薄壁管数控弯曲精确成形技术是管弯曲技术向先进塑性加工技术发展的必

1、林艳，薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱的数值模拟研究，西北工业大学博士论文 摘录薄壁管数控弯曲精确成形技术是管弯曲技术向先进塑性加工技术发展的必然趋势。然而这是一个多因素祸合交互作用下可能发生失稳起皱的复杂物理过程。特别是航空、航天高技术的发展要求弯管零件的壁更薄、口径更大、弯曲半径更小和成形精度更高，这使得对失稳起皱的预测和控制成为薄壁管精确弯曲成形技术研究与发展迫切需要解决的难题。因此本文采用有限元模拟技术与起皱能量预测准则相结合的方法，实现对薄壁管数控弯曲过程起皱缺陷的分析和预测，对提高薄壁弯管制品的质量，缩短产品开发周期，降低成本具有重要意义。本文系统深入地研究了薄壁管数控弯曲成形过程三

2、维刚塑性有限元模拟分析中的关键技术问题，提出了有效的算法和处理方法:提出了相对自由度与绝对自由度相结合的壳单元，使得速度边界条件的处理可通过简单、有效的置“1法或置大数法来实现;采用了三次因式法确定收敛因子，不仅提高了有限元求解过程的计算效率，同时也保证了有限元迭代过程的收敛性。本文提出了描述薄壁管弯曲过程中失稳起皱波形的数学模型;进而基于薄壳小挠度弯曲理论和最小能量原理建立了预测起皱的能量准则;将预测准则与有限元模拟系统有机结合，可实现对起皱的数值预测。本文自主开发了薄壁管数控弯曲成形过程的起皱数值预测系统TBWS一3D，包括模具型腔曲面的几何描述、管坯初始网格的自动划分、动态边界条件的处理

3、和摩擦问题的处理、刚塑性有限元模拟分析、变形体几何构形与场变量的显示以及起皱预测等功能。该系统不仅可以实现对成形过程的数值模拟分析，而且可用于对成形过程中失稳起皱现象的数值预测。采用所开发的薄壁管数控弯曲成形过程起皱数值预测系统深入研究了铝合金和不锈钢薄壁管数控弯曲成形过程的变形特点，获得了以下的主要结果:(1)两种管坯材料的整体变形、等效应变场分布、塑性变形区分布、塑性变形能与西北工业大学博士学位论文起皱能比值随弯曲角度的变化规律及大小基本一致;而两者切向应力场分布随弯曲角度的变化规律一致，只是不锈钢管所受的切向应力值大于铝合金管所受的切向应力。(2)管数控弯曲成形过程中应力和应变中性层的内

4、移现象不显著。(3)在成形的初始阶段管坯所受的最大切向压应力不断增加;但当最大切向压应力超过一定值后，管坯进入稳定变形阶段，最大切向压应力只在很小的范围内波动。(4)在变形初期管坯塑性变形区不断扩展;管坯进入稳定变形阶段以后，各变形阶段塑性区形状及尺寸基本保持一致，而已变形部分不断发生卸载。(5)塑性变形能与起皱能的比值随着管弯曲成形过程的进行是不断波动变化的，但存在一个最大值。应用所开发的起皱预测系统，对由失稳起皱所决定的管坯最小弯曲半径一成形极限进行了数值模拟研究，揭示了不同成形参数对管坯最小弯曲半径的影响规律:(1)当芯棒伸出长度足够时，弯曲半径对管坯失稳起皱的影响不大;而当芯棒长度不足

5、时，随着弯曲半径的减小管坯发生起皱的趋势增加。芯棒伸出量的增加可提高管坯基于失稳起皱的成形极限;当芯棒伸出量足够时，即使得管坯弯曲时的压缩塑性变形区完全受到刚性芯棒的约束，其它成形参数不影响管坯的最小弯曲半径。(2)随着管径的增加，由起皱所决定的管坯最小弯曲半径成线性增长。(3)加工速度的变化对管坯成形极限的影响不大。(4)随着硬化指数值由小变大，管坯的最小弯曲半径先减后增。(5)应力强度系数的变化不影响管坯最小弯曲半径。(6)摩擦系数的变化将使得管坯最小弯曲半径在一定的范围内波动。关键词:薄壁管，数控弯曲，能量方法，起皱预测，精确成形，有限元数值模拟本文的主要创新点与贡献(l)失稳起皱的预测

6、和控制是薄壁管弯曲精确成形技术研究和发展迫切需要解决的难题。能量法可有效实现薄壁管数控弯曲成形过程中起皱现象的定量预测。为此，必须合理描述起皱波形，并获得管起皱所需的起皱能以建立失稳起皱的预测准则。本文根据薄壁管弯曲起皱实际波形的几何特点提出了描述起皱波形的数学模型;基于最小能量原理和板壳弯曲理论，建立了采用塑性变形能与起皱能比值来预测失稳起皱的预测准则，使得大口径、小弯曲半径薄壁管的失稳起皱预测成为可能。(2)薄壁管数控弯曲成形过程是多因素交互作用下的复杂成形过程。传统的理论解析法和试验方法难以实现对复杂问题的深入研究，而有限元方法目前是研究和发展复杂成形问题的有效手段。本文针对薄壁件的几何

7、特点提出了适用于模拟薄壁件成形过程的绝对一相对自由度壳单元，解决了相对自由度壳单元处理边界条件时的困难:提出了三次因式法确定收敛因子，保证了有限元迭代求解过程的计算效率和收敛性;在深入研究薄壁管弯曲成形特点的基础上，建立了符合实际的三维有限元分析模型，解决了其中关键技术的处理问题;进而研究开发了可预测薄壁管数控弯曲成形过程中起皱现象的有限元数值模拟系统TBWS一3D，为研究失稳起皱机理和实现对起皱现象预测提供了一种先进手段)(3)薄壁管在弯曲成形过程中所受的压应力是造成其起皱发生的主要因素。为此本文采用自主开发的面向薄壁管数控弯曲成形过程的三维有限元数值模拟系统TBWS一3D研究了管坯在弯曲成

8、形过程中应力和应变场的分布规律、塑性变形区分布规律、塑性成形能与起皱能比值的变化规律等变形特点，为研究其成形过程中的起皱现象提供了理论依据。(4)为了有效控制薄壁管数控弯曲成形过程，避免失稳起皱现象的发生，有必要深入研究成形参数对由失稳起皱所决定的最小弯曲半径(即弯曲成形极限)的影响规律。本文采用自主开发的数值预测系统TBWS一3D对薄壁管数控弯曲成形过程中的起皱现象进行了研究，揭示了包括管坯几何参数、材料性能参数以及加工工艺参数在内的成形参数对薄壁管弯曲成形极限的影响规律，为薄壁管数控弯曲精确成形过程中实现成形参数的确定和优化创造了条件。研究意义薄壁管数控精确弯曲技术是管弯曲技术向先进塑性加

9、工技术发展的必然趋势，在汽车、航空、航天业具有广阔的应用前景1。由于成形过程的变形特性和成形过程中多因素交互藕合的复杂性，因此有必要对薄壁管数控弯曲成形过程中的失稳起皱现象进行研究，深入了解起皱发生的机理，对失稳起皱进行预测和有效控制，掌握成形参数对由失稳起皱所决定的最小弯曲半径一成形极限的影响规律。这是推动该成形技术研究和发展迫切需解决的关键问题为降低产品成本，并满足对产品轻量化的需求，弯管零件己大量应用于交通、运输、建筑、电子和轻工等各行各业。特别是精密成形的薄壁弯管件，在汽车、航天航空工业有着广泛的应用前景21。对于弯曲准确度较高的薄壁管件，常规的弯管方法和设备是难以满足要求的。数控弯管

10、设备适应精确成形与加工批量生产能力的快速形成。它可以准确、稳定地完成对管坯的弯曲、送进、转角等动作，并还可通过复合模具同时对多根管材进行加工，不仅可以高效成形弯管零件，保证成形质量的稳定性，而且可自动连续地实现不同曲率半径的复杂三维管弯曲31。金属塑性成形过程的研究方法有试验研究方法、基于经典塑性理论的解析方法和数值方法。薄板和薄壳的成形过程是使毛坯材料按一定方式产生永久塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的零件。这一过程的实现是通过模具对工件的法向接触力和切向摩擦力来完成的。因此薄板及薄壳的成形过程是多因素藕合交互作用的复杂物理过程，涉及力学的三大非线性问题:几何非线性，即坯料在成形过程中产生的

11、大位移、大转动或大变形;物理非线性，即材料非线性;边界非线性，即模具与工件产生的接触摩擦引起的非线性关系35，36。这使得试验研究方法难以对复杂成形过程进行定量分析;同时使得解析方法用于板壳成形过程分析时需要进行了大量的简化，因此解析法往往只能满足对简单成形问题的分析，而对复杂成形过程的分析难以满足工程精度的要求3v。目前应用最为广泛和成熟的数值方法是在70年代兴起，80年代获得发展的有限元法，该方法已成功地应用于金属体积成形、板料成形和注塑等工艺过程的分析中，一个完整的塑性成形有限元数值模拟流程如图.随着计算机技术和数值研究方法的不断完善，利用有限元法可在计算模拟分析塑性加工时从坯料到制件的

12、成形过程，可以求出应力场、应变场、形所需的载荷和能量，可以给出成形过程中坯料几何形状、尺寸和性能变，预测缺陷的产生和分析质量等。有限元法目前已成为研究塑性成形规材料变形行为及各种物理场的强有力的工具之一，并得到了广泛的应用39书它在金属塑性成形过程中主要应用于分析46:(l)材料变形和流动;(2度、应力、应变分布;(3)成形力;(4)破裂的预测;(5)失稳起皱生与发展;(6)回弹量的预测;(7)残余应力的分布。有限元数值模拟方法的优点是:功能强，精度高，解决问题的范围广，以用不同形状、不同大小和不同类型的单元来描述任意形状的变形体，理适用于任意速度边界条件，可以方便合理地描述模具形状，处理坯料

13、与模的摩擦，考虑材料硬化效应、温度等各种工艺参数对成形过程的影响，可得成形过程中任意时刻的力学信息和流动信息，预测缺陷的生成和扩展等，可在计算机上虚拟实现成形过程，反复演示、计算和优化。对于不同的管弯曲成形过程，有限元方法是应用广泛且较为有效的一种值分析万法。Forde47运用商用软件Marc对矩形截面管材的塑性弯曲过程进了分析，获得了成形参数对起皱、外侧塌陷、截面畸变的影响规律。文献【建立了管热弯成形过程的有限元分析模型，开发了专用的三维有限元程序，用于分析、预报管成形后的截面畸变情况。Yang脚采用PAM一sTAMP初步分了数控弯管过程，发现管坯与防皱块之间的间隙是影响起皱的重要因素，而着

14、弯曲半径的减小，截面畸变率和壁厚减薄率将会增大。文献【501采用弹塑有限元法对管的纯弯过程进行了分析，研究了极限弯矩与管壁局部变薄之间关系。文献51一53对管的纯弯过程进行了分析。但有关薄壁管数控弯曲成形程的深入分析还未见报道。塑性有限元法可以分为两类:一类是固体型有限元法，另一类是流动型限元法。固体型有限元法包括弹塑性有限元法与弹粘塑性有限元法。此类有元法采用方程Prandtl一ReusS作为本构方程，求解单元节点的位移增量。流动有限元法包括刚塑性有限元法和刚粘塑性有限元法。刚塑性有限元法的本构系采用Levy一Mises方程，将单元节点速度增量作为求解列阵。能量准则预测失稳起皱主要考虑成形过

15、程中应力场分布。由于弹塑性和冈L塑性有限元获得的板壳弯曲成形过程中应力场基本一致，因此为兼顾计算精度和计算效率，本文基于刚塑性有限元原理开发了薄壁管数控弯曲成形过程的三维数值模拟系统，获得了成形过程中应力和应变场的分布规律，从而为深入了解其成形机理提供了依据;并以此为基础预测起皱现象的发生，分析成形参数对起皱的影响，最终获得其成形极限。成形过程，预测失稳起皱的产生，定量分析工艺及模具参数对失稳起皱产生的影响并对参数进行优化，不仅在理论研究方面有重大意义，而且在航空、航天等工业领域管弯曲加的工实际生产应用中也具有重要价值。起皱能量预测准则和刚塑性有限元法能够同时兼顾计算精度和计算效率，因此基于能

16、量准则的数值预测方法，即采用刚塑性有限元数值模拟与最小能量原理相结合可以实现对薄壁管数控精确弯曲成形过程中失稳起皱现象的有效预测。综上所述，本文对薄壁管数控弯曲成形过程中起皱现象的数值预测开展系统深入研究。*其目的在于探明管精密弯曲成形规律，预测成形极限，为确定最佳成形工艺参数以避免成形过程中出现起皱现象，获得优质的弯管零件提供理论依据;从而大大减少试生产次数，降低设计成本，缩短设计周期，高效低耗地实现薄壁管的精密弯曲成形过程。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(l)建立薄壁管数控弯曲成形过程中失稳起皱分析的壳体模型;根据实际的薄壁管起皱波形建立合理的波形函数;基于最小能量原理和板壳弯曲理论

17、推导相应的起皱能量预测准则。(2)针对薄壁管数控精确弯曲成形过程建立符合实际的三维有限元力学模型;对有限元模拟中的关键技术进行系统深入的研究，解决其中单元选取、模具型腔描述、动态边界条件处理、摩擦条件选取及模拟计算后处理等问题。(3)开发基于三维刚塑性有限元数值模拟及起皱能量预测准则的薄壁管数控弯曲成形过程起皱预测系统TBWS一3D;验证模拟结果的有效性和可靠性。(4)采用自主开发的面向薄壁管数控弯曲成形过程的三维有限元数值模拟系统研究管坯在弯曲成形过程中应力和应变场的分布规律、塑性变形区分布规律、塑性成形能与起皱能比值的变化规律，为深入了解其成形机理提供理论依据。第一章绪论(5)采用自主开发

18、的数值预测系统对薄壁管数控弯曲成形过程中的起皱现象进行研究，揭示成形参数对薄壁管由起皱决定的最小弯曲半径一成形极限的影响规律，为薄壁管数控弯曲精确成形过程中实现成形参数的确定和优化创造条件。随着塑性变形理论、数值计算方法和计算机技术的不断发展，采用有限元理论预测板料加工过程中起皱分叉点的方法得到了越来越广泛的重视和应用。国内外已先后开发出许多相关的商用软件，如Marc、Ansys和Abaqus等。它们都具有起皱预测及过程模拟的功能。但它们均采用基于分叉理论的动态预测方法，这使得起皱预测结果的可靠性在很大程度上依赖于操作人员对有限元数值计算及其它相关知识的了解程度，因此生产部门目前很难应用上述的

19、商用软件对实际成形过程中的起皱现象进行建模和分析。本章以前几章的理论为基础，研究和自主开发了专用于薄壁管数控弯曲成形过程的三维有限元起皱数值预测系统TBWS一3D。该系统交互性好，不需要操作人员熟悉相关的有限元知识。此外该系统采用模块化设计，具有较好的可移植性、可维护性和可扩展性。本系统采用结构化程序设计方法，考虑到软件维护、开发和使用方便性的需要，该系统界面友好，具有开放性，模块功能可扩充。程序在Visua1C什平台上采用C语言编写。系统具有以下的功能:(l)管坯初始网格的自动生成;(2)初始速度场的自动生成;(3)初始边界约束条件的自动施加;(4)刚塑性有限元求解;(5)变形体网格的二维、

20、三维显示;一6分一第五章薄壁管数控弯曲成形过程起皱预测系统的研究与开发(6)场变量等值线的绘制;(7)起皱的实时监控和预测;(8)临时文件的生成，以便程序在非正常中断时能继续进行计算;5.3模拟系统的结构与组成系统采用模块化结构。整个系统由五个主要模块组成，包括系统管理模块和四个主要功能模块。这四个主要功能模块为:前处理模块、三维有限元分析模块、起皱实时监控与预测模块和后处理模块。整个系统的结构如图5.1所示。各功能模块负责处理各类具体问题，它们之间彼此相互独立，既可以在管理模块控制下运行，也可以单独运行。主要功能模块有多个子功能模块组成，每个子功能模块又包含若干个子程序，某些子程序可为多个子

21、功能模块共用。此系统结构不仅便于管理、维护和开发，而且系统的层次分明、流程清晰。起皱预测模块主要功能是根据有限元计算结果获得管坯在每一成形加载步中弯曲部分的塑性变形区，并计算该加载步长下管弯曲失稳起皱所需的能量砰与稳定成形的塑性变形能T;再将两个能量进行比较:若T之砰则表明管坯在该加载步发生失稳起皱，此时预测模块发出起皱警报，并退出有限元模拟过程，否则继续有限元计算。起皱预测模块结构流程如图5.5所示。5.4系统的检验本文对所开发的三维有限元数值模拟及起皱数值预测系统TBWS一3D的适用性和可靠性从管坯弯曲成形壁厚减薄量及起皱预测结果两方面进行了初步验证。试验结果来自文献95。管坯壁厚减薄量验

22、证的试验和计算条件为: 试验结果与数值预测结果的比较如图5.7所示。其中，实心点为有限元系统预测的管坯成形壁厚减薄量;空心点表示试验获得的壁厚减薄量。结果表明预测结果与试验值较吻合。管坯起皱预测验证的试验和计算条件为:飞西北工业大学博士学位论文图5.7壁厚减薄率预测结果与试验值的比较管坯材料为LFZIM，变形抗力模型为厅=184护35497l，弹性模量E=7l000MPa，管坯材料的本构方程由管压缩性能试验获得98;模拟时弯曲模数值预测系统的起皱预测结果与试验结果比较如图5.8所示。其中，空心圆点表示有限元起皱预测系统预测起皱的管坯，而实心圆点表示预测系统预测不起皱的管坯。由于管坯最小弯曲半径

23、的捕捉需要大量的数值计算，很难直接采用数值法进行预测，因此本文采用通过实心和空心点之间区域的虚线表示管坯最小弯曲半径。图5.8同时给出了本文第四章提出的解析法所获得的管坯最小弯曲半径，以三角形点表示;还给出了国际上目前可见到的预测管坯最小弯曲半径的解析结果34l，以菱形点表示。结果表明数值预测结果是三种结果中与试验值最为接近的，目前是符合最好的结果。解析预测结果与试验结果的偏差都很大，而文献34的预测结果与试验结果的偏差最为明显。然而，数值预测结果与试验结果仍存在一定误差，其误差是由于试验条件一7仓一第五章薄壁管数控弯曲成形过程起皱预测系统的研究与开发与计算条件不完全相同引起的，还可能是由于实

24、际试验结果一般取值偏于安全引起的，也可能是数值预测模型考虑得还不够精确引起的。本文的解析法预测结果与试验结果相比偏大，这主要是由于在求解压应力场时引入了平面应变的假设，而且不像本文提出的数值预测方法能考虑加工速度、摩擦等因素对管坯弯曲成形的影响。而文献【34的解析法预测结果偏大，除了上述原因外，还由于所提出的描述起皱波形的函数不符合大口径、薄壁管坯弯曲起皱的实际情况引起的。综上所述，本文研发的数值预测系统TBWS一3D预测的管坯壁厚减薄量与试验值吻合较好，失稳起皱的预测结果是目前与试验结果吻合最好的。因此，本文所建立的数值预测模型、方法和所开发的系统是正确的、适用的，预测结果是相对可靠的。5.

25、5本章小结在前几章介绍的有限元法基本原理、有限元关键技术处理以及起皱预测准则一71一西北工业大学博士学位论文的基础之上本文研究开发了基于有限元数值模拟方法的薄壁管数控弯曲成形过程起皱数值预测系统;介绍了系统的主要特点、功能与结构，并给出了主要功能模块的流程图。同时本章从起皱预测及壁厚变化量两个方面验证了所开发的有限元系统和起皱数值预测准则的可靠性。第六章薄壁管数控弯曲成形过程变形特点研究6.1引言薄壁管数控精确弯曲成形过程是复杂的变形过程，成形过程的成形特点，包括在弯曲成形过程中坯料的变形、等效应变分布规律、切向应力分布规律以及塑性区的变化规律，都与成形过程中出现失稳起皱有关。因此要实现对成形

26、过程中失稳起皱预测以有效控制弯管件成形质量，必须采用有效手段研究管数控弯曲成形过程的变形特点。本章在第二、三、四章的基础之上，采用自主开发的薄壁管数控弯曲起皱数值预测系统TBWS一3D对成形过程中管坯变形网格、应力分布、应变分布、塑性变形区分布、起皱能与塑性变形能比值变化规律进行了系统深入的研究。异形管材液压成型关键技术研究，2003硕士论文 摘录因此，我国在异形管件液压DN形研究的薄弱点在于：1尚未很好采用国外成熟的管件成形模拟仿真软件对其成形过程进行全面的数值模拟仿真；2没有与之匹配的完备实验台对理论分析进行较全面的实验验证研究；3没有得出各种工艺因素对其成形过程的影响规律，进而缺乏对工艺

27、参数进行优化与控制；4.未能合理有效的控制成形工艺过程，工艺稳定性差，难以获得良好的异形管件。1.4研究内容及目的1塑性有限元法（Dynaform或DEFORM软件）对异形管件液压成形过程进行模拟仿真。由于异形管件的成形是在管坯内部施加轴向压力，外部承受模具的压力，受力状态复杂，再加上在成形过程中必然存在的较高应变硬化现象，因而如果工艺控制不当就会出现折弯、起皱、破裂等缺陷。仅靠传统的解析法力学分析，不能得到满意的结果。采用Dynaform或DEFORM有限元软件可以分析管材在不同内压、不同轴向压力、以及其他不同边界条件（如摩擦）作用下的成形规律，异形管件成形载荷、成形应力、应变分布规律等全面

28、信息。进而获得不同材料的管材成形极限图、管材端部缩进距离、液压成形内压力的大小和变化规律等，为模具、液压系统控制和实验台的设计与制造提供理论依据。2优化工艺参数。通过上述模拟仿真优选管材材料、优化管坯直径、壁厚以及直径与壁厚比，进而达到优化管件重量的目的，确定出最佳工艺方案。通过对异形管件液压成形过程进行塑性有限元模拟仿真和实验研究，达到如下目标：1获得部分国产管材液压成形性能，异径管件液压成形过程载荷变化规律、应力应变分布规律、成形极限大小、缺陷形成机理等基础数据和相关规律；2优化异径管液压成形工艺参数，确定最佳工艺方案；1.5研究的可行性异形管件液压成形技术在国外（特别是在德国）已经进行了较为深入的研究，并取得了很多成果，许多异形管件的液压成形工艺已成功应用于实际生产，前景看好。近两年德国、美国、日本等国家采用DYNAFORM、DEFORM等软件分析异形管件的成功实例，国外实验台的成功建立，表明：借助国外成熟的有限元模拟软件与自行研制实验台相结合对异形管件液压成形技术进行研究，在技术上是可行的。目前模具实验室拥有UG，Pro/E等适宜于异形管件产品的CAD造型软件，同时拥有适于异形管件液压成形模拟仿真的有限元分析软件（DYNAFORM、DEFORM等