一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：對(duì)管坯的外表面和模具的成形面分別劃分網(wǎng)格根據(jù)預(yù)設(shè)管坯的軸向進(jìn)給量對(duì)管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿管坯的軸向作位移；依次將位移后的管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿該節(jié)點(diǎn)的法向投影到模具的成形面上，以投影后的管坯網(wǎng)格作為初始解，通過有限元方法對(duì)管坯的最終構(gòu)形進(jìn)行求解；計(jì)算每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度，得到該管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的實(shí)際厚度，并生成管件內(nèi)表面網(wǎng)格，最終得到液壓成形后的管件。該方法可以快速預(yù)測(cè)管材液壓成形后的性能參數(shù)，從而可以進(jìn)行工藝參數(shù)的不斷調(diào)試與研究，節(jié)約生產(chǎn)成本和時(shí)間。

A rapid prediction method for tube hydroforming

The invention relates to a tube hydroforming fast prediction method, which comprises the following steps: forming on the outer surface of the tube and the mold surface respectively meshed according to axial feed preset tube nodes on the tube grid along the axial direction of tube displacement; in turn tube grid node after displacement along the node to projected onto the forming surface of the mold, the tube grid projection as the initial solution, through the finite element method of tube end configuration is solved; estimate the thickness calculation of each pipe outer surface of the grid, get the actual thickness of the pipe outer surface of the grid node, and generate the pipe inner surface the grid, finally get the hydroforming after. This method can rapidly predict the performance parameters of tube hydroforming, and thus can continuously debug and study the process parameters, thus saving production costs and time.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法
本專利技術(shù)涉及一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法，屬于管材成形

技術(shù)介紹
隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，汽車、飛機(jī)等交通工具制造行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，管材液壓成形由于其產(chǎn)品具有輕量化、一體化及高靈活性等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)過程中得到了快速的發(fā)展。管材液壓成形原理如圖1所示，首先把管坯2置入下模4，并將上模1和下模4閉合然后向管坯2內(nèi)部充入液體介質(zhì)，產(chǎn)生液壓力P，最后由軸向沖頭3進(jìn)給，將管坯2的兩端密封，同時(shí)通過施加軸向推力或位移在脹形過程中補(bǔ)料，內(nèi)壓和軸向進(jìn)給相互配合使管坯產(chǎn)生變形，最終使管坯成形。此時(shí)，還必須對(duì)可分式模具施加約束壓力FG，從而確保軸向進(jìn)給力FR同步進(jìn)行。在管材液壓成形工藝中，管坯的材料和直徑、模具的幾何形狀、液壓力、軸向進(jìn)給力和加載路徑等參數(shù)都影響著管件的成形性能，只有各種參數(shù)匹配適當(dāng)時(shí)，才能生產(chǎn)出良好的零件。為了保證成形后的管件符合設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)成形后的管件進(jìn)行性能測(cè)試，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果不斷調(diào)整管坯的材料和直徑、模具的幾何形狀、液壓力、軸向進(jìn)給力和加載路徑等再對(duì)管坯進(jìn)行液壓成形，重復(fù)進(jìn)行以上操作直到成形后的管件達(dá)標(biāo)。因此在設(shè)計(jì)液壓成形工藝時(shí)，需要重復(fù)調(diào)整各種參數(shù)，經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本均居高不下，尤其是改變模具的幾何形狀時(shí)，需要重新開模，經(jīng)濟(jì)成本更是顯著上升。為了有效地節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，在管材液壓成形的研究過程中，學(xué)者們主要采用基于基于塑性流動(dòng)理論的增量法通過有限元模擬方法進(jìn)行仿真，比如PAM-STAMP、Abaqus、LS-DYNA等。上述增量法在仿真時(shí)需要構(gòu)造管坯至管件之間變形的多個(gè)中間狀態(tài)，相鄰兩個(gè)狀態(tài)之間均需通過有限元方法進(jìn)行模擬，因此不但設(shè)置復(fù)雜，使用要求較高，而且計(jì)算量太大，耗時(shí)太長(zhǎng)，往往需要幾個(gè)小時(shí)甚至數(shù)天才能完成，在液壓成形工藝的設(shè)計(jì)初期，不具有太大的實(shí)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決技術(shù)問題是：克服上述技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種誤差小、精度高的可以快速預(yù)測(cè)管材液壓成形后的性能參數(shù)的方法，該方法可以通過模擬仿真的方式進(jìn)行工藝參數(shù)的不斷調(diào)試與研究，節(jié)約生產(chǎn)成本和時(shí)間。為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提出的技術(shù)方案是：一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟一、對(duì)管坯的外表面和模具的成形面分別劃分網(wǎng)格得到管坯網(wǎng)格和模具網(wǎng)格，根據(jù)預(yù)設(shè)管坯的軸向進(jìn)給量對(duì)管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿管坯的軸向作位移，其中管坯中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移量為0，管坯中點(diǎn)至管坯端部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移量呈線性分布；步驟二、依次將位移后的管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿該節(jié)點(diǎn)的法向投影到模具的成形面上，并將投影后的投影點(diǎn)按投影前的連接順序相連，從而得到投影后的管坯網(wǎng)格；步驟三、以投影后的管坯網(wǎng)格作為初始解，通過有限元方法對(duì)管坯的最終構(gòu)形進(jìn)行求解，過程如下：1)根據(jù)投影后的管坯網(wǎng)格、管坯的材料參數(shù)以及預(yù)設(shè)的管坯內(nèi)液壓力，得到管坯的每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變和應(yīng)力，從而計(jì)算得到作用在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)力和外力；2)根據(jù)每個(gè)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的外力以及管坯與模具之間的摩擦系數(shù)得到每個(gè)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的摩擦力；3)根據(jù)管坯所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)力、外力和摩擦力所做的功之和為零建立有限元平衡方程；4)通過牛頓-拉普森迭代法以預(yù)設(shè)的收斂準(zhǔn)則求解有限元平衡方程對(duì)管坯上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正，得到管件外表面網(wǎng)格；步驟四、假設(shè)管材液壓變形前后每個(gè)網(wǎng)格單元的體積不變，根據(jù)每個(gè)管坯網(wǎng)格的厚度、管坯網(wǎng)格的面積以及每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的面積，計(jì)算得到每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度；步驟五、將每個(gè)管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相鄰的所有管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度取均值得到該管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的實(shí)際厚度；步驟六、將每個(gè)管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)沿其法線方向向管件內(nèi)延伸該節(jié)點(diǎn)實(shí)際厚度的距離，即得到所有的管件內(nèi)表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，按與管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的連接順序生成管件內(nèi)表面網(wǎng)格，最終得到液壓成形后的管件。優(yōu)選的，步驟二中將管坯網(wǎng)格的任一節(jié)點(diǎn)A投影到模具成形面的方法為：將管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A的法線方向旋轉(zhuǎn)到Z軸，將所有的模具網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)也進(jìn)行同樣的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A的法線方向即Z軸方向，管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A在平面XOY上的投影點(diǎn)為A'，將旋轉(zhuǎn)后的模具網(wǎng)格在平面XOY上進(jìn)行投影得到與模具網(wǎng)格一一對(duì)應(yīng)的投影單元，找到投影點(diǎn)A'所在的投影單元，計(jì)算管坯節(jié)點(diǎn)A的法線方向與該投影單元相對(duì)應(yīng)的模具網(wǎng)格的交點(diǎn)，即為管坯節(jié)點(diǎn)A投影到模具的成形面的投影點(diǎn)。優(yōu)選的，步驟二中得到投影后的管坯網(wǎng)格后進(jìn)行網(wǎng)格光順。優(yōu)選的，步驟三中的收斂準(zhǔn)則為：當(dāng)某一迭代步計(jì)算出所有管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的殘余力向量范數(shù)小于前一迭代步計(jì)算出的相應(yīng)值時(shí)，判斷相鄰兩次迭代步中的所有管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移差之和是否小于預(yù)定值，如是則迭代結(jié)束，否則繼續(xù)進(jìn)行下一步迭代；當(dāng)某一迭代步計(jì)算出所有管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的殘余力向量的范數(shù)大于或等于前一迭代步計(jì)算出的相應(yīng)值時(shí)，迭代失敗；其中，管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的殘余力向量為作用在該管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的內(nèi)力和外力之差。優(yōu)選的，步驟二中尋找投影點(diǎn)A'所在的投影單元時(shí)，由近及遠(yuǎn)順序選擇距離管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A的模具網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，從該模具網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的相鄰模具網(wǎng)格在平面XOY上進(jìn)行投影得到的投影單元中尋找投影點(diǎn)A'所在的投影單元。本專利技術(shù)帶來的有益效果是：本專利技術(shù)對(duì)管坯采用液壓一步成形有限元法，能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)管材成形過程進(jìn)行正向模擬，從而可以進(jìn)行工藝參數(shù)的不斷調(diào)試與研究，與實(shí)際通過實(shí)驗(yàn)來調(diào)整工藝參數(shù)相比，節(jié)約了大量生產(chǎn)成本和時(shí)間。另外，本專利技術(shù)可以準(zhǔn)確反映管材成形過程，與現(xiàn)有技術(shù)中從最終構(gòu)件的性能參數(shù)反推近管坯形狀相比，更具有實(shí)用性和可操作性。附圖說明下面結(jié)合附圖對(duì)本專利技術(shù)作進(jìn)一步說明。圖1是管材液壓成形原理示意圖。圖2為本專利技術(shù)實(shí)施例待成形的管件形狀圖。圖3為本專利技術(shù)實(shí)施例中管坯網(wǎng)格和模具網(wǎng)格的示意圖。圖4為本專利技術(shù)實(shí)施例中最終成形的管件示意圖具體實(shí)施方式實(shí)施例本實(shí)施例中模具內(nèi)腔主、支管的圓角半徑為R＝18mm，內(nèi)徑為60.3mm。管坯外徑為60mm，壁厚2mm，長(zhǎng)度為253mm，管坯為SS304不銹鋼材料，加工不銹鋼三通管。待成形的管件形狀如圖2所示。本實(shí)施例的管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟一、對(duì)管坯的外表面和模具的成形面分別劃分網(wǎng)格得到管坯網(wǎng)格和模具網(wǎng)格，根據(jù)預(yù)設(shè)管坯的軸向進(jìn)給量對(duì)管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿管坯的軸向作位移，其中管坯中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移量為0，管坯中點(diǎn)至管坯端部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移量呈線性分布。首先使用CAD軟件對(duì)管坯和模具成形面建模(由于模型平面對(duì)稱，因此只建立二分之一的模型)，然后在CAE軟件中導(dǎo)入建好的模型,并將管坯和模具劃分網(wǎng)格，管坯單元最大尺寸為3mm。管坯材料定義為SS304不銹鋼。管坯的單元類型使用的是三角形網(wǎng)格單元，模具單元類型設(shè)置為四邊形網(wǎng)格單元。模具單元最大尺寸為6mm，模具生成單元總數(shù)為1317個(gè)，管坯生成單元總數(shù)為2511個(gè)，然后在CAE軟件中施加約束，生成管坯網(wǎng)格、模具網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息、單元拓?fù)湫畔ⅰ⒉牧闲畔ⅰ⑤d荷信息的dat文件。最終得到的網(wǎng)格示意圖參見圖3。本實(shí)施例中管坯為SS304不銹鋼材料，其參數(shù)見表1所示：表1由于在實(shí)際工藝中軸向壓力難以控制，而軸向位移較容易實(shí)現(xiàn)，因此本實(shí)施例對(duì)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)采用線性位移來控制軸向加載。本實(shí)施例根據(jù)預(yù)設(shè)管坯的軸向進(jìn)給量對(duì)管坯的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)沿管坯的軸向作位移，其中管坯中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移量為0，本例中管坯端部節(jié)點(diǎn)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟一、對(duì)管坯的外表面和模具的成形面分別劃分網(wǎng)格得到管坯網(wǎng)格和模具網(wǎng)格，根據(jù)預(yù)設(shè)管坯的軸向進(jìn)給量對(duì)管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿管坯的軸向作位移，其中管坯中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移量為0，管坯中點(diǎn)至管坯端部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移量呈線性分布；步驟二、依次將位移后的管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿該節(jié)點(diǎn)的法向投影到模具的成形面上，并將投影后的投影點(diǎn)按投影前的連接順序相連，從而得到投影后的管坯網(wǎng)格；步驟三、以投影后的管坯網(wǎng)格作為初始解，通過有限元方法對(duì)管坯的最終構(gòu)形進(jìn)行求解，過程如下：1)根據(jù)投影后的管坯網(wǎng)格、管坯的材料參數(shù)以及預(yù)設(shè)的管坯內(nèi)液壓力，得到管坯的每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變和應(yīng)力，從而計(jì)算得到作用在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)力和外力；2)根據(jù)每個(gè)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的外力以及管坯與模具之間的摩擦系數(shù)得到每個(gè)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的摩擦力；3)根據(jù)管坯所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)力、外力和摩擦力所做的功之和為零建立有限元平衡方程；4)通過牛頓?拉普森迭代法以預(yù)設(shè)的收斂準(zhǔn)則求解有限元平衡方程對(duì)管坯上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正，得到管件外表面網(wǎng)格；步驟四、假設(shè)管材液壓變形前后每個(gè)網(wǎng)格單元的體積不變，根據(jù)每個(gè)管坯網(wǎng)格的厚度、管坯網(wǎng)格的面積以及每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的面積，計(jì)算得到每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度；步驟五、將每個(gè)管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相鄰的所有管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度取均值得到該管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的實(shí)際厚度；步驟六、將每個(gè)管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)沿其法線方向向管件內(nèi)延伸該節(jié)點(diǎn)實(shí)際厚度的距離，即得到所有的管件內(nèi)表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，按與管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的連接順序生成管件內(nèi)表面網(wǎng)格，最終得到液壓成形后的管件。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種管材液壓成形的快速預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：步驟一、對(duì)管坯的外表面和模具的成形面分別劃分網(wǎng)格得到管坯網(wǎng)格和模具網(wǎng)格，根據(jù)預(yù)設(shè)管坯的軸向進(jìn)給量對(duì)管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿管坯的軸向作位移，其中管坯中點(diǎn)處的節(jié)點(diǎn)位移量為0，管坯中點(diǎn)至管坯端部網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位移量呈線性分布；步驟二、依次將位移后的管坯網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)沿該節(jié)點(diǎn)的法向投影到模具的成形面上，并將投影后的投影點(diǎn)按投影前的連接順序相連，從而得到投影后的管坯網(wǎng)格；步驟三、以投影后的管坯網(wǎng)格作為初始解，通過有限元方法對(duì)管坯的最終構(gòu)形進(jìn)行求解，過程如下：1)根據(jù)投影后的管坯網(wǎng)格、管坯的材料參數(shù)以及預(yù)設(shè)的管坯內(nèi)液壓力，得到管坯的每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變和應(yīng)力，從而計(jì)算得到作用在每個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)力和外力；2)根據(jù)每個(gè)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的外力以及管坯與模具之間的摩擦系數(shù)得到每個(gè)管坯網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的摩擦力；3)根據(jù)管坯所有節(jié)點(diǎn)內(nèi)力、外力和摩擦力所做的功之和為零建立有限元平衡方程；4)通過牛頓-拉普森迭代法以預(yù)設(shè)的收斂準(zhǔn)則求解有限元平衡方程對(duì)管坯上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修正，得到管件外表面網(wǎng)格；步驟四、假設(shè)管材液壓變形前后每個(gè)網(wǎng)格單元的體積不變，根據(jù)每個(gè)管坯網(wǎng)格的厚度、管坯網(wǎng)格的面積以及每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的面積，計(jì)算得到每個(gè)管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度；步驟五、將每個(gè)管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)相鄰的所有管件外表面網(wǎng)格的預(yù)估厚度取均值得到該管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的實(shí)際厚度；步驟六、將每個(gè)管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)沿其法線方向向管件內(nèi)延伸該節(jié)點(diǎn)實(shí)際厚度的距離，即得到所有的管件內(nèi)表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，按與管件外表面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的連接順序生成管件內(nèi)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：鮑益東，周佳愷，王珉，陳文亮，秦雪嬌，李國(guó)梁，丁咚，樊勝寶，王雯，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南京航空航天大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇,32