薄壁管数控弯曲成形过程失稳起皱的数值模拟研究

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1、摘要j数控弯曲成形过程失稳起皱的数值模拟研究摘要；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；而这是一个多因素耦合交互作用下可能发生失稳起皱的复杂物理过：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】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：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{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}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；统深入地研究了薄壁管数控弯曲成形过程三维刚塑性有限元模拟分!技术问题，提出了有效的算法和处

2、理方法：提出了相对自由度与绝I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“l”!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‘算效率，同时也保证了有限元迭代过程的收敛性。!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i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：系统有机结合，可实现对起皱的数值预测。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．3D，!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I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i预测等功能。该系

3、统不仅可以实现对成形过程的数值模拟分析，而成形过程中失稳起皱现象的数值预测。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)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～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

4、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)当芯棒伟出长度足够时，弯盏半径对管坯失稳起皱的影响不大；而当芯棒长度不足时，随着弯曲半径的减小管坯发生起皱的趋势增加。芯

5、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IINumericalSimulationofWr

6、inklingOnsetDuringtheNCBendingProcessofThin—walledTubeAbstractPrecisionformingprocessofthin-walledtubeNCbendingisshowingallinexorabletendencytoimproveanddeveloptube-bendingprocessintoadvancedplasticformingtechnology．However,itisacomplexprocesswithcouplinginteractivemulti-factoref

7、fectsandthepossibilityofwrinklinginitiation．Particularly,thedevelopmentofaviationandaerospacerequiresbentpartsmuchthinnerinwail-thickness，largerintuberadius，smallerinbendingradiusandmorepreciseintheformingprocess．Thepredictionandcontrolofwrinklinghavethusbecomeadifficultandkeypro

8、blemurgenttoberesolvedintheresearchandde