管件液壓成形的加載路徑理論與試驗研究.pdf

1、在汽車制造領域,與傳統(tǒng)的沖壓、焊接工藝相比,采用管件液壓成形工藝制造的汽車零件具有重量輕、剛度好、強度大、耐撞性好、節(jié)約材料、結構緊湊、加工工序少等諸多優(yōu)點。這很好地滿足了汽車輕量化發(fā)展的要求。隨著計算機控制技術和超高壓液壓控制技術的發(fā)展,管件液壓成形技術已開始進入實用化的階段?？梢灶A見,該技術將有力地促進汽車、航空、航天、船舶等產(chǎn)業(yè)制造技術的進步。
　　 在管件液壓成形過程中,由于管坯材料、模具形狀和加載工藝條件的影響,管件容

2、易產(chǎn)生整體屈曲、起皺、破裂等成形缺陷。因此,防止成形缺陷的產(chǎn)生并提高成形性能,已經(jīng)成為各汽車制造企業(yè)增強競爭力的關鍵技術之一。在零件形狀、模具條件和管坯材料已給定的情況下,合理控制內(nèi)壓力、軸向推力的大小以及兩者間的匹配關系即加載路徑是管件液壓成形工藝的關鍵。近幾年來很多學者在管件液壓成形加載路徑的控制方面開展了廣泛的研究,取得了一定的成果。然而這些研究對加載路徑的控制規(guī)律、加載路徑變化對管件液壓成形性影響的內(nèi)在機理、合理加載路徑的設計原

3、則以及合理加載路徑的設計方法等方面仍不夠全面深入,研究結果還不能直接用于實際生產(chǎn)。
　　 本文以數(shù)值模擬為工具并結合試驗對管件液壓成形的加載路徑問題開展深入研究。自主研制了一臺計算機控制管件液壓成形設備,設備最大成形內(nèi)壓力達到200MPa超高壓,設備可同時實現(xiàn)內(nèi)壓力、軸向推力和軸向位移的聯(lián)動精確控制；以典型的自由脹形件為例,研究了管件液壓成形時避免各種缺陷產(chǎn)生的臨界載荷變化規(guī)律以及不同因素對臨界載荷的影響規(guī)律:從加載路徑影響應力

4、狀態(tài),應力狀態(tài)影響成形性能的角度揭示了提高管件液壓成形性能的加載機理,并確定了合理加載路徑的設計原則；在此基礎上,提出了基于自適應仿真與模糊控制相結合的加載路徑設計方法,并將該方法應用于若干典型試驗件的成形。
　　 本文主要研究內(nèi)容和主要創(chuàng)造性工作包括以下幾個方面:
　　 1、計算機控制管件液壓成形設備研制
　　 本文自主研制了一臺內(nèi)壓力達200MPa的計算機控制管件液壓成形設備。對設備的整體結構、液壓控制系統(tǒng)、

5、計算機控制系統(tǒng)、模具與超高壓密封系統(tǒng)等若干關鍵技術進行了探索性的研究；并通過大量的試驗調(diào)試實現(xiàn)了設備在工藝控制精度上的先進性。為研究提供實驗基礎。
　　 2、管件液壓成形的數(shù)值模擬與試驗
　　 本文開展了提高管件液壓成形數(shù)值模擬精度的三維有限元建模方法的研究,分析了進行數(shù)值模擬時仿真參數(shù)的選取原則,研究了采用動力顯示有限元算法進行仿真計算時虛擬加載時間對管件液壓成形預測精度的影響。通過仿真與試驗結果的比較,為研究提供準確

6、的數(shù)值模擬基礎。在試驗基礎上,分析加載路徑對管件液壓成形結果影響的兩個層面。提出了管件液壓成形性的幾種評價準則,并采用數(shù)值模擬和試驗研究了幾種典型的加載路徑對圓形截面零件成形性的影響。
　　 3、管件液壓成形的臨界載荷變化規(guī)律研究
　　 將成形過程中發(fā)生密封泄漏以及管件發(fā)生屈曲、起皺、破裂等成形缺陷時對應的臨界內(nèi)壓力、臨界軸向推力加載關系曲線所圍成的載荷區(qū)間稱之為“臨界加載窗口”(critical loading、vin

7、dow diagram)。加載路徑應該位于臨界加載窗口內(nèi)才可以成形零件。本文基于塑性穩(wěn)定性理論和成形工藝特點建立了完整的自由脹形件臨界加載窗口的理論模型,并通過試驗驗證該模型的正確性。分析了管坯尺寸、管坯材料、模具形狀等參數(shù)對臨界加載窗口的影響規(guī)律,從而實現(xiàn)根據(jù)材料、管坯尺寸和模具參數(shù)來約束加載路徑的范圍。從理論上解決了如何避免零件成形缺陷的產(chǎn)生問題。
　　 4、提高管件液壓成形性的加載路徑規(guī)律研究
　　 在臨界加載窗口

8、內(nèi),能成形零件的加載路徑很多,但采用不同加載路徑時零件的成形性不同。為確定合理的加載路徑以提高管件液壓成形性,本文對管件液壓成形的塑性變形過程展開了進一步的理論研究。首先分析管件液壓成形工藝過程中的應力應變特點,揭示應力狀態(tài)對成形性能的影響規(guī)律,獲得提高成形性能的理想應力狀態(tài)。提出獲得理想應力狀態(tài)所需理想加載路徑的基本構想,并以自由脹形件為例,從理論上建立理想加載路徑的計算模型。利用獲得的加載路徑分別進行仿真與試驗研究,根據(jù)仿真和試驗結

9、果,提出了合理加載路徑的設計原則。從理論上解決了如何提高管件液壓成形的成形性問題。
　　 5、基于自適應仿真與模糊控制相結合的加載路徑設計方法研究
　　 根據(jù)合理加載路徑的設計原則,如何有效地設計確定具體的加載路徑軌跡仍然是一個難題。本文結合管件液壓成形的工藝特點和合理加載路徑的設計原則,提出一種基于自適應仿真與模糊控制相結合的管件液壓成形加載路徑設計方法。采用自適應仿真方法克服了傳統(tǒng)仿真中反復試錯的缺點,利用所建立的成

10、形缺陷趨勢評價函數(shù),將當前的仿真結果及時地反饋給下一步的仿真計算,實現(xiàn)成形過程缺陷的“預發(fā)現(xiàn)、預糾正”,從而減少有限元模擬次數(shù)、提高效率。在成形缺陷趨勢程度的識別和成形工藝參數(shù)的調(diào)整過程中,采用模糊邏輯控制的策略,從而更加合理地判斷成形缺陷、調(diào)整工藝參數(shù)。本文最后對典型組合截面的試驗件進行加載路徑設計和試驗驗證,結果表明了該方法的正確、有效性,也表明了本文提出的加載路徑設計原則的正確性。從實際上解決了具體加載路徑設計的方法問題。