有限元模拟在管材内高压成形研究中的应用_cae_产品创新数字化(plm)_453

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1、有限元模拟在管材内高压成形研究中的应用_CAE_产品创新数字化(PLM)1.引言   金属的塑性成形过程是一个复杂非线性弹塑性大变形过程，对金属成形规律的研究涉及到几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列难题。随着现代计算机技术的发展，模拟研究方法的出现为金属塑性成形工艺的研究提供了有效手段。但成形过程的数值模拟受到材料非线性、几何非线性和边界非线性的综合影响，直接计算的难度非常大。而从力学本质来看，很多的成形过程可以简化为准静态过程，对该过程进行有限元模拟计算就可以得到合理的结果。作为一种有

2、效的数值计算方法，有限元法已经广泛地应用到金属塑性成形过程的数值模拟之中。应用有限元分析方法，可以在尽可能少或无需物理实验的情况下，方便地得到成形过程各个阶段所需的变形力、工件内部应力应变分布和金属的流动情况等信息，为成形理论的研究、工艺参数的确定、成形模具的设计及提高成形效率和生产率提供行之有效的手段。   随着汽车行业以及航空领域对构件轻量化以节省材料、降低成本、节约能源、降低污染的需求日益增加，以轻量化和一体化为特征的一种空心变截面轻体构件先进塑性加工技术——管材内高压成形技术逐渐成为塑性加工

3、领域研究的热点之一。国内的内高压成形技术研究，得益于很多研究人员在这方面所作的大量工作和取得的丰硕成果，近年来的发展也很快。这些工作主要集中在成形工艺的研究与优化方面。本文也是在基于有限元模拟的基础上进行了一些工艺参数的优化和实验研究。   有限元模拟在内高压成形研究中的应用主要包括两方面的内容：模具的设计与优化和内高压成形工艺参数的优化。所以，本文将分两部分阐述有限元模拟在管材内高压成形研究中起到的关键性作用。2.管材内高压成形模具的设计与优化   模具系统在管材内高压成形中有着举足轻重的地位，高

4、质量的模具是成功成形的保证。模具设计需要丰富的生产实践经验，对非专业模具设计人员，特别是初次设计模具的人来说，新的模具设计或多或少都会存在一些结构上的不合理或其他缺陷。在模具设计与加工的过程中急需快速有效的方法来解决这些问题。   有限元模拟的发展为模具设计提供了可靠的验证优化工具，模具加工之前，在计算机上通过过程模拟来准确评价设计方案，帮助设计者分析模具形状、工艺参数等与产品性能之间的关系，使模具设计人员在模具制造之前就能观察到成型时的应力分布以及是否会产生内部或外部的缺陷，进而修改模具的设计方案

5、直到满意状态，而不是等到模具加工完成并试模以后再返修模具。这是对传统模具设计方法的突破，提高了设计在工艺实践中的精确性和可靠性，避免多次修模、试模的过程，提高了模具的质量，大大缩短了模具生产调试周期，降低制模成本和延长模具的使用寿命。   为了解决模具设计与优化方面的问题，对管材内高压成形的过程用MSC.Marc有限元模拟软件进行模拟，验证模具结构上的合理性，发现设计中存在的缺陷并进行模具的重新优化。   本课题是基于某汽车发动机托架的缩比件尺寸开展具体的模具设计和工艺研究的，发动机托架的具体形状和

6、尺寸如图1。图1某款发动机托架缩比件CAD模型   由于压力机工作台面尺寸的和实验成本限制，实际设计的模具只取工件的1/2进行近似对称性研究分析。第一套模具设计方案所设计的模具CAD模型如图2。图2优化前的模具结构与管坯端部成形状态   建立的相应有限元模拟模型如图3所示，模具的型腔用封闭的三维管状刚性几何曲面来表示，两端的冲头用两个刚性几何面来表示，如图3（a）。管坯用可变形壳单元来描述（图3（b）），单元的厚度与实验中所用管坯一致，为1mm，管坯外径为19mm，模拟中假设摩擦系数不变，为0.05

7、，温度为室温恒定。   （a）优化前模具型腔表面        （b）模具优化前管坯端部成形状态图3优化前的模具结构与管坯端部成形状态图4模具优化前管坯端部成型状态   模拟结果显示，在下端部，由于模具模腔成型区与补料区衔接处角度设计不合理，即补料区和成形区轴线夹角不够大，造成推进补料过程中坯料严重堆积现象，以致形成死皱，补料区坯料无法进入成形区，致使成形区补料不足，局部减薄明显最大减薄处减薄率达到31.34％，如图4所示。图5优化后的模型行腔表面图6模具优化后管坯端部成形状态   针对模具结构方面

8、的问题，对原始模具进行改进：加大补料区和成形区轴线之间的夹角，保证变形区形状不变，对成形区和补料区的衔接处过渡型面的形状和尺寸进行重新设计，保证截面变化光滑、平缓过渡。模具修改后，由于保证了变形区形状不变，只是修改辅助成形的补料部分形状，所以不改变最终零件形状，满足零件形状的要求。改进后的模具图三维CAD模型如图5。   仍然按照原来设定的工况和材料参数进行弹塑性有限元模拟。从模拟结果来看，成形后的壁厚更加均匀，如图6。可以看到最大减薄处减薄率明显减小，减薄率为22%