基于dynafm2的铝合金复杂薄壁构件充液成形仿真分析

基于dynafm2的铝合金复杂薄壁构件充液成形仿真分析

充液成形数值分析充液成像技术是目前应用最广泛的精细零件形成技术之一。在该技术的帮助下，液体被用作传力介质，而不是刚性凸模型或凹模型，从而完成整体结构的柔性形成。在液体和样品的配合下，。充液成形工艺的影响因素除材料本身特性外，加载路径对零件成形性能的影响尤为重要。然而，目前对于板材充液成形的研究主要集中在基于线性加载路径下的压边力、压边间隙、摩擦系数、模具设计等工艺参数对零件成形性的影响规律因此，本文以航空用某铝合金大尺寸加强框零件作为研究目标，基于主动式充液成形工艺，采用非线性商业有限元软件DYNAFORM，对比分析加载路径如线性加载、三角波脉动加载、梯形波脉动加载对零件成形性的影响，并且重点研究脉动加载条件下的振幅、频率等关键工艺参数对零件壁厚分布和减薄率的影响规律。结合模拟所得分析结果，开展具体铝合金航空复杂薄壁构件的实验验证，从而获得满足工程应用要求的工艺方案。1加载路径的确定由于目标零件具有非对称和小圆角等复杂特征，因此考虑采用板材主动式充液成形工艺，所用加载路径分别为线性加载、三角波脉动加载以及梯形波脉动加载3种加载方式。分别对上述3种加载路径进行数值仿真，并分析对成形性能的影响规律，从而得到最佳加载方式，并基于所得加载方式进一步优化其中的关键工艺参数，最终获得能满足工程应用要求的工艺方案。1.1-o铝合金图1所示为某航空加强框零件的结构特征，所用材料为2A12-O铝合金，原始板料厚度为1.0mm，最大减薄率不得超过20%。成形件最大腔深为40.5mm，四周为不规则空间曲面，底部区域均匀分布6个深度为4.3mm的加强窝。1.2材料性能参数表1所示为2A12-O铝合金材料的力学性能。由表1可知，2A12-O铝合金板材在与沿轧向方向呈0°、45°和90°方向上的材料的各向异性指数变化不大，即没有明显的各向异性现象，因此，本文选取0°方向上的真应力-应变曲线作为模拟中输入的材料力学性能，如图2所示。1.3限元软件dynaf面临的挑战采用三维建模软件UG进行有限元建模，保存为IGS文件后导入商业有限元软件DYNAFORM中，如图3所示，为便于显示，所示模型为剖视图形式。由于板料厚度与长宽的比值较小，因此，采用壳单元进行分析。板料划分网格后，共有四边形单元48614个，三角形单元1205个。2零件件件性能的变化规律分析2.1不同路径下的破碎缺陷分析分别对线性加载、三角波脉动加载和梯形波脉动加载这3种加载路径进行了数值仿真，3种加载方式如图4所示，横坐标为模拟过程中所用时间，不具有实际意义，仅为增加计算速度，不会对结果造成影响。其中，初始压力均设置为2MPa，对于三角波脉动加载和梯形波脉动加载情况，均为振幅ΔP=3MPa，频率f=0.5Hz，压边力75kN恒定，间隙0.2mm，摩擦系数设定为0.17。图5为不同加载路径下的成形极限图及最大减薄率变化规律。由图5a可以看出，在线性加载下，在加强窝边缘部位已经出现有破裂缺陷，结合图5d可以看到，线性加载路径下最大减薄率已经超过20%，不能满足工程应用要求。而从图5b和图5c可知，脉动加载路径下(包括三角波与梯形波)零件各个区域均处于安全区域，不会出现破裂风险。因此，相比较于线性加载路径，脉动加载路径能够很好的提高零件成形性。其原因在于，脉动加载存在“加载-卸载-再加载”的循环过程，在加载过程中材料发生变形且强度不断提高，当卸载后材料存在一定的弹性恢复，同时已具有一定的预应变，当再次加载时，材料会产生二次硬化现象，使得变形大的区域其强度也进一步提高，再次加载过程中变形将转移到应力更低的其他区域，从而使变形和壁厚分布更加均匀，提高了材料的成形性。此外，由于循环加载-卸载的存在，使得摩擦力也呈现出波动变化，从而在卸载过程中更容易使材料流动，增大了进料量，降低了材料的减薄率，提高了材料的成形性。分别对目标零件的4个圆角处壁厚以及横截面的壁厚分布情况进行分析，具体的15个壁厚测量点如图6所示。壁厚测量结果如图7a和图7b所示。结合图7a分析，在目标件圆角处，壁厚按照梯形波脉动加载、三角波脉动加载、线性加载的顺序减薄依次加大。线性加载条件下，其减薄率最大，成形中易出现破裂现象。梯形波脉动加载条件下的壁厚要整体高于三角波脉动加载条件下的壁厚，其原因在于梯形波脉动加载相对于三角波脉动加载来说，由于梯形波在波峰与波谷处有一个保压过程，这样能够使得材料获得充分流动的时间。图7b所示结果表明，在长边横截面处，不同加载路径对壁厚的整体性分布影响差异不是很大，而壁厚之所以呈现出“波浪形”变化，是因为在加强窝边缘处存在圆角，成形过程中，边缘处减薄较大，而其他区域减薄较小，从而造成壁厚按照如图7b所示的形式变化。2.2不同脉动加载的零件的成形性由2.1节对不同加载路径下，目标件的成形质量分析可知，在脉动加载条件下，零件的成形性更好，而相比较于三角波脉动加载和梯形波脉动加载结果，可知梯形波脉动加载在壁厚分布和最大减薄率上更具有优势。因此，针对梯形波脉动加载路径，分别研究了振幅、频率等工艺参数的对零件成形性能影响规律。2.2.1不同振幅条件下壁厚分布以及最大减薄率分别选取振幅ΔP为3、4和5MPa、频率f恒定为0.5Hz的梯形加载路径进行数值模拟，其中压边力75kN、间隙0.2mm、摩擦系数0.17。加载波形如图8所示，横坐标为模拟过程中所用时间，不具有实际意义，仅为增加计算速度，不会对结果造成影响。按照图6所示的测量位置分别对不同振幅加载路径下所得的模拟结果进行分析。不同振幅下壁厚分布以及最大减薄率如图9a～图9d所示。壁厚的变化规律如图10所示。由图9d并结合图9a～图9c可知，当ΔP=4MPa时，最大减薄率最低，而当ΔP=5MPa时，最大减薄率已经超过20%，不能满足工程应用要求。结合图10a所示的圆角处的壁厚大小分布规律，可以看出，在ΔP=5MPa时，其壁厚最小;ΔP=3MPa时，其壁厚分布与ΔP=5MPa时相差不大;而当ΔP=4MPa时，圆角处的总体壁厚分布较为均匀，大小约为0.86mm左右。当频率一定时，若振幅较小，在循环“加载-卸载-加载”过程中，摩擦力的变化不是很明显，尤其是在初始加载阶段，因此造成材料的流动不充分，从而壁厚减薄严重。而当振幅较大时，即使有保压过程与二次硬化，但是每次加卸载后材料各区域获得的预应变均很大，使得变形无法有效的转移至低应力区域，从而导致壁厚减薄严重，此外，圆角处的补料量不足以与减薄量达成相对平衡，从而产生较大的减薄。而对于横截面处的壁厚分析可以看出，总体上，振幅对其壁厚分布的影响不大。2.2.2最大减薄率和壁厚分析由2.2.1节分析结果可知，当频率f恒定不变时，ΔP=4MPa时，目标零件的成形性能最佳。因此，选取恒定振幅ΔP=4MPa，而频率f依次选择为0.3、0.5、0.7和0.9Hz，压边力、压边间隙和摩擦系数仍分别为75kN、0.2mm和0.17，进行数值仿真分析，加载路径如图11所示，横坐标为模拟过程中所用时间，不具有实际意义，仅为增加计算速度，不会对结果造成影响。对不同频率下的模拟结果进行最大减薄率和壁厚分布分析。其中图12所示为不同频率下壁厚分布图以及最大减薄率，而图13所示则为壁厚变化规律。由图12结果可以看出，当f=0.5Hz时，最大减薄率达到最低，此外，当f=0.3Hz时，其最大减薄率与f=0.5Hz时的最大减薄率相差不大，均在17.5%左右。虽然从图13b中可以看出，在横截面位置处，不同频率加载下的壁厚分布差异不是很大，然而，结合图13a所示的四角处壁厚变化规律，当f=0.3Hz时，四角处的厚度最大。针对上述规律，选取圆角处362246号节点进行应变路径分析，如图14所示。由图14f并结合图14a～图14d可知，随着频率的增加，圆角处应变路径逐渐向着等双拉靠近，也即是逐渐靠近安全区域的边缘，因此，结合最大减薄率、壁厚分布以及应变路径变化过程，可选取f=0.3Hz作为最佳加载路径。3实验验证实验根据上述模拟所得最佳加载路径，也即梯形波脉动加载，振幅ΔP=4MPa，频率f=0.3Hz，进行实验验证。实验过程中，压边力、压边间隙等均保持和模拟一致。实验结果表明，按照模拟所得最佳加载路径，通过板材主动式充液成形后得到的零件能够满足设计要求，所得零件图如图15所示。4不同梯度路径下的匀性(1)对比分析了线性加载、三角波脉动加载和梯形波脉动加载3种不同加载路径对2A12-O铝合金航空复杂薄壁构件充液成形性能的影响，相比较于线性加载路径下的零件开裂几率大，成形困难，在脉动加载路径下零件成形性提高，易于成形。此外，零件壁厚分布均匀性的顺序为梯形波脉动加载>三角波脉动加载>线性波形加载，可见，梯形波脉动加载路径为最佳加载路径。(2)分析了梯形波脉动加载路径的振幅对2A12-O铝合金航空复杂薄壁构件充液成形性能的影响，对比了振幅ΔP分别为3、4和5MPa时零件壁厚的演变规律，当ΔP=4MPa时，最大减薄率最小，圆角处的壁厚分布最为均匀，振幅最佳。(