小钢球等，由于胀形力集中在凸模与罐坯的接触 区域，力场分布不均匀，且摩擦力较大，不能得到极限变形。 2 、流体：如在室温下可使用油液、油脂，在中温及高温下可用熔融状态的玻 璃及金属等。由于流体产生的力场分布均匀稳定，可得极限变形，应用范围广泛。 但由于胀形压力大，密封相对困难。 3 、气体：与流体相似，产生的力场分布均匀稳定，而驱动速度比液压快，生 产便利、效率高，但工作压力比液压低。 4 、弹性介质：综合了刚体和流体的特点，胀形力分布均匀，且外力撤除后能 恢复原状，可方便地从制品内取出，生产便利。能够耐高压( 上万个大气压) 又具 有较好机械性能的弹性介质主要是高分子化合物，如聚橡胶，其缺点主要是弹性 介质与罐坯间有较大摩擦和弹性介质变形的阻尼作用。 5 、塑性体：如铅锑合金、低熔点合金、橡皮泥等，可认为是粘度极大的流体， 所产生胀形力分布也较为均匀，可得到很大的变形，密封也较易解决。但在成形 过程中，塑性体的变形会在罐坯内表面产生不利于大变形的摩擦阻力。同时，塑 性体充填罐坯及从制件中清理掉都比较麻烦。 图2 2 异型罐气压胀形示意图 图2 2 是本文气压胀形过程的一个示意图。气体从底部充入，将毛坯管胀形 贴合到模具上。 浙江工业大学硕士学位论文 l l 第二章异型罐生产及相关理论 根据胀形时变形条件的不同，可将胀形方法分为两类：自然胀形、轴向压缩胀 形。在胀形过程中，若仅对罐坯内壁施加径向压力( 内胀力) ，其胀形成形主要靠 罐壁厚度的局部变薄和轴向的自由收缩( 缩短) 来完成，则称为自然胀形。若在 自然胀形的基础上，同时又对罐坯轴向施加压力，使轴向产生压缩变形，以补充 胀形变形区材料的不足，则称为轴向压缩胀形。 a ) 自然胀形 b ) 轴向压缩胀形 图2 3 两种胀形的力学模型 2 2 1 胀形变形特点 本论文中研究的胀形为自然胀形情况，所以在这里只说明自然胀形的特点。 管坯在内压力p 作用下自然胀形时，其力学模型如图2 - 3 中a ) 所示。在胀形 过程中，零件的成形主要靠管壁厚度的变薄和轴向的自然收缩( 缩短) 完成。胀 形变形区主要承受双向拉应力的平面应力状态( 忽略料厚方向的应力) 和两向拉 伸、一向压缩的应变状态。由于胀形区材料处于双向受拉的不利变形条件，故胀 形区极易严重变薄甚至破裂。因此，控制胀形区材料的过度变薄和防止破裂，是 自然胀形工艺需考虑的主要问题。 自然胀形的变形情况较为复杂，其极限变形程度的大小与胀形过程中轴向有 无自然收缩及其收缩量的多少有关。同时，随着胀形零件的形状和胀形部位的不 同，胀形的极限变形程度差别也很大。 当胀形部位完全靠管坯壁厚的局部变薄而成形时，由于管坯轴向无收缩或收 缩量极小，其变形性质为局部成形，故胀形极限变形程度( 极限胀形系数) 主要 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 第二章异型罐生产及相关理论 取决于材料的允许伸长率。 当在胀形部位局部变薄的同时，还伴随着罐坯轴向的自然收缩时，由于轴向 缩短部分的材料补充到成形部分，因此其极限变形程度要比轴向无收缩的自然胀 形大一些。极限变形程度增加的多少与轴向收缩量的大小有关。一般来说，当胀 形区形状为轴对称时，胀形部位越靠近罐坯端部，轴向收缩量就越大。所以，对 同一材料形状不同的胀形件，它们的胀形成形极限是不同的，不能一概而论。 2 2 2 胀形区的壁厚的变化 自然胀形时，由于胀形变形区通常局限于管坯的某一局部，胀形件主要时靠 变形区材料局部拉伸而形成的，难以从外部补充材料，故胀形区壁厚一般都要变 薄。壁厚变薄量最大的部位一般在最大胀形尺寸处，胀形破裂总是发生在材料厚 度减薄最大的部位。 自然胀形后胀形区壁厚的变化可按塑性变形体体积不变条件计算。当胀形区 位于罐坯中部时，由于最大变形区的材料沿切向( 圆周方向) 延伸时较难取得母 线方向材料的补充，因此根据塑性变形体积不变条件：x d t = x d , t , ，所以 六：f d ( 2 1 ) 2 百 ( 2 1 ) 式中r 一一罐坯厚度 d 一一罐坯直径 4 一一胀形后胀形区任一胀形直径 一一胀形后对应与d f 处的壁厚 同理，在最大胀形直径处，其最小壁厚为 t m 戤= t 去 q 1 ， 式中 d 傩一一胀形后的最大直径 k 一一最大胀形直径处的最小壁厚 当胀形区靠近罐壁端部时，胀形变形区材料的切向延伸较易得到母线方向材料 的补充，故其壁厚减薄量相应小些。 第= 4 异型罐产亚差g 论 根据文献资料可知，管材自然胀形的最大变薄量约为03 t 左右 2 3 气压胀形优点及胀压成形过程中常见的缺陷 2 3 l 气压胀形优点 气压胀形是比较先进的一种成形工艺，与传统成形方法如冲压和焊接相比 气压胀形具有以下优点： 1 减轻重量，节约材料： 2 零件和模具数量，降低模具费用： 3 少后续机械加工和组装焊接量； 4 增强成形件强度、刚度和结构稳定性； 5 降低生产成本。 232 气压胀形常见缺陷 但由于气压胀形受多方面因素的影响， 润滑条件、加载路径及其它一些成形参数。 陷，如褚皱、破裂等。 如材料性能、管坯尺寸、模具形状、 上艺参数设置不当会产生各种成形缺 曲裙皱b ) 破裂 图24 气爪胀形缺隋形式 1 折皱 如图24 中曲所示，在成形区的人u 处出现与管什长度方向成对称的褶皱 m 江i 业 学碗 n * 女 第二章异型罐生产及相关理论 它产生的原因是过大的压力载荷，褶皱在壁厚较薄的长管或短管成形初期和中间 阶段发生。在成形区的入口处折皱是不可避免的，可以通过在成形的最终阶段加 大成形内压使其回复来消除。但是，如果轴向力太大的话，褶皱还是有可能会出 现，这些可以通过合理的工艺控制来实现。如果轴向力过大的话，将出现不可回 复褶皱。 2 破裂 如图2 4 中b ) 所示，如果内压太大，当胀形到中间阶段时破裂将可能出现。 破裂过程是由局部管壁处的颈缩开始的，而颈缩的开始很大程度上依赖于初始管 壁厚。在很多情况下，在这些工序之前还有为成形特定的中间形状管件的工序， 中间形状的成形受工艺控制的影响。为防止破裂的发生在颈缩发生之前应保证材 料流动至与模具表面最终接触，这样破裂的趋势将会被遏止。所以如何设置最佳 工艺参数是消除破裂的关键。另外，合适的润滑也是防止破裂的有效措施。 2 4 胀形变形程度 胀形变形程度用胀形系数k 表裂1 9 】 尼：垒 d ( 2 3 ) 式中d m 戡一一胀形后的最大直径 d 一一胀形前罐身的直径 由上式可知，胀形系数k 值越大，则表示胀形变形程度越大。显然，当胀形 系数过大时，胀形变形区的变形就会超过材料的变形极限而导致破裂。因此，胀 形后的直径d f 嗽不可能任意大，其成形极限可用极限胀形系数k 表示： 寺 。2 卅 式中d 麟一一零件胀破前允许的最大胀形直径 由于胀形的主要特点时变形区材料受切向和母线方向的拉伸，因此其变形程 度受材料允许伸长率万的限制。若胀形管坯切向的许用伸长率为磊。双，则磊m 戤与 浙江工业大学硕士学位论文 第二章异型罐生产及相关理论 极限胀形系数的关系为 磊一= 掣= k 瓠一1 ( 2 5 ) 冗l 或者写成 2 5 胀压成形力 k = 1 + 磊嘣 ( 2 6 ) 气压胀形时所需的单位压力p ，与胀形件的形状、材料厚度和力学性能以及 胀形变形条件等因素有关【1 9 1 。 在管坯两端不固定、允许轴向自由伸缩的变形条件下，气压胀形时的受力分 析如可知，胀形各横截面上的圆周曲率和切向拉应力是变化的，母线方向曲率 及其拉应力q 也是变化的，n n ，单位压力p 的数值不仅取决于圆周曲率和拉应 力的大小，而且还受母线方向及其拉应力q 的影响。由于胀形母线方向的曲率 一般较小，实用中为了简化计算，通常只考虑切向拉应力o - o ，而对于母线方向的 拉应力q 略而不计。所以，如果在变形量最大的d m 瓠处，取单一高度的环状分析， 从半环的平衡条件可得 p ：5 力 ( 2 7 l - p 2 = 日8 1 2 一| i 为使材料发生塑性变形，必须使o - o 吒( 屈服应力) 。又考虑材料冷作硬化的 影响，计算时可用材料的抗拉强度代替叹。于是，可得到计算气压胀形单位压 力的公式： p ：鲁吼 ( 2 8 ) p 2 正吼 旺叫) 式中p 气体单位压力( m p a ) ； 材料抗拉强度( m p a ) ； 浙江工业大学硕士学位论文 1 6 第二章异型罐生产及相关理论 f 材料厚度( 衄) ； d 麟胀形后最大直径( n u n ) 。 图2 - - 5 气压胀形受力分析 当管坯不产生轴向收缩时，所需单位压力p 可按下式近似计算 p = ( 吉+ 小 ( 2 吲 式中，麟胀形后的最大曲率半径( m m ) ； r 胀形件母线曲率半径( m m ) ； f 材料厚度( m m ) ； 吒材料抗拉强度( m p a ) 。 求出单位压力p 后，为安全选用设备起见，气压胀形力可按下式确定 f=pa(2-10) 式中f 气压胀形力( n ) ； p 气压单位压力( a ) ； 彳最大胀形投影面积( m m 2 ) 。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章异型罐生产及相关理论 2 6 本章小结 本章介绍了异型薄壁罐的特点，阐述了胀形变形的特点和胀形区壁厚的变化 规律。列举了气压胀形的优点，就胀压成形过程会出现的常见缺陷形式从理论上 做了说明。介绍了胀形变形程度的表示方式，给出了解析法求解管材胀压成形所 需临界成形力的公式，为粗略估计胀压成形力提供理论依据。 浙江工业大学硕士学位论文 1 8 第三章数值模拟理论基础 第三章数值模拟理论基础 在进行新产品的开发时，为了合理设计模具及选择合适的成形设备，必须通 过一定的手段来近似得到参考的依据。以往人们在分析这类问题时多采用基于塑 性理论的解析方法。由于板料塑性成形的复杂性，人们不得不作出较多的简化和 假设，这就使得理论分析的结果局限性较大，难以得出整个变形过程的解答，这 迫使人们不得不突破解析法的限制，寻求新的分析手段，而有限元技术是解决这 一问题强有力的手段。有限元方法的一般步骤是：先将变形体按照一定方式离散为 单元体，用单元节点值得到单元内部值，根据单元位移得到单元应变，根据屈服 准则得到单元应力，根据边界条件构建整体刚度矩阵，解方程组，得单元位移， 进而可得到整个变形体的变形情况。 自七八十年代动态显式算法应用到板料成形的有限元分析中以来，板料成形 的有限元技术获得了较大的发展。有几套有限元分析软件己经从实验室走向工业 应用。虽然板料成形有限元分析软件己经走上了商业化的道路，但其模拟精度还 有待进一步提高，其中的一些关键问题还没有得到很好的解决，理解其关键问题 所在，对于模拟结果的可靠性至关重要。 3 1 板料成形的基本力学问题 3 1 1 有限应变与有限应力 板料的成形问题一般为大位移大应变问题，位移和应变之间是非线性的关系。 当物体产生很大变形时，代表所研究点的微小体元在变形的同时可能产生较大的 刚性旋转和刚性平移。采用无限小应变，不能消除刚性运动的影响，无法度量大 变形物体的变形状态，必须重新定义大变形大位移中的应力应变概念。由此产生 了有限变形的应变张量的两种表示方法，即g r e e n - l a g r a n g e 应变张量和a l m a n s i 应变张量。前者是用变形前坐标表示的，它是l a g r a n g e 坐标的函数，后者是变形 后坐标表示的，它是e u l e r 坐标的函数【5 3 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 9 第三章数值模拟理论基础 3 1 2 非线性方程的建立 几何非线性方程的建立，目前较普遍的做法是从虚功原理出发，直接使用应 力与共扼应变得到。由于应力应变的表示有l a g r a n g e 和e u l e r 两种形式，对应的 可以得到两类非线性方程列式【5 3 】。在e u l e r 描述中，泛函的积分域是当前的构形， 它应是求解的结果，在求解过程中事先是不知道的，因而必须迭代求